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      公司新聞 /

      保時捷關于電機模型的認知

      文章出處:x-teamrc.cn? ?人氣:? ?發表時間:2019-11-06 11:30

      ?       電動車性能準確仿真的核心是電機模型。電機的核心看似非常簡單:只有外殼、轉子、定子和兩個軸承,但事實上是一個非常復雜的熱、電、機械的機構,建模和驗證充滿各種挑戰。
       
      1、整車模型及其主要部件
      ?       一個合適的用于計算功率和能耗的電動車模型包括很多獨立的模型模塊。最重要的模型模塊,以及他們之間的相互作用的更多細節,如圖1所示。
      圖1 簡化的BEV仿真模型
       
      ?       駕駛員模型扮演著控制器的角色,將給定的速度曲線上的車速設定點,和來自車輛動力學模型的實際的車速進行比較,,并通過油門和制動踏板來嘗試進行車速跟隨。而控制元件將踏板位置轉換為或正或負的扭矩需求發送給逆變器。然后逆變器模型將匹配的交流電流傳遞給電機模型,電機模型再把電機電源端的交流電壓信息發回給逆變器。電池模型主要是管理直流電流和電壓的關系,和電機模型一樣,電流被看做模型的輸入,電壓是輸出。
      ?       在電機內部,發生著從電功率到機械功率的轉換。在電動機模式下,電機模型接收電流輸出扭矩,然后扭矩就被作為輸入傳遞給傳動總成模型。傳動總成模塊代表了多個傳動系統部件,比如變速器,差速器和離合器。傳遞到車輛動力學模型的扭矩都由傳動總成模型控制,計算車輛的反應,比如車速和輪胎轉速,重量平衡,輪胎打滑等等關系。
      ?       組成電氣化動力總成的很多零部件都要求在實車中進行液冷。因此相應的部件模型也有關于熱的子模型,模型使用冷卻劑溫度作為輸入參數。溫度改變的計算主要基于冷卻劑溫度,并且取決于每個模塊的單位損耗。
       
      2、電機建模
      ?        一個典型的電機模型是由四個組成部分:電磁模型,功率損失模型,熱模型和機械模型(見圖2)。
       
      圖2 電機模型的組成模塊
       
      ?       電磁模型有兩個主要功能:第一,它計算交流電壓是交流電流,扭矩角,角頻率,繞組(銅)溫度和磁體溫度的函數。第二,它估算內部轉矩是電流,轉矩角,功率損失和磁體溫度的函數。
      ?       功率損耗模型基于電流、轉矩角、角頻率和溫度等參數計算電機內部的損耗。為了覆蓋各種不同的損失類型,功率損耗模型也包括各種子模型。
      ?       熱模型計算模型部件(例如繞組,定子,轉子和外殼)的溫度以及初始的冷卻液溫度。冷卻介質的流速和輸入溫度都要考慮在內。
      ?       機械模型可以很基本,在計算可用輸出扭矩的時候只考慮電機的慣性。
      ?       電機模型的內部工作其實是一種簡化的描述,各個模塊之間其實存在高度的相互依賴,逆變器的調節動作也進一步增加了這種依賴性。而準確的建模來表示這種復雜行為,是仿真中最大的挑戰之一。
      ?       仿真的質量是由其接近現實結果的程度決定的。在電機模型可以被用作整車模型一部分之前,建立的模型需要進行準確性驗證,主要是通過對比計算的結果和電機測試臺架上的數據兩者之間的關系。
       
      3、電機模型驗證的測量
      ?       測試計劃的簡化示例,可以被OEM用做電機系列化開發的一部分,包括六個主要類別的測試(見圖3)。開始測試來決定基礎的電機參數,將執行一系列的測試項目:機械測試,給電機加上機械負載在殼體和軸上;環境測試,將電機暴露在較差的環境條件下,比如鹽霧、水和高溫中;在變化的氣候條件下進行三種耐久性測試,還有仿真工程師們認為最重要的測試,性能測試。
       
