纯电动客车驱动电机冷却系统匹配及控制策略研究

赵杰

摘要：随着我国的发展，我国的新能源已经十分普及，新能源汽车产业作为我国汽车工业的发展战略，能够有效地解决日益严峻的能源危机与环境污染问题。纯电动客车驱动电机作为汽车唯一的动力源，其可靠性直接影响着电动汽车的性能。为了防止由于温度过高的原因使得电机永磁体产生退磁现象，甚至影响到电机及其控制器的寿命和整车安全性，驱动电机及其控制系统的温度控制显得尤为重要。因此，对纯电动客车驱动电机冷却系统进行合理的匹配并制定科学有效的控制策略具有重要工程实际意义。

关键词：驱动电机；冷却系统；策略

引言

当前，能源危机和环境污染己成为全球关注的焦点问题，世界上主要汽车生产国相继出台了一系列的纯电动客车汽车发展战略。纯电动客车因具有零排放、低噪音等突出特点也成为各大客车生产商着重发展的車型。驱动电机作为纯电动客车唯一的动力源，其性能和使用寿命对整车可靠性及安全性有着极为重要的影响，电机在使用过程中产生的热量如果不能及时散发，会使得电机温度急剧升高，导致电机转子中永磁体因受热而产生不可逆的退磁现象，降低驱动电机的性能，影响永磁同步电机的使用寿命，增加整车使用成本。同时，温度过高还会使得电机绝缘材料发生本质变化，失去绝缘能力。此外，电机控制器中一些电子元件和模块如IGBT模块、主控板、电源板等，也会因温度过高而影响使用寿命，有时甚至会使元件烧毁。因此，设计有效的冷却系统对保证驱动电机和控制器正常工作、纯电动客车整车运行的安全性和可靠性都具有极为重要的实际意义。

1驱动电机热机理分析

电机损耗与电机本体结构、材料性能、使用工况等有着密切的联系，它主要包括基本铁耗、基本铜耗、机械损耗、杂散损耗等。这些损耗最终转化成热量使电机温度的升高。电机驱动系统是纯电动客车各系统中极为重要的一个子系统，实现电能到机械能的转化，并在制动过程中实现将整车动能和势能转换成电能存储到动力电池组中增加续驶里程。基于电动汽车的使用工况及运行特点，纯电动汽车选用的驱动电机应具备以下条件。.1）电机须具有较高的瞬时功率和功率密度，以满足整车动力性能需求；2）应具有较高的使用效率，以提高单次充电的续驶里程；3）应具有较高的高低速综合性能，以满足整车的变速工作需求；4）应具有过载能力强、启动转矩大、转矩响应快、转速范围宽等优点；5）震动噪音低，具有良好的NVH特性；6）可靠性强、成本较低等。永磁同步电机在新能源汽车行业有着非常广泛的应用，利用永磁体取代转子上的绕组，进一步提升电机性能。电机转子的转速与定子绕组中电流频率始终保持一致，可以通过控制绕组中电流频率来控制电机转速，间接控制车速。另一个特点是高功率密度，在相同体积质量条件下能够提供更大的动力输出。永磁同步电机缺点是成本高且容易受温度影响而发生退磁，退磁后将降低电机输出功率和使用寿命。永磁同步电机主要由转子、定子、端盖壳体三部分组成，转子结构的突出特点是使用了永磁体代替转子绕组，结构简单，可靠性较高，定子结构有硅钢片和铜线绕组构成。

2控制系统设计及控制策略制定

2.1控制系统设计方案

本文在综合考虑当前己存在客车冷却系统温度控制模式的优缺点之后，提出了基于门限值和模糊控制相结合的温度控制方法，能够在满足电机及其控制温度控制的要求下尽可能减少冷却系统的能量损耗o冷却系统主要是根据电机及其控制器的实时温度T和温度的变化率△T，进行冷却模式的判断，确定当前模式为门限值控制模式还是模糊控制模式。依据不同的模式确定需求的循环水泵和散热风扇的转速，再由相应的控制器对循环水泵和散热风扇的转速进行控制，根据水泵和风扇的转速流量特性曲线，确定出相应的冷却液流量与空气流量，进而影响散热器的散热强度，改变冷却液温度，控制电机及其控制器的温度在规定范围内。

2.2控制策略制定

本文将冷却系统的工作划分为两种模式：门限值控制模式和模糊控制模式。冷却系统依据电机温度的变化首先进入门限值控制模式，主要对水泵和风扇进行固定转速控制，当温度上升到一定值后采用模糊控制模式对水泵和风扇同时控制。本文选取冷却系统开启门限值为500C，报警温度值为750C。模糊控制模式下目标温度值为650C；当温度低于开启门限值时，电机的热量对永磁铁的退磁影响非常小，绝缘材料也不会受到影响，为了可以减少能量消耗，冷却系统可以不开启；当温度高于750C时，永磁体将会由于温度过高而产生退磁现象，为保证其使用寿命，此时应报警并降低电机输出功率，减少热量产生。在门限值温度控制模式下，循环水泵将先以低速800rpm的转速运行，此转速下循环水泵输出转矩较大，功率较小且噪声低具有很好的NVH特性。当温度继续升高后，水泵转速切换到中速1000rpm运行，以提高冷却液流量增加散热。冷却系统工作流程主要分为：初始化设置、检测系统状态；进行冷却条件的判断，如果满足冷却系统开启条件，则系统按照相应的控制策略对不同状态下电机及其控制器进行温度控制，使驱动电机和控制器温度控制在规定范围.首先，进行冷却系统初始化设置，并根据各种传感器信号及系统状态识别系统是否能够正常工作，如不能正常工作系统会自动进行故障诊断并报警。然后，通过温度传感器进行温度信号T的实时采集，经数字滤波处理后，计算采样温度值的变化值dT。当T>500C时，冷却系统进入门限值控制模式，当500C0时或水泵以中速1000rpm运行，散热风扇低速800rpm运行；600C750C时，表明电机及其控制器温度过高，冷却系统不能满足散热需求，此时系统将向驾驶员发出冷却系统温度报警并统计持续时间t，同时降低电机输出功率，循环水泵和散热风扇以最高转速运行。当持续五分钟后采取停车措施。

2.3模糊控制器设计

模糊控制原理的核心部分为模糊控制规则的制定，在设计模糊控制器时要完成以下工作精确量的模糊化：将精确的物理量转化成相应的语言变量模糊集合，其中模糊集合的取值范围成为模糊论域化因子及比例因子的确定、。模糊化的工作还需要包括输入输出变量论域的选择、量模糊语言子集隶属函数的选取等；模糊推理与决策：模糊推理是以模糊判断为前提，以模糊条件为基础，通过模糊语言规则来推理出一个模糊结果的方法。

结语

驱动电机作为纯电客车唯一的动力源，其可靠性直接影响着整车的可靠性。驱动电机及其控制系统在使用过程中所产生的热量如果不能及时散出，将会对电机的使用性能产生不良影响，甚至影响电机使用寿命及整车安全性。

参考文献

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（作者身份证号码：321322199004106816）