增程式电动汽车永磁同步发电机设计与改进

王晓远，吕海英

(天津大学，天津 300072)

增程式电动汽车永磁同步发电机设计与改进

王晓远，吕海英

(天津大学，天津 300072)

介绍和分析了城市应用紧凑型增程式电动汽车的运行工况，并讨论了增程器专用发电机的设计要求。基于其特性要求定义了增程器的需求功率，并对增程器专用发电机进行了合理优化，分别从改善振动和噪声、减重、减小齿槽转矩以及改善漏磁方面考虑，改进后的永磁同步发电机性能得到进一步的提升，为紧凑型车用增程器永磁同步电机的设计研发提供了参考。

电动汽车；紧凑型增程器；永磁同步发电机；结构优化

0 引 言

随着电动汽车技术的发展，越来越多类型的电动汽车被人们设计和开发出来。总结目前市场上的电动汽车包括有，纯电动汽车(EV)、混合动力汽车(HEV)、插电式混合动力(PHEV)、燃料电池汽车(FC)。对于混合动力汽车，系统集成和控制较为复杂，技术实现难度较大，且节能水平直接受系统集成技术水平的影响。对于纯电动汽车，由于电池技术的限制，续驶里程始终不能达到理想的水平[1]；另一方面，充电站、电池回收等配套设施和方案仍不完善，使纯电动汽车的日常使用受到很大的限制。 燃料电池汽车同样受到配套设施不足的制约，且相对于四通八达的电网重新建设足够密集的管网，使燃料电池汽车的产业化发展缓慢。混合动力汽车、纯电动汽车以及燃料电池汽车缓慢的市场化进程促使人们寻找其他的方案，增程式电动汽车(Extended-Ranger Electrical Vehicles，EREVs)应运而生。它内部集成了一个小的发电机组-增程器(RE)，解决了纯电动汽车续航里程短的问题。同时汽车在最高时速以及加速度方面具有较好的性能。EREVs与插入式混合动力汽车(PHEVs)之间的区别是，PHEVs是基于传统的混合动力汽车开发的，因此其动力输出部分仍会直接与发动机相连，使发动机无法长时间工作在高效状态，尾气排放及燃油经济性仍不甚理想[2]。而EREVs的设计是基于纯电动汽车，当电量充足时，EREVs可以以纯电动模式行驶 ，仅当荷电状态SOC达到一定状态时RE中的发电机组启动，此时整车工作在串联混合动力模式。EREVs主要的动力系统结构如图1所示。

图1 EREVs系统结构示意图

增程器发电机根据电池容量的大小及控制策略的不同向蓄电池组或者电动机提供能量和功率，由于增程器在结构及性能方面均有特殊的要求，使得发电机的设计标准不同于传统的发电机。因此本文将从城市应用(70 km的行驶范围)EREVs的需求角度出发，分析其运行工况，从中得出适合增程器应用的紧凑高效发电机的设计，最后以一台永磁同步发电机为例，按照增程器的功能要求对其进行设计和改进，经仿真及实验验证，改进后的发电机在重量、噪声、输出电压等方面均很好的满足了城市EREVs的要求。

1 增程器运行工况及控制策略

增程器中的发动机与发电机配合给电池充电有两种不同的工作方式，主要取决于汽车本身的电池容量(SOC)的高低。增程器的工作模式如图2所示。

图2 EREVs的两种工作模式

当电动汽车的电池容量较高时，电动汽车工作在charge-depleting(CD)[3]状态下，此状态为纯电动工作模式。当电池容量较低时，为保持比较高的充电阈值，电动汽车工作在charging-sustaining (CS)[3]状态。采用CS策略时，当电池的SOC值降低到限值以下时，增程器中的发动机便启动，带动发电机发电，一方面为电动机提供必要的功率，另一方面为电池组充电。在CS阶段，本文设计的增程器采用开关式的控制模式，即系统设定一个SOC阈值SOClow和SOChigh,增程器系统通过on-off控制的方法将SOC控制在两个阈值之间[4,7]，如图2所示。确定增程器的输出功率应根据动力系统以及蓄电池组的功率和能量需求决定。当选择的增程器功率输出较低时，并不能提供充足的能量以使电池的SOC保持在有效范围内，也就不能实现增加汽车行驶里程的目的。如果发电机选择功率过高时，过高的输出功率会使电池的SOC迅速升至上限值，这会使增程器频繁的在CD与CS模式间切换，使发动机的燃油经济性下降，以及较短的充放电循环时间，使电池组的充放电次数增多，进而影响蓄电池组的寿命。因此过高的输出功率降低了增程器的平均效率，增大了成本及复杂程度。由此得出结论，发电机的输出功率应满足整车功率需求，结合电动汽车长途行驶工况、平均行驶里程等参数进行确定，使蓄电池组达到较小的充放电循环速度，降低电池成本。

