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温旭辉:如何让电机高效运转

2014-10-19 18:34:48  来源:  浏览次数:

  主持人(孙立清):各位代表下午好,按照日程安排,现在就开始下一届论坛。今天下午总共有八位演讲人,将在电机电驱动系统、ISO26262制动能量回馈、电力系统、北斗导航、能源革命等方面给大家做一个介绍。我来自北京理工大学,我叫孙立清,主要负责整车系统集成这方面工作。

  下面开启今天下午的报告,首先有请中科院电工所研究所研究员、中国电工技术学会电动车辆专委会主任委员温旭辉,她发言的题目是“电动汽车电机及控制系统”。温教授,1953年毕业于清华大学电机系,获得博士学位,电工所研究员,博士生导师,所里学位委员会副主任,中国电工学会电动车技术委员会主任委员,IEEA高级会员。温教授研究领域是电机驱动、电力电子,以及电动车应用,发表300多余篇论文,以及十几项专利。

中科院电工所研究所研究员、中国电工技术学会电动车辆专委会主任委员温旭辉
中科院电工所研究所研究员、中国电工技术学会电动车辆专委会主任委员温旭辉

  下面有请温教授介绍电动汽车电机及控制系统,大家欢迎!

  温旭辉:各位老师、同事,下午好!我来给大家报告一下电动汽车电机及控制系统研究及进展。

  首先回味一下电动汽车电机驱动要求,报告一下两项进展工作。对于电动汽车电机驱动影响要求的话,目前来说最能说得清楚就是低速大转矩,启动滑坡用,实现高速宽的恒功率,电动汽车系统,实现高功率密度,这是我们的特色,此外,整个系统高效,不光功率效率,还有能源效率节约,这是非常重要的。

  这张表,实际上对比可用于电动汽车的电机,大家都比较熟悉。在电动汽车上从直流电机、交流电机、开关磁阻电机、永磁电机,也是过很多次,也试过很多年。从性能来说,永磁电机是目前是不可替代高效、高功率密度的电机。日本丰田五六百万辆台还是使用这个永磁电机。

  这张图相对学术一些,这是我们的研究,车用永磁电机性能设计,不同于普通工业用的电机。这张表研究怎么样满足整车对于电机要求,同时还要满足约束条件,可以看得出来,这张图相对比较复杂一点,稍微讲一下。41这个公式,讲的参数设计要能够满足最大电量的约束,就是41。这不是无限制做大裂变器。41这条线,在额定的速度下是这样,42这条线是这样,最高仍然电流不能超过裂变器提供的性能。43公式是蓝色线,这条线的意思是跟控制相关,要把特征电流,有的人要放在一个椭圆以外,会放到中间。在44这条线的时候,就是最高的电压限制,完全是由电池约束来的。45这条线区分了有效和无效参数。要满足这么多公式,实际上我们永磁电机的这种跟控制相关的参数。会完全有可能是在一个非常小的区域。这就是车用永磁电机,目前来讲,就是五个公式使得我们的设计跟别人不同。

  首先跟大家讲一下这种车对电机要求,永磁电机的设计需要满足哪些条件。接下来给大家报告一下我们目前做的一个工作,就是永磁电机的高效区规划。这张图借用龚俊某此演讲的一张图,红色的线代表的是车队电机驱动的输出的要求,横轴是电机转速,纵轴是对于转矩的要求,搞电机的人都知道,低速的时候频率很低,应该铁损耗不是主要的,占优的是铜损耗,随着速度增高、频率增高,铁损耗增高。我们非常小的时候,数学上应该学过。只要这边以铜损为主,这边以铁损为主,真正高效区是落在两种之间。大家一定看到过很多电机效率图,大体上一定是这样规律,这边铜损为主,这边铁损为主。大部分看到这样一个区域效率会比较高。

  从数学上可以证明高效区可以规划的,规划的意义在哪里,我们做这个题目的时候,我们想要根据大家真正的有使用电动汽车的电机,经常工作的区域,它的区域跟高效的区域重合起来。重合起来以后,有可能频繁地使用高效区,有可能提升电机的高效利用率。

  这是普雷斯第三代电机,最高效在这里。这是本田电机,高效区在这。这轴向磁通永磁电机,低中速,设计起来效率更高。新型开关磁阻电机,最高效在边上的。现代的电机也是沿着最高的输出线上走。如果要做非常大量的量产电机,要配合传动,经常运行工况跟电机设计,要配合起来的话。应该还是可以提升它的能量的效率的。我们怎么做?因为电机设计,实际上它的电量可以非常多的。我们目前的做法,现在做一个最理想化的假设,不考虑材料饱和,在这种表贴式的电机下,推倒电机效率曲线,高效区顶点和轴,可以用最基本的参数来表达。

