CN103762911A - 永磁同步电机的降额控制方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种永磁同步电机的降额控制方法，包括：第1步，在不同转速、但总是最大扭矩的条件下，记录永磁同步电机从正常工作模式进入失效响应模式的瞬时峰值电流。第2步，根据各个转速下的瞬时峰值电流，记录不同转子温度下的退磁率。第3步，根据所允许的最大退磁率，得到各个转速下的最大允许转子温度。第4步，为各个转速、各个转子温度下设定降额系数。第5步，根据当前转速和转子温度，根据第4步所设定的降额系数的值来对最大输出扭矩和最大输出功率进行限制。本申请所述方法特别适用于新能源汽车上的永磁同步电机，既能保证永磁体的剩余磁通密度不超过一定范围，又能满足低速爬坡、高速超车的需求。

Description

永磁同步电机的降额控制方法

技术领域

本申请涉及一种新能源汽车上的永磁同步电机的降额控制方法。

背景技术

永磁同步电机被普遍应用于新能源汽车（纯电动汽车、混合动力汽车等），作为驱动电机。永磁同步电机的转子上设有永磁体，通常为磁钢，其主要特性参数包括剩余磁通密度（Br）和内禀矫顽力（Hcj）。

剩余磁通密度决定永磁体的性能，进而影响永磁同步电机的输出扭矩和功率。永磁体的剩余磁通密度减小的现象被称为退磁，剩余磁通密度的减小量与原本的剩余磁通密度之比被称为退磁率。永磁体发生退磁主要与温度和电流两个因素有关。退磁率在一定范围内是可以接受的，超过该范围则是不被允许的。

内禀矫顽力决定永磁体的抗退磁能力。内禀矫顽力由永磁体中的稀土（例如钕、镝）含量所决定，这直接影响永磁同步电机的生产成本。新能源汽车上的永磁同步电机需要在复杂的整车工况及苛刻的环境温度条件下工作，因而永磁体的抗退磁能力是电机乃至整车稳定性及使用寿命的重要指标。

当永磁同步电机的转子达到较高温度时，若由于某些故障从正常工作模式进入失效响应模式，将导致永磁同步电机受到较大的瞬态峰值电流冲击，此时永磁同步电机中的永磁体易发生退磁，具体表现为电机空载反电势降低、性能下降。

为使永磁同步电机的退磁率在允许范围内，目前已有对永磁同步电机的降额控制方法。请参阅图1，该方法包括如下步骤：

第1步，根据永磁同步电机运行时的最大相电流，计算不同转子温度下永磁体的退磁率。

第2步，根据永磁同步电机所允许的最大退磁率，得到最大允许转子温度。

第3步，为永磁同步电机设定第一阈值、第二阈值，第一阈值＜第二阈值≤最大允许转子温度。

第4步，当转子温度达到第一阈值时，开始限制永磁同步电机的最大输出扭矩和最大输出功率，此时降额系数从1开始减小。所述降额系数是指限制后的最大输出功率与未限制的最大输出功率的比值，取值范围为0～1。永磁同步电机的转子温度越高，降额系数越小。当转子温度达到第二阈值时，将永磁同步电机的最大输出扭矩和最大输出功率降至0，此时降额系数为0。

所述方法第4步中，限制永磁同步电机的最大输出扭矩和最大输出功率就是降额控制。请参阅图2，这是永磁同步电机的扭矩-转速外特性曲线（粗实线）和功率-转速外特性曲线（粗虚线）。当转速在0～n1之间时，随着转速升高，功率随之升高，扭矩不变，称为恒扭矩区。当转速在n1以上时，随着转速升高，扭矩随之降低，功率不变，称为恒功率区。实际上，恒扭矩区与恒功率区的拐点是很窄的一个转速范围，因而可以近似地认为是一个特定的转速拐点n1。

在恒扭矩区进行降额控制，是通过限制永磁同步电机的三相定子绕组的相电流，从而限制输出扭矩。

在恒功率区进行降额控制，是通过限制永磁同步电机的三相定子绕组的相电流，从而限制输出功率。

由于永磁同步电机的功率仅与其转速、扭矩有关，转速×扭矩＝特定常数×功率。那么一旦限制了扭矩，在转速不变的前提下，也就必然限制了功率。同样地，一旦限制了功率，在转速不变的前提下，也就必然限制了扭矩。因此，降额系数不仅用来表征限制后的最大输出功率与未限制的最大输出功率的比值，还用来表征限制后的最大输出扭矩与未限制的最大输出扭矩的比值。