2 增程器功率需求计算

近年增程器的开发越来越受关注，国外一些公司对EREVs技术的研究已经处于实用阶段。目前市场上的主流产品有Lotus公司开发的35 kW增程器使用传统内置式永磁同步发电机1.2 L三缸内燃机相配合，发电机重量大约40 kg，具有技术成熟、成本低、投入市场快的优点，但是系统的振动和噪声比较大。德国Mahle设计的增程器选用30 kW四冲程两缸汽油机与发电机配合，该系统最大的特点是将发电机直接安装在曲轴上，与发动机直接集成在一起，减小了增程器的体积和重量。国内一些汽车厂商也相继推出了EREVs的设计概念，奇瑞汽车研发的瑞麒M1-REEV其中使用的增程器于AVL公司开发的增程器结构及性能类似，长城汽车开发的增程式汽车由17.5 kW/h锂电池、三缸自然吸气发动机与额定25 kW永磁发电机构成。对于城市紧凑型EREVs，电池容量在10 kW/h左右，以上这些发电机组虽然足以满足功率需求，但是过高的输出功率会使电池的SOC迅速升至上限值，这会使增程器频繁的在CD与CS模式间切换，使发动机的燃油经济性下降，以及较短的充放电循环时间，使电池组的充放电次数增多，影响蓄电池组的寿命。因此本文将根据城市应用计算功率需求，设计适合城市应用的紧凑型增城器发电机[5]。表1为城市紧凑型电动汽车的开发目标。

表1 EREVs开发目标

确定这个目标后，首先需要确定EREVs的电功率PM。

(1)

式中：V为代表汽车的行驶速度;ηt为传动系统的效率；MV为整车质量kg；g为重力加速度；fr为滚动阻力系数；α为路面倾斜角度；ρα为代表空气密度(1.2 kg/m3)；CD为空气阻力系数；Af为汽车正面迎风面积；δ为代表矫正因数(考虑到旋转部件的影响，如车轮、轴承、飞轮等)。

1) 高速行驶需求功率

当最高车速≥80 km/h，通过上述公式(1)可以计算出机械功率大约需要10.5 kW。

2) 循环工况行驶需求功率

循环工况行驶的功率需求远小于高速行驶的功率需求。

3) 峰值功率

0～50 km/h加速时间≤7 s, 通过式(2)计算需求功率为P1=28 kW。

(2)

4%坡度最大车速≥70 km/h, 通过式(3)计算需求功率为P2=21 kW。

(3)

12%坡度最大车速≥40 km/h, 通过式(3)计算需求功率为P3=24 kW。

峰值功率由上述最大功率决定，即：

Pmax=max (P1,P2,P3)

百千米加速所需的功率最高，决定峰值功率Pmax为28 kW。由此可以计算满足条件(3)的电机额定功率：

PN=Pmax/λ

式中：λ为电机过载系数，车用电动机一般具有比较高的过载系数，本文电机设计的过载系数为2.5，则额定功率Pmax计算值为11.2 kW。综合高速行驶以及加速爬坡性能要求，最终确定机械功率需求为11.2 kW。为了进一步计算需求的电功率，必须要定义出系统器件的工作效率，在满负载的情况下效率大约为90%，因此计算系统电功率需求约为13 kW。

3 增程器发电机设计与改进

分析了大量的永磁电机，最终选用6极36槽内置式永磁同步发电机。应用于增程器的发电机应具有较高的效率，较高的输出功率和输出转矩，在结构上要尽量紧凑以减少体积和重量。下面分别从振动与噪声、电机重量、永磁体利用率及输出电压几个方面进行讨论，最终对发电机进行有效的设计改进。

