电动汽车用异步电机自适应温升检测装置的研究

吴诗宇，尹潇，颜文森

（重庆车辆检测研究院 国家客车质量监督检验中心，重庆 401122）

前言

大力发展电动汽车是实现交通能源转型的根本途径，也是汽车产业节能减排的重要突破口。近年来，我国电动汽车产业发展已经从示范运行期进入市场推广期，迎来了更大的发展机遇。驱动电机将电能转化为机械能，是电动汽车不可缺少的一项关键部件[1～2]。

电动汽车的异步电机一般体积较小，冷却面积小，温升问题较为突出，电机的温升是异步电机的重要检测指标[3]。电机内的绝缘材料都有一个耐热等级，如果电机温升超过耐热等级，会造成绝缘材料损坏，电机烧毁。不管是电机过载能力，长期负载能力还是电机轻小型化，都受限于绝缘材料的耐热等级（即电机温升限值）[4]。另外，如果电机温升过高，车辆动力性需降额运行，降低电机运行功率，这种情况大多发生在大型电动汽车长时间爬坡过程中。故电机的温升是影响电动汽车整车性能的关键因素。

一般来讲对于异步电机发热后最有可能因为绝缘损坏的是定子绕组[5]，由于电机定子绕组温升由定子绕组温度和冷却介质温度决定。冷却介质温度可以通过温度传感器较容易，本文重点研究定子绕组平均温度的检测。

1 传统定子绕组温度检测方法

主要的传统温度检测方法为：温度传感器直接采集法和电阻外推法。

1.1 温度传感器直接采集法

此方法为：在电机定子绕组表面装设温度传感器直接采集温度。此方法直接而简单，但对采样点要求很高，采样点温度也不能反应绕组温平均温度；除此之外，装配在电机内部的温度传感器不易计量，第三方检测机构不能使用这个方法进行温度检测。故国家检测标准[6～7]中采用另一个方法。

1.2 电阻外推法

此方法依据定子绕组材料的电阻跟温度的关系，间接检测平均温度。这种方法不涉及到计量温度传感器，是国家标准[6～7]中规定的检测方法，较适合第三方检测机构使用。

对于铜绕组的情况，电机绕组断能瞬间的平均温度θ为式（1）所示。

式中：Rc为绕组冷态直流电阻；R0为断能时电阻（通过断能后电阻与时间曲线外推到断能时刻得到）；θc为断能时冷却介质的温度(℃) 。

但此方法无法在线监控电机定子绕组温度；并且，在半对数坐标上进行外推，相当于用半对数坐标去拟合实际的温度与电阻曲线，这样的拟合与实际也会有一定的偏差。

鉴于以上两种方法存在的问题，亟需研究一种针对电动汽车用异步电机的定子绕组在线式平均温度检测方法。

2 基于自适应系统的温度检测方法

本文采用方法仍利用异步电机定子绕组的电阻与温度的关系间接检测温度，在国标方法的基础上实现在线检测平均温度。

首先根据异步电机原理[8]，把电机三相电压电流转换到α、β坐标上。

式中：iA、iB、iC为三相电流；uA、uB、uC为三相电压；θ为转子位置，可以根据旋转变压器信号转换得到；uα、uβ为定子电压的α、β分量，lα、lβ为定子电流的α、β分量。

定子电压方程：

式中：ψα、ψβ为定子磁链的α、β分量，Rs为定子电阻，p为微分算子。

转子电压方程：

式中：为转子电流的α、β分量，为转子磁链的α、β分量，ω为电机转速。

根据异步电机原理[8]整理后得到电压模型：

同时得到电流模型：

式中：Ls为定子自感，Lr为转子自感，Lm为定转子互感，ω为电机旋转角速度。

以上是系统数学模型，自适应系统可分为前馈和反馈，当前馈部分和反馈环节满足一定的条件[9]，自适应参数辨识是收敛的。满足此条件的自适应算法为：

式中：为待辨识参数，为待辨识参数的初始值， K1、K2为比例、积分系数，τ为积分变量，ε为误差。

式（7）中不含定子电阻，而式（6）中含有待辨识变量，采用自适应辨识方法[10]，以电流模型为参考模型，电压模型为可调模型，利用两个模型输出转子磁链的误差构成自适应律，实时调节可调模型的定子电阻，以达到可调模型跟踪参数模型的目的。根据式（8）可以得到下图1中的自适应算法。

式中：

自适应律如下图1所示。

图1 自适应律

利用异步电机定子绕组的电阻与温度的关系，可得到定子绕组温度。

3 温升检测装置及试验验证

3.1 温升检测装置

从检测方法可知，检测装置需要实时采集三相电压、三相电流、电机转速，把采集数据传输给自适应算法，自适应系统得到定子电阻，根据电阻与温度的关系，进而得到定子绕组的温度，减去冷却介质温度，最终得到实时温升。装置原理图如图2所示。

图2 装置原理图

采用高精度高速霍尔传感器，把三相电流转换成电压信号传输给示波记录仪，同时把三相线电压信号、电机转速信号传输给示波记录仪，示波记录仪通过以太网通信，把数据传输给算法处理计算机。

当然在试验之前，把电机系统的相关参数输入算法处理计算机，计算机自动生成此电机的自适应律。再根据实时采集的数据，辨识得到定子绕组的电阻。根据定子电阻间接得到定子绕组温度，又根据冷却介质的温度，最终得到温升。

3.2 温升试验验证

利用某厂家的一套75kW的驱动电机进行验证试验，电机参数如下表1所示。

表1 电机参数

图3 现场试验图

把此电机放在专用的负载台架上，连接好本文所述的温升检测装置，进行现场试验验证装置的可行性，现场试验照片如图3所示。

通过图3所示的台架试验，温升检测装置检测到的温升与温度传感器直接采集法得到的温升进行对比，结果如图 4所示。

图4 对比结果图

4 结论

基于自适应系统的温升在线检测装置可以实现电动汽车用异步电机平均温升的在线检测。这种方法克服了传统温度检测装置的不足，可作为电动汽车用异步电机的温升检测的辅助手段。为电动汽车用异步电机温升的检测提供了工具。

参考文献

[1] 王丹,续丹,曹秉刚.电动汽车关键技术发展综述[J].中国工程科学,2013（01）∶68-72.

[2] 李振,康玉茹.小型电动机温升的研究[J].山东工业技术,2014 (04) ∶58-58.

[3] 朱立圣.温度控制器在电动机温升保护中的应用[J].工业控制计算机,2010 (23) ∶109-110.

[4] 王再宙,焦仁普,张承宁.电动车用电动机温升试验研究[J].微电机,2008 (12) ∶60-62.

[5] 王再宙,张春香,吕锋.混合动力电动客车电机系统连续电动温升及高效区研究[J].微电机,2010 (43) ∶47-49.

[6] GB/T 18488.1-2015.电动汽车用驱动电机系统 第 1部分∶技术条件[S].北京∶中国标准出版社,2015.

[7] GB/T 18488.2-2015.电动汽车用驱动电机系统 第 2部分∶试验方法[S].北京∶中国标准出版社,2015.

[8] 秦广炜.三相异步电动机仿真及在高效再制造中的应用研究[D].广西大学,2016∶59-68.

[9] 陈复扬.自适应控制[M].北京∶科学出版社有限责任公司.20l5∶78-113.

[10] 杨燕,曹建光,田志宏.交流电机模型参考自适应控制系统的仿真[J].电气传动,2007 37 (5) ∶13-15.