轻量新能源汽车应用开关磁阻电机系统匹配的研究

张红波

电驱动系统是新能源汽车的心脏，它包括电机和驱动系统控制器两大部分。本文研究一种小功率，适用于轻量化的新能源汽车开关磁阻电机系统匹配问题。

开关词组电机是一种典型的单边单励机电能量转换装置，其运行原理是载流绕组产生的磁通要走磁阻最小的路径，利用双凸极结构磁导变化而产生磁阻转矩。由于电动汽车携带的电池电能有限，电机又是EV的一个固定载荷，因此要求电机驱动系统效率高，体积小，重量轻，所以要满足功率和节能的需要，驱动电机和整车的匹配尤为重要。本文通过从几个方面分析研究开关磁电机与整车性能匹配问题。

开关磁阻电机的单体系统设计

整体结构计算

根据开关词组电机输出方程如下：

其中，D_I标题代表的是转子外径;L_stk标题代表的是铁心叠长;B代表的是磁负荷，通常在0.36T至0.62T这一范围;A代表的是电负荷，通常在15000A/m至30000A/m这一范围;k_i和k_m代表的是电流系数;Pem代表的是电磁功率，计算公式如下：

需要对电机尺寸详细计算，将细长比λ进行引入，此时计算公式如下：

λ=Dr/Lstk

能够对电机性能、经济指标产生直接影响的因素为λ，若λ值较小，电机细长，无论是启动还是调速都更加便捷，但通风条件较差;若λ值较大，电机粗短，此时电机特点与λ值较小相反。

电机控制方案

抛开控制系统的具体特点，单独讨论电机性能是不准确的。优秀的电机性能只有通过高可靠性的控制器和先进的控制策略来实现。由于SRD系统整体性能在很大程度上取决于系统各组成部分间的相互配合，因此，为了优化系统设计、提高系统性能，有必要将SR电机、控制器以及控制策略作为一个整体进行研究。

驱动控制系统综合驾驶员指令、当前车辆状况、电池管理单元BMU、电机控制器的状态信号发出电机控制信号。正常“转矩控制”情况下，0—5V的模拟量在电动时为电机转矩（功率）给定信号，停车充电或再生制动时为电机发电功率（电流）给定信号，“转速控制”情况下，0—5V的模拟量定义为电机速度给定信号。车辆起步加速时，电机“电动”。车辆减速停车时，根据蓄电池电量状态，电机“发电（制动）”，回收能量。

开关磁阻电机噪声对整车NVH影响的抑制

开关磁阻电机在当前应用中，存在噪音、震动的问题，因此，噪声综合分析与处理成为当前工作人员的首要工作任务。

开关磁阻电机噪声的现状

開关磁阻电机的噪声问题是它最受争议的一个问题，尽管通过在电机结构、工艺以及控制方式等方面进行改进而消除噪声的研究目前大有进展，但开关磁阻电机的噪声研究仍未达到一个令人满意的水平。开关磁阻电机的噪声是目前制约开关词组电机在新能源汽车上应用的最大障碍。

开关磁阻电机噪声的抑制

通过合理的设计EMI滤波器可以有效减少开关磁阻电机的噪声。关磁阻电机可以将传导电磁干扰噪声进行等效，等效为一个噪声阻抗串联与一个噪声源形式，并利用其自身的LISN形式，进行合理的传输，传输至现有的接收设备中，最终的目的是将噪声源产生的噪声传输至测试电阻上，进而实现最大限度的衰减，满足当前的需求。受此影响，在进行合理的设计时，应保证自身的滤波器充分发挥出自身的能力。

开关磁阻电与整车动力性匹配分析

影响整车动力性的因素

汽车是有各个总成及零部件构成的复杂系统，整个车辆在工组时，需要各个模块协同工作。对于动力系统而言，如果没有很好的进行匹配，车辆不仅能耗高，而且会出现动力不足、动力不均匀等情况发生。对于传统内燃机车辆，影响整车动力的主要因素包括发动机特性、变速器速比、整车质量等，尤其是发动机与变速器的匹配会直接影响整车动力性能。发动机的工作特性决定了低速和告诉时不能输出很大的扭矩，最大扭矩的转速区间非常小，所以为能配合好发动机的工作特性，要选择合适的变速速比，以保证发动机能随时有良好的扭矩输出。相对于内燃机车辆，电动汽车的动力源来于电动机，而电动机的工作特性与发动机区别很大，它能够在非常宽泛的转速区间输出很大的扭矩。甚至在起步阶段就可以输出足够大的扭矩以保证车辆的加速性能。这也是为什么很多电动汽车上面只安装有减速器，而没有变速器的原因。对于开关磁阻电机而言，虽然启动转矩较大，但是功率密度相对较低，所以应用于电动汽车上，主要存在车辆的爬坡动力不足、能量利用率不高等问题。

整车动力系统匹配解决方案

①优化电控系统。通过优化电机控制系统和整车控制系统，电机控制系统通过算法优化、PWM斩波调压等措施，实现让电动机扭矩输出与车速更协调，保证车辆起动扭矩的前提下，均衡个工况的扭矩输出，保证能量利用更充分，形式更加平稳。适当增加爬坡时的扭矩输出，增强大负荷工况下的动力，弥补电动汽车动力输出短板。

②增加变速系统。虽然增加变速器会增加整车重量，但是改变速比会有效改善动力系统性能。目前电动汽车上一般以二级减速器代替燃油车的变速器，如果用一个二速或三速变速器替换减速器，可以在基本不增加整车重量的基础上有效改变传动比，会大大提高整车在不同工况下的动力输出。

③优化电机功率与整车质量匹配。理论上电机额定功率越大，动力输出越充足，但是如果和整车质量匹配不适当，就会出现“大马拉小车”或“小马拉大车”的情况，这都不利于整车动力输出和能量的充分利用。设计时可以通过仿真分析提高这两个参数的拟合度，这样既节省成本，又可以节省时间。也可以通过整车试验，通过大量试验数据的分析，提炼出不同车辆重量和电动机功率的关系，选择最合适功率的电动机。

通过对上文所叙述的内容，由于开关磁阻电机在新能源汽车应用还不太成熟，无论从电机整体设计上还是整车系统匹配优化上都有很大的研究空间，文中通过对电机单体的设计、控制方案的设计及电机噪声抑制方法的探究，以及对开关磁阻电与整车动力性匹配分析，可以在一定程度上满足开关磁阻电机在轻量新能源汽车上的匹配优化。