3.1 样机参数

结合城市紧凑型EREVs的运行工况及小型化、紧凑型高效发电机的开发要求，最终确定了一款永磁同步发电机样机[6,8]，样机参数见表2。

表2 发电机性能参数

根据蓄电池的特性，直流电压为325V，最大值为380 V(SOC 100%的条件下),最小值为320 V(SOC 30%的条件下)。其转子结构采用内置式，样机模型见图3(a)，样机空载感应电动势波形、齿槽转矩如图3(b)所示。

图3 原样机的模型及样机感应电动势、齿槽转矩波形

由图3可知，样机的空载感应电动势基本呈现梯形波，其隔磁桥处的漏磁明显，齿槽转矩也较大。漏磁将会影响发电机效率，齿槽转矩的增大将导致发电机的振动和噪声，从而降低整车的舒适性。以下将通过优化逐步改善样机的性能，使样机符合增程器用发电机的设计要求。

3.2 样机的改进

3.2.1 减重措施

2.推动“三大”革命。要以农村生活垃圾处理、生活污水治理、村容村貌整治为主攻方向，坚持不懈推进农村“厕所革命”，因地制宜、分类施策，推广卫生厕所的大众化、普及化，着力改善农村人居环境，努力补齐影响农民群众生活品质的短板，推进美丽宜居乡村建设。

减小增程器的体积和重量意味着乘车舒适性的提升以及电动车续驶里程的提高，这不仅节约能源、降低消耗，而且可以降低电池放电深度，延长电池使用寿命，显著降低电池使用成本。因此在设计增程器用发电机时应采取措施尽量保证较小的体积，并减轻电机质量。为此，可以在电机条件满足的情况下考虑采用集中绕组，并在不使电机定转子过分磁饱和的前提下，在定转子上开孔，这样既减少了端部长度，使电机轴向长度缩短，又降低了电机质量，同时还保证了电机的散热能力，使电机总体温升保持平衡。本文设计对转子进行了开孔，并分析了开孔后对磁力线分布以及输出感应电动势的影响。开孔前后的磁力线分布以及磁密云图如图4、图5所示。由图可知，开孔后转子轭处的磁密并没有显著变化，转子的饱和程度较低，开孔对磁通走向影响较小。

开孔前后空载感应电动势波形对比如图6所示。由图可知，开孔对感应电动势波形几乎无影响。 改进前后的整机质量对比见表3，由表可知，整机重量减轻了1.4kg，整机质量下降了8.9%，开孔减量的同时并不影响电气性能。

图4 开孔前后的电机磁力线分布对比

图5 开孔前后的电机磁密云图对比

图6 开孔前后A相感应电动势波形对比

表3 开孔前后电机质量比较

3.2.2 振动与噪声优化

发电机在发电的过程中，其噪声的主要来源有：电磁噪声、机械噪声以及空气动力性噪声。电磁振动及噪声可以通过削弱齿槽转矩的方法来实现。目前，削弱齿槽转矩常用的方法有极槽配合、分数槽绕组、优化极弧系数、合理改变磁极形状、斜槽、开辅助槽及槽口优化和槽口偏移[9]等。但以上方法并非完全适用于所有的永磁发电机。极槽配合需要改变电机的极数和槽数，这可能会影响电机的整体性能；分数槽绕组适合于电机的每极每相槽数为分数的情况；极弧系数与磁极形状在永磁体采用传统放置方法时采取优化手段效果较好，斜槽在电机轴向长度较大时才起到明显削弱齿槽转矩的效果，并且改变极弧系数与磁极形状以及斜槽虽然可以抑制齿槽转矩，但这些方法是通过消去特定谐波使电机的输出电压波形更加接近正弦，同时也削弱电机的效率、输出功率等性能。

对于增程器用永磁发电机，应结合电机的具体尺寸、电机采用的定转子形式、永磁体的放置情况以及设计性能指标等因素采取不同的优化策略，在尽量不影响电机其他性能的前提下，尽可能的减小电机的齿槽转矩[10-11]。本文采用分组槽口偏移的方法进行优化，将每6个定子槽分为一组(如图7(a)所示)，假设一组中，槽口沿逆时针方向编号为1～6，则1号槽口向右偏移1°，2号槽口向右偏移(2/3)°，3号槽口向右偏移(1/3)°，4，5，6号槽口偏移角度分别与3，2，1号相同，而偏移方向相反[12]。

