装甲车辆起动发电一体化的设计

李长兵，臧克茂，李立宇

(装甲兵工程学院，北京100072)

现有的装甲车辆采用专用的直流串励电动机起动柴油发动机，另用一台专用的发电机负责给蓄电池充电和整车供电.这种起动和发电方式存在体积、重量大，效率低，可靠性和可维修性不高.如果采用一台永磁同步电机既作为发动机的起动电动机又作为整车的发电机[1]，实现起动机/发电机一体化，则能在减小原有起动机和发电机系统体积和重量时提高电机的效率、可靠性与维修性、延长电机寿命.

1 系统总体设计

依据轻型通用装甲车辆发动机的起动和发电需求，要求起动发电一体化的永磁同步电机应具有如下参数:

起动扭矩:115 N·m;

点火转速:600 r/min;

发电转速:800 r/min;

起动电压:24 V;

发电稳定电压:28 V;

发电额定功率转速范围:1 800～2 500 r/min;

额定扭矩:60 N·m;

发电额定电机电流:302 A(有效值);

最大起动电机电流:1 260 A(有效值).

按照电机参数要求，一体机控制系统采用电机控制专用高性能DSP芯片TMS320F2808为主控CPU，起动发电由一套控制系统完成，逆变器采用多MOSFET并联实现.起动时CPU调用电动机控制程序，采用电压空间矢量脉宽调制(SVPWM)方式，将24 V直流电逆变为交流电，电机工作在电动工况，实现对发动机的起动控制.起动后CPU调用发电机控制程序，由同一逆变装置，采用SVPWM构成PWM整流[2]，实现对电机的发电控制.系统总体结构如图1所示.

图1 起动发电机一体化系统结构框图

2 一体化电机的参数设计

设计的电机必须同时满足电动工况和发电工况的要求，还要满足安装空间的尺寸要求，根据系统需求和技术指标，电机设计采用以下技术措施:

1)电机具有体积小、结构紧凑的特点.优选设计参数，在满足电机电气性能的情况下，提高电机的功率密度和效率，减小其体积和重量.

2)发电工况时采用 PWM整流控制，且转速范围为1 800～2 500 r/min.合理设计电机的频率、反电动势和电感参数，保证在转速变化范围内发电机及其PWM整流系统能稳定运行.

3)电机要求具有低速高扭矩的起动功能，因此在满足发电性能的基础上，必须兼顾电机起动能力.

4)由于要求的电机结构紧凑，电机电磁负荷会比普通电机取值要高，电机的发热也较大，对电机的冷却散热采用综合设计.

在运用Ansoft软件反复校核的基础上得到电机的主要结构参数如表1所示.

表1 电机主要参数

得到的电机发电运行数据和起动运行数据如表2和表3所示.

表2 发电运行数据

表3 起动运行数据

3 系统控制原理设计

为减小起动发电一体电机控制系统的体积，控制系统采用一套逆变装置，通过改变软件控制算法来实现起动时电机工作在电动工况、发电时电机工作在制动工况.电机的控制策略采用Iq=0的矢量控制.对应电动工况和制动工况的矢量图如图2所示.

图2 电机电动和发电工况矢量图

图2中的E0为励磁磁场产生的电动势，U为逆变器产生的相电压.

电机在起动时工作在电动工况，被控量是电机转速.其控制原理框图如图3所示.

图3 起动时工作原理框图

电机在起动后工作在制动工况，被控量是直流母线电压，其原理框图如图4所示，引入母线电流做前馈可以提高系统的动态性能.

图4 发电时工作原理框图

4 逆变器主回路设计

在低压、大电流的使用条件下，控制器工作在母线电压为28 V的工况，MOSFET管比IGBT有体积小、功耗小的优势，更重要的是MOSFET导通电阻具有负温度系数，并联后能自动实现均流.起动发电一体机在起动时需要的扭矩最大，对应的起动电流也最大.在起动时对应的最大电流为1 260 A(有效值)，根据工程实践经验，并考虑安全系数，MOSFET管的额定电流按式(1)计算为2 940 A.

式中:K为安全系数，取1.65，Imax为1 260 A.

若采用16个MOSFET并联，则单个MOSFET的电流为2940÷16=184，A，根据这个指标选用国际整流器公司的AUIRLS3036－7P.该管的技术指标如表4所示.

表4 场效应管 (MOSFET)的各项性能参数

5 仿真结果及分析

对电机利用Ansoft软件进行了有限元分析，对应的电机空载磁通密度云图如图5所示，从图中可以看出最高磁通密度集中在定子的齿部和轭部的几个点，磁通密度分布对称和合理，铁芯的最高磁通密度不大于1.5 T.

空载电动势及其傅里叶分解如图6所示，由图可知电机电动势的谐波分量很小，这有利于减小电机的空载损耗和谐波扭矩.

图5 电机空载磁通密度云图

图6 空载电动势及其傅里叶分解

依据电机的参数采用Simulink对系统进行了起动工况和发电工况的仿真分析[3]，得到的波形如图7和图8所示.

从电动波形可以看出，电机起动扭矩响应时间小，电流波形正弦度较好，扭矩稳定在115 N·m，达到发动机起动扭矩的要求，发电工况时，电机三相电流很快达到稳定，波形畸变小，输出功率达到10 kW，满足发电指标要求.

图7 0～600 r/min电动运行电流、扭矩和转速波形

图8 2 500 r/min发电电流、扭矩、功率和转速波形

6 结论

对某型装甲车辆的起动一体化机的系统总体、电机参数、系统控制原理和逆变器的功率部分给出了详细设计.运用Ansoft对电机进行了有限元分析，并对整个系统用Simulink进行了仿真.仿真结果表明电机参数设计合理，系统达到的性能指标满足装甲车辆起动和发电工况要求.

[1] 张科勋.一体式起动发电机系统概述[J].汽车工程.2005，27(3):477-480.

[2] 黄 勇.三相电压型PWM整流器的研究与设计[D].华南理工大学.2010.

[3] Bimal K.Bose，王 聪，等，译.现代电力电子学与交流传动[M].北京:机械工业出版社，2006.