所述方法第4步中，当转子温度在第一阈值到第二阈值之间时，可以采用线性降额控制，即随着转子温度上升线性地减小降额系数。

例如，永磁同步电机所允许的最大退磁率为15%，由此得到的最大允许转子温度为140℃。请参阅图3，当转子温度≤130℃时，降额系数为1。当转子温度＞130℃时，降额系数从1开始随着转子温度升高而线性减小。当转子温度＝140℃时，降额系数为0。这种降额控制方法可以避免转子上的永磁体发生超出15%以外的退磁率。

请参阅图4，这是现有的永磁同步电机的降额控制方法所对应的扭矩-转速外特性曲线。此时永磁同步电机的转子温度大于第一阈值，但小于第二阈值。在拐点n1之前，限制其最大输出扭矩为原最大输出扭矩的80%；此时其最大输出功率也为原最大输出功率的80%。在拐点n1之后，限制其最大输出功率为原最大输出功率的80%；此时其最大输出扭矩也为原最大输出扭矩的80%。即降额控制后只能在图4中斜线填充区域工作。

现有的永磁同步电机的降额控制方法存在如下不足：

其一，永磁同步电机的最大相电流并非整个工况下会出现的最恶劣电流。在电机驱动系统发生故障时，从正常工作模式切换至失效响应模式时会有3ms左右的瞬时峰值电流，该瞬时峰值电流比最大相电流更大，从而对退磁影响很大。

其二，不同转速条件下，永磁同步电机在发生故障时的瞬态峰值电流大小有差异，通常最恶劣点位于恒扭矩区与恒功率区的拐点处，即图3中转速为n1的位置。现有的降额控制方法在所有转速下采取“一刀切”式的控制方式，将导致在转子温度较高时系统的性能受到限制。例如爬坡时常用的低转速大扭矩区、高速超车时常用的高转速大功率区，都会因最大输出功率被限制而受到影响。

发明内容

本申请所要解决的技术问题是提供一种永磁同步电机的降额控制方法，既能保护转子上的永磁体在高温和大电流时的退磁在允许范围内，又能在此前提下仍能输出较大扭矩及功率，从而将转子温度对整车爬坡以及高速超车性能的影响降到最低。

为解决上述技术问题，本申请永磁同步电机的降额控制方法包括如下步骤：

第1步，在永磁同步电机的不同输出转速、但总是保持该输出转速下的最大输出扭矩的条件下，记录永磁同步电机从正常工作模式进入失效响应模式的瞬时峰值电流；

第2步，根据永磁同步电机在各个转速下的瞬时峰值电流，记录永磁同步电机在不同转子温度下的退磁率；

第3步，根据永磁同步电机的永磁体所允许的最大退磁率，得到各个转速下的最大允许转子温度；

第4步，为永磁同步电机在各个转速、各个转子温度下设定降额系数的值；在每个转速的最大允许转子温度下，降额系数设为0；在每个转速的最大允许转子温度的一定温度之前，降额系数从1开始下降；在降额系数从1降至0的范围内，转子温度越高，则降额系数越低；

第5步，根据永磁同步电机的当前转速和转子温度，根据第4步所设定的降额系数的值来对永磁同步电机的最大输出扭矩和最大输出功率进行限制，限制后的最大输出扭矩＝原最大输出扭矩×降额系数，限制后的最大输出功率＝原最大输出功率×降额系数。

现有的永磁同步电机的降额控制方法仅考虑转子温度一个因素，其最大允许转子温度还是基于最大相电流得到的。本申请的永磁同步电机的降额控制方法同时考虑电机转速和转子温度两个因素，其最大允许转子温度是基于瞬时峰值电流和电机转速得到的。这使得本申请所述方法特别适用于新能源汽车上的永磁同步电机，在复杂的整车工况下，转子温度较高时能避开最大的退磁风险区，从而保证在寿命周期内永磁体的剩余磁通密度及整车性能的下降不超过一定范围。同时，在转子温度较高时，还能在低转速时仍能输出峰值扭矩，在高转速时能输出峰值功率，从而满足低速爬坡、高速超车的需求。