图7 槽口偏移模型以及改进前后的齿槽转矩

采用槽口偏移前后的齿槽转矩对比图如图7(b)所示，详细数据对比见表4。由图和表可知，加入槽口偏移后，齿槽转矩的峰-峰值降为原来的10%左右，齿槽转矩的周期约为改进之前的1/4,提高齿槽转矩的基波频率，大大降低齿槽转矩的幅值。

表4 槽口偏移前后齿槽转矩的对比

图8 槽口偏移前后A相感应电动势波形对比

3.2.3 隔磁措施

由于转子隔磁桥处存在较大的漏磁，这一方面使永磁体的利用率降低，降低了系统效率。另一方面也使得该处的气隙磁密有较大的下降，对应的空载感应电动势每半个周期的梯形波宽度变窄。为改善这一情况，在该处开一个宽2 mm，深3 mm的隔磁栅，加隔磁栅前后的径向气息磁密沿周向的分布图如图9所示，由图可以看出，增加隔磁栅后的径向

图9 带隔磁栅电机模型以及增加隔磁栅前后气隙磁密分布气隙磁密波顶变宽。

图10为增加隔磁栅前后的空载感应电动势对比图，由图可以看出增加隔磁栅后，空载感应电动势的波顶变得更加平稳，这使得发电机接整流电路之后的输出电压升高，同时纹波有所减小。

图10 增加隔磁栅前后A相感应电动势对比

4 样机测试

为了获得增程器的整体性能，发动机与发电机相结合进行了系统测试。测试系统使用四冲程小排量汽油机作为增程器发动机的测试方案。图11所示为优化后的样机以及样机性能测试台。

图11 13 kW永磁发电机样机及增程器系统实验台

发动机的设计转速为4 000 r/min，该转速能较好的发挥发动机的功率，同时又能维持比较低的机械损耗。图12 为发电机在两种工作状态下的相电流波形。其中图12(a) 为发电机工作在发动机起动状态时A相电流的波形，当永磁同步发电机拖动发动机转动到1 000 r/min以上时，发电机开始撤掉拖动扭矩，发动机将进入启动程序。图12(b) 为发电状态下电机转速稳定在3 600 r/min时的A相电流，电流的峰值为42 A。

图12 电机的相电流波形

图13为样机在不同转速下的效率以及经过三相整流桥后测得的直流电压值以及发电机效率。根据上述数据可以看出当转速在3 000～3 600 r/min时额定输出电压在320 V到380 V之间，发电机输出的电功率在7～13 kW, 效率平均在90%以上。

图13 发电机特性曲线

5 结 语

本文对城市紧凑型EREVs的工况进行了分析，得出了增程器用永磁发电机的独有的设计要求，讨论了满足这些设计要求应采取的设计及优化措施，最后遵循该过程对一台永磁发电机进行了改进，通过对比分析可知，改进后的永磁发电机更加适应增程器的工作要求，有利于降低EREVs成本，增加电动汽车的续驶里程，减少整车重量以及提升整车的舒适性，由此验证了本文分析的合理性。该分析过程和设计结果可以为后续EREVs用永磁同步发电机的研发提供参考。

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Design and Improvement of PMSG for Compact EREVs

WANGXiao-yuan,LÜHai-ying

(Tianjin University,Tianjin 30072,China)

The operating conditions of urban compact extended-ranger electric vehicles (EREVs) were analyzed, and the design requirement and specification of generator which applied in compact EREVs were discussed. Based on the special characteristics, the power demanded of extended-ranger was defined. One of traditional permanent magnet synchronous motor was improved to meet the application of urban EREVs.

electrical vehicle; compact extended-ranger; permanent magnet synchronous generator; structure optimization

2016-03-09

TM341;TM351

A

1004-7018(2016)12-0001-05

王晓远(1962-)，男，博士，教授，研究方向为电机电磁场的分析与计算、特殊电机与电器的设计与控制。