【原創(chuàng)】2024年度國內外主流雙電機混動技術(四)---電機性能參數(shù)

電機作為DHT混動耦合機構核心動力部件，電機的設計開發(fā)包括性能、結構形式、冷卻方式、控制方式等多方面，對于電機性能定義要滿足整車行駛需求，主要的電機參數(shù)包括功率、扭矩、轉速、效率等，如下表1、表2所示。

表1 電動機性能參數(shù)

目前市場上主流的DHT電動機最高轉速都可以達到（13000-16000）rpm，最大功率密度可以接近6kW/kg，最大效率都在97%以上，高效區(qū)間輕松滿足雙85，國外兩田基本采用升壓技術，三相端輸出電壓達到（650-700）V,國內廠家混動產品乘用車采用升壓技術的目前只有比亞迪汽車，升壓后可以降低電池成本，同時電機提供更大的輸出潛力。

表2 發(fā)電機性能參數(shù)

與驅動電機相比，發(fā)電機使用同樣類型的永磁同步電機，目前也是新能源混動市場主流的電機類型產品。目前市場上主流的DHT發(fā)電機最高轉速也都可以達到（13000-16000）rpm，本田第四代IMMD的發(fā)電機已達到19000rpm的更高轉速，轉速提升可以更好地減少電機體積，有利于DHT集成空間優(yōu)化，發(fā)電機三相端輸出電壓同樣達到（650-700）V，最大效率達到96%。

電機性能主要包括外特性、效率map、反電動勢、扭矩波動等，電機性能一般使用電機專用臺架進行測試，如下圖1為電機外特性測試獲取的曲線。

圖1 電機外特性

電機外特性測試結果扭矩和功率曲線與理論相比略有差異，該款電機測試外特性扭矩在基數(shù)轉速扭矩拐點前略有下降，功率也出現(xiàn)同樣趨勢。

同步采用仿真的手段對電機峰值扭矩進行仿真分析，仿真邊界如下表3所示，仿真結果如下圖2所示。

表3 電機峰值扭矩仿真邊界

圖2 電機峰值扭矩仿真

實測電機峰值扭矩結果為：轉速2000rpm，轉矩315Nm；仿真電機峰值扭矩結果為：轉速2000rpm，轉矩336Nm。理論計算電機扭矩與實際產品誤差約6%，在實際項目開發(fā)過程中，尤其在項目概念階段，電機處于理論設計階段，對于理論電機性能的使用要預留余量，這樣才能更好地保證滿足性能目標要求。

電機轉矩動態(tài)波動也是電機主要性能特點，對于電機峰值扭矩波動進行仿真分析，結果如下圖3所示。

圖3 電機峰值扭矩波動仿真

相電流有效值300A，峰值扭矩336Nm，扭矩波動為±9.4%。電機存在一定的瞬態(tài)扭矩波動，但比發(fā)動機扭矩波動小，同樣電機扭矩需要進行濾波處理才能平穩(wěn)輸出整車使用。在實際的標定中如果忘記濾波，在整車上就會出現(xiàn)扭矩較大波動現(xiàn)象，此處在實際項目開發(fā)中需要關注。

電機MAP圖獲取最準確有效的方式就是對電機樣件進行測試，測試結果為轉速-扭矩-效率。一般電機轉速從低到高，間隔200rpm,直到測試至電機最高轉速；扭矩從低到高，間隔10Nm,一直測試到最大峰值扭矩。橫坐標轉速，縱坐標扭矩，形成效率MAP,如下圖4所示。

圖4 電機萬有效率MAP

電機效率較高，在效率95%以上圈面積較大，基本覆蓋了主要占比的電機工作區(qū)，整車運行過程中，電機基本處于運行高效區(qū)工電機齒槽扭矩是永磁電機繞組不通電時永磁體和定子鐵心之間相互作用產生的轉矩，是由永磁體與電樞齒之間相互作用力的切向分量引起的。

齒槽扭矩具有一定危害，會使電機產生振動和噪聲，出現(xiàn)轉速波動，使電機不能平穩(wěn)運行，影響電機的性能。在變速驅動中，當轉矩脈動頻率與定子或轉子的機械共振頻率一致時，齒槽轉矩產生的振動和噪聲將被放大。齒槽轉矩的存在同樣影響了電機在速度控制系統(tǒng)中的低速性能和位置控制系統(tǒng)中的高精度定位。

所以做永磁電機研發(fā)的工程師希望把自己做的電機的齒槽轉矩降到最小，使用永磁電機的工程師則希望了解手上這臺電機的齒槽轉矩，從而去優(yōu)化他的控制算法。

采用仿真的手段，對齒槽扭矩進行仿真計算，仿真邊界條件如下表4所示，齒槽轉矩仿真結果如圖5所示。

表4 電機齒槽扭矩仿真邊界

圖5 電機齒槽扭矩仿真

仿真結果顯示齒槽扭矩波動為：±0.26Nm，處于較佳水平（一般標準范圍為0.1-1）。

在電機運行時，由于電機中的電流產生磁場，這個磁場與電機轉子磁感應線圈的磁場作用產生電動力，使電機發(fā)生旋轉運動。但在電機運行時，轉子磁感應線圈的運動也會在磁場中產生感應電動勢，這個電動勢被稱為反電動勢。反電動勢的大小和電機的轉速成正比，反向和電機轉速方向相反。

反電動勢的主要作用包括減少電機損耗、提高電機效率、控制電機轉速等，反電動勢仿真結果如下圖6、圖7所示。

圖6反電動勢仿真

空載轉速為：13000rpm，相反電勢峰值為：550V，反電動勢較高。

反電動勢THD（總諧波畸變率），永磁同步電機的反電動勢畸變率是指的是反電動勢中的諧波成分對于基波成分的比率。諧波對于電機影響主要包括電機溫升、噪音增大、損耗增加等。反電動勢THD仿真結果如下圖6所示。

圖7 反電動勢THD仿真

無斜極，峰值轉速為：13000rpm，基波幅值為：542.45V，THD等于2.68%，可以看出主要諧波為3次，5次和31次。

混動電機性能的開發(fā)需要追求更優(yōu)秀的目標：

1. 更大的功率、扭矩，本文最新一代電機升級最大扭矩已實現(xiàn)400Nm;

2. 更優(yōu)秀的效率，下一代同類電機最高效率可以達到98%，實現(xiàn)雙90；

3. 更高的轉速，最新一代發(fā)電已達到16000rpm，驅動電機已達20000tpm;

4. 最佳的集成，最新一代升級后混動耦合機構軸向尺寸已到達350mm以內；

5.追求最合適的成本目標，同級別雙電機價格可以控制在8000RMB以內。