      圖3  標準電機測試流程概覽
       
      ?       對于電機模型的驗證,性能測試的結果和電機參數的檢查是極其重要的,即便他們各自都不足以構成一個完整的驗證。然而,測量的數據提供了模型驗證的基礎。如果測量值和計算結果的差距太大,那么就會對幾何尺寸,材料屬性和模型系數進行調整。因此,通過重復這些步驟(仿真——測量——對比——調整),模型會讓我們離真實測量結果越來越近。
       
      4、驗證電磁模型
      ?       為了驗證一個復雜的子模型,經常要求額外的特殊測試,如下5個例子所示:
       
      ?       計算的和測量的開路電壓對比
      ?       一個非常簡單且有用的驗證電磁模型的測試方法是去比較計算的和測量的開路電壓。在電氣連接狀態下,一個電機(同步)被動旋轉期間測量的開路電壓,見圖4?;镜慕ee誤,比如錯誤的幾何形狀或者錯誤的繞組模型,都會立刻顯現出來。
       
      圖4計算和測量的開路電壓對比
       
      ?       除了工程師的技能和知識外,模型的準確性是由選擇的建模方法決定的:有限元法(FEM)提供了極其準確的結果;而分析方法,例如交流電壓的波形,只能提供一個大致的圖形。
       
      轉矩和電流的比較
      ?       驗證電池模型的另一個測試,是比較扭矩和電流的相互關系(見圖5)。在低速的情況下,交流電流逐步增加,而凈扭矩在每個狀態下都測的到。在大電流下,鐵的飽和效應導致電流邊際效用遞減。至于這種效應在建模的時候是否該被考慮以及如何被考慮,只能由計算和測量的對比來決定。
       
      圖5 扭矩和電流的相互關系
      測量阻力損失
      ?       功率損失模型是幾個不同的損失模型的組合,并一起來決定電機的行為。功率損失是電磁以及熱模型和很多優化方法之間的連接紐帶。
      ?       阻力損失包括機械以及由于轉子的旋轉磁場和定子相互影響所產生的電磁鐵損失(如圖6)。這些損失可以通過用一個剔除磁體或者用鈍化材料代替磁體的電機重復試驗來將機械和電磁鐵損失分開??梢酝ㄟ^讓電機在一個轉速范圍進行被動旋轉,并記錄下所需扭矩的方法來進行測量。
       
      圖6轉速范圍的阻力損失
       
      銅損和鐵損計算
      ?       除了機械損失和鐵損,在銅繞組上的歐姆損失也起著重要作用。這些銅損的計算在大多數情況下比較簡單,只要電阻和溫度已知。另外,這也允許鐵損從總損失中分離出來(如圖7)。鐵損本身可以更進一步的分為渦流損失和磁滯損失,他們可以通過各自的頻率相關性識別出來,因此可以作為驗證論證中的子模型的基礎。
       
      圖7恒定扭矩下的功率損失
       
      驗證熱模型
             最后的例子展示了如何利用一個簡單的測試調整熱模型的電容和電阻:在一個設定的轉速下,電機受限于最大的扭矩。結果是溫度升高到達一個特定的閾值,這時候逆變器降低功率防止電機過熱(就是降額)。在大約30分鐘之后(如圖8),電機達到它的穩定狀態。在峰值功率階段(S6)的前幾秒鐘的損失,主要積累成電機在最初幾秒的熱質量。測量的溫度梯度因此也可以被用來驗證各自的熱容。一旦電機穩定并且輸出額定功率(S1),就沒有凈功率流進流出熱質量。熱容和熱阻因此也可以被分別測量。因此確定的值也可以被用作熱模型的系數。
       
      圖8功率、電流和溫度的變化
       
      5、總結
             電機是高度復雜的電子、機械、熱系統。每個模型必須考慮到它是否可以得到精確的仿真結果。電機模型和它的不同子模型的驗證,對于一個精確和可行的計算來說是絕對必要的,而這種驗證也需要在在試驗臺架上進行綜合測試?;镜臄祿O置是由OEM的測試提供的,而這種測試也是標準測試的一部分。然而,復雜模型的驗證要求額外的測試手段。電機模型的整合和測量,對于一個電氣化動力總成行為的精確仿真是非常重要的。因為,電機是電氣化動力總成的中心,電機影響著整個車輛的行為。

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