附图说明

图1是现有的永磁同步电机的降额控制方法的流程图；

图2是永磁同步电机的扭矩-转速外特性曲线和功率-转速外特性曲线；

图3是现有的永磁同步电机的降额控制方法所对应的降额系数与温度的示意图；

图4是现有的永磁同步电机的降额控制方法所对应的扭矩-转速外特性曲线；

图5是本申请的永磁同步电机的降额控制方法的流程图；

图6是永磁同步电机从正常工作模式切换至失效响应模式时的三相电流示意图；

图7、图8是本申请的永磁同步电机的降额控制方法所对应的扭矩-转速外特性曲线（两种不同转子温度下）。

具体实施方式

请参阅图5，本申请永磁同步电机的降额控制方法包括如下步骤：

第1步，对永磁同步电机从正常工作模式进入失效响应模式进行仿真，每次仿真都基于永磁同步电机的不同输出转速、但总是保持该转速条件下的最大输出扭矩。记录各个转速下的瞬时峰值电流。

这种仿真可以是软件形式的暂态电流仿真，在搭建的电机驱动系统的电路模型上进行，主要是仿真出模式切换时的电机三相电流的暂态变化；也可以是对实际电机驱动系统的测试测量。请参阅图6，当永磁同步电机从正常工作模式（例如扭矩控制模式）切换至失效响应模式时，切换的瞬间由于加载到定子三相绕组上的电压突然变化，导致某一相或多相出现瞬时的大电流，将其中幅值最大的瞬时电流称为瞬时峰值电流。该瞬时峰值电流是导致转子高温时永磁体退磁的主要原因之一。

第2步，根据永磁同步电机的各个转速下的瞬时峰值电流，对永磁同步电机在不同转子温度下进行退磁仿真，记录各个转速条件下在各个转子温度下的永磁体的退磁率。

所述退磁仿真优选为软件仿真，在电磁仿真软件中搭建电机模型，选定永磁体的剩余磁通密度、内禀矫顽力、绕组匝数、系统电压、铁芯形状等磁路参数后，在线圈内加载第1步中得到的各个转速下的瞬时峰值电流。从而记录在各个转速、各个温度条件下的永磁体的退磁率。

第3步，根据永磁同步电机的永磁体所允许的最大退磁率，得到各个转速下的最大允许转子温度。

请参阅图2，大量实验结果表明，恒扭矩区与恒功率区的拐点（转速为n1处）的瞬时峰值电流最大，相同转子温度条件下的退磁率也最大。转速距离n1处越远，瞬时峰值电流越小，相同转子温度下的退磁风险越低。为使退磁率符合要求，需要在转速为n1处进行最严格的转子温度限制，转速距离n1处越远则转子温度限制就越放宽。这种根据转速、温度两者进行降额控制的好处是：在转速为n1处对输出功率做最大幅度的抑制，用以防止永磁体退磁；根据转速距离n1的由近到远，逐级放宽输出功率的限制，用以提高低转速大扭矩区和高转速大功率区在转子高温下的性能，进而提高整车低速爬坡和高速超车能力。

第4步，为永磁同步电机在各个转速、各个转子温度下设定降额系数的值。在每个转速的最大允许转子温度下，降额系数应设为0。例如，在每个转速的最大允许转子温度的一定温度之前，降额系数从1开始下降。例如，电机转速为每分钟2700转时，最大允许转子温度为140℃，转子温度＞130℃就使降额系数从1开始下降。而电机转速为每分钟500转时，最大允许转子温度为180℃，转子温度＞150℃就使降额系数从1开始下降。在降额系数从1降至0的范围内，转子温度越高，则降额系数越低。

请参阅上表，假设n1为每分钟2700转。那么距离n1最近的2500～3000转速区间具有最大的瞬时峰值电流，一旦转子温度超过130℃就开始通过限制控制电流而限制输出功率，以保证退磁率符合要求。随着转子温度升高，降额系数随之降低。一旦转子温度达到140℃就将控制电流降为0，从而使输出功率也降为0，从而保护永磁体。

距离n1稍远的1500转、4000转，由于瞬时峰值电流也较小，因而在转子温度超过132℃才开始通过限制控制电流而限制输出功率。

距离n1更远的1000转、5000转，由于瞬时峰值电流也更小，因而在转子温度超过138℃才开始通过限制控制电流而限制输出功率。

换一个角度，当转子温度达到130℃以上时，则只对2000～3500转速区间开始进行降额控制，对其余转速区间不进行降额控制。

当转子温度继续升高至135℃，则对2000～3500转速区间进行更大程度的降额控制，对1500～2000转速区间和3500～4000转速区间开始进行降额控制，对其余转速区间仍不进行降额控制。这样可以保证低转速大扭矩区、高转速大功率区的输出。在高转速区，最大输出扭矩随转速升高而减小，因此扭矩限制在高转速区不起作用。