  几个高效区的顶点,与电机的参数和效率有关,因为有顶点,实际上计算面积的时候,也就是可以根据参数计算面积。刚才讲都是推导,跟有限元仿真进行对比,非常接近。这样一个前期推导,还是能指出本质性的东西。我们把这样一个技术,用来做一个例子。这是整车给我们一个经常工作的路谱。推导过来,到我们转矩和转速对应来看,是这样一个区域,这种地方比较多。不是在我们实际上经常可能的那种高效区。在这样一个情况下,我们就把一个是调了顶点位置,往这边偏一下,另外线扩大一点。因此,我们在基于这种循环工况做电机平均效率优化,最终的时候能够做到平均效率91,一般都是额定工作点,尝试工作,大于一点几个百分点。虽然高的并不是非常多,真正长期使用的时候已经有意义了,这是我们已经得到的结果。

  接下来要把表贴式的电机改成永磁磁阻电机,二次曲线不存在了,这是刚才表贴方程比较简单,这个事情比较复杂,仍然可以表示出来效率等高线和几个参数关系,我们现在有工具可以用。如果考虑弱磁会更加复杂,还会出现分段,但是仍然可以进行规划。所以目前我们还是在相关的工作,也是有一些实际应用。在座各位有做电机、控制,还有整车。这样一个工作,我们愿意跟大家做一个分享,或者一起来干。

  另外一个技术,目前我们在做的,高功率密度的车用变流器的技术。我们来看,怎么来实现高功率密度电流器的话,主要有两个技术途径,先进器件极限利用,基于多物理场耦合设计裂变器。芯片关键器件,IGBT热流密度大,现在从平面栅发展成沟槽栅已经好几代了。最新的悬垂量分布功率损耗比传统NPT降低25%以上,要考虑物理特性运动场。目前国内做得比较少,要么做电路仿真,通常用等效行为模型来做,行为模型在一种情况下等于反推过来,或者弥合的,很难反映在多种情况下的一个特征。双极性方程,求解快速,简单易用,便于获取参数,利于热电偶合,不同条件下做的非常接近。有限差分模型,PDM仿真结果验证,这样仿真结果,为提前利用打下基础。这只是芯片,在芯片基础上,要打开IGBT模块,有很多芯片,为什么一定要从芯片到模块,模块有两个目的,要实现芯片和外置电路连接,这是电器特性,另外一定要把热量排走。所以我们在IGBT模块模型方面,要重视杂成参数的提取。另外温度场仿真,进行模拟平台,观测热电耦合特性。IGBT打开了,分别测其中一个芯片双脉冲过程当中是不是均流。目前采用热电耦合模型,三个芯片,开通状态的时候,实现三个不平衡,83、58、52,这是仿真结构,实验室非常吻合,开通之后比较吻合。如果我不能够仿真,仿真跟实验对不上的时候,虽然我真正使用的时候,这两个只有50安培,另外一只已经达到了84安培。我们要做到极限利用的时候,一定要准确地掌握开关和导通过程当中的电流分配。

  大家都用过直接冷却器件,做过三种Pinfin,椭圆、矩形、圆形,进行温度分布、流速分布,最终选择圆柱型。有一个制造工艺复杂性问题。IGBT模块直接应用,跟我们实现密度关系非常大,这也是行业里的共识。打开丰田控制器,很多工作都是做在IGBT,甚至两面冷却。

  国际上车用变流器技术发展现状比较简单,电力电子总成,不同层次实现高中密度集成。怎么样极限利用IGBT能力,另外怎么样利用多场耦合,使得这些器件实现更多的应用。过去最早做母排机械连接,做成迭成,考虑电气连接,集成的时候,不的母排结构,三种结构,优化组合,可以减少裂变器组合50%以上。优化降低7度以后,电容芯子大大降温,因为高功率,而且工作水温90度情况下,做出来的变流器,最大功率110千伏安,每升9.4千伏安。当然还用了一些碳化硅。

  电工所目前因为非常重视高功率变流器研制,建立了碳化硅的实验室。我们还有全国第一家第三方的检测中心,对IGBT进行全面检测性能。信息系统测试能力,非常高速的250千瓦测试条件。这些都可以分享。谢谢大家!    

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