第5步，根据永磁同步电机的当前转速和转子温度，根据第4步所设定的降额系数的值来对永磁同步电机的最大输出扭矩和最大输出功率进行限制。

在恒扭矩区进行降额控制，是通过限制永磁同步电机的三相定子绕组的相电流，从而限制输出扭矩。一旦限制了扭矩，在转速不变的前提下，也就必然限制了功率。

在恒功率区进行降额控制，是通过限制永磁同步电机的三相定子绕组的相电流，从而限制输出功率。一旦限制了功率，在转速不变的前提下，也就必然限制了扭矩。

请参阅图7，这是本申请的永磁同步电机的降额控制方法所对应的扭矩-转速外特性曲线。此时永磁同步电机的转子温度为第三阈值。仅在转速为n1处的附近，才通过限制其最大输出扭矩为该转速下原本最大输出扭矩的80%，而使得其最大输出功率为原本的80%。而在稍远离转速为n1的区域，对永磁同步电机的最大输出功率不作限制。比较图7和图4可知，同样是斜线填充区域表示允许工作的区域，由于低速大扭矩区及高速大功率区退磁风险相对较小，本申请因此放宽了对这两部分区域的限制。在整车层面上，即提高了转子高温时的低速爬坡能力和高速超车能力，也间接提升了整车功能安全。

请参阅图8，这是本申请的永磁同步电机的降额控制方法所对应的扭矩-转速外特性曲线。此时永磁同步电机的转子温度为第四阈值，第四阈值＞第三阈值。此时斜线填充区域所表示的工作区域比图7更为缩小，表明随着转子温度的升高，对更多转速区段进行了降额控制。

以上仅为本申请的优选实施例，并不用于限定本申请。对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种永磁同步电机的降额控制方法，其特征是，包括如下步骤：

第1步，在永磁同步电机的不同输出转速、但总是保持该输出转速下的最大输出扭矩的条件下，记录永磁同步电机从正常工作模式进入失效响应模式的瞬时峰值电流；

第2步，根据永磁同步电机在各个转速下的瞬时峰值电流，记录永磁同步电机在不同转子温度下的退磁率；

第3步，根据永磁同步电机的永磁体所允许的最大退磁率，得到各个转速下的最大允许转子温度；

第4步，为永磁同步电机在各个转速、各个转子温度下设定降额系数的值；在每个转速的最大允许转子温度下，降额系数设为0；在每个转速的最大允许转子温度的一定温度之前，降额系数从1开始下降；在降额系数从1降至0的范围内，转子温度越高，则降额系数越低；

第5步，根据永磁同步电机的当前转速和转子温度，根据第4步所设定的降额系数的值来对永磁同步电机的最大输出扭矩和最大输出功率进行限制，限制后的最大输出扭矩＝原最大输出扭矩×降额系数，限制后的最大输出功率＝原最大输出功率×降额系数。

2.根据权利要求1所述的永磁同步电机的降额控制方法，其特征是，所述方法第1步中，在永磁同步电机的每一个输出转速、以及该输出转速下的最大输出扭矩的条件下，对永磁同步电机从正常工作模式进入失效响应模式进行暂态电流仿真或实测，模式切换的瞬间定子的三相绕组的一相或多相出现瞬时的大电流，将其中幅值最大的瞬时电流称为瞬时峰值电流。

3.根据权利要求1所述的永磁同步电机的降额控制方法，其特征是，所述方法第2步中，根据永磁同步电机的各个转速下的瞬时峰值电流，对永磁同步电机在不同转子温度下进行退磁仿真，记录各个转速条件下在各个转子温度下的永磁体的退磁率。

4.根据权利要求1所述的永磁同步电机的降额控制方法，其特征是，所述方法第3步中，永磁同步电机的扭矩-转速外特性曲线分为恒扭矩区和恒功率区两部分，这两部分拐点所对应的转速n1的瞬时峰值电流最大，相同转子温度下的退磁率也最大；实际转速距离n1越远，瞬时峰值电流越小，相同转子温度下的退磁风险越低。

5.根据权利要求1所述的永磁同步电机的降额控制方法，其特征是，所述方法第4步中，不同转速的最大允许转子温度与降额系数开始下降的温度之间的差值或者相同，或者不同。

6.根据权利要求1所述的永磁同步电机的降额控制方法，其特征是，所述方法第5步中，在恒扭矩区是通过限制永磁同步电机最大输出扭矩，来限制其最大输出功率；在恒功率区是通过限制永磁同步电机的最大输出功率，来限制其最大输出扭矩。

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