【原创】2024年度国内外主流双电机混动技术(四)---电机性能参数

电机作为DHT混动耦合机构核心动力部件，电机的设计开发包括性能、结构形式、冷却方式、控制方式等多方面，对于电机性能定义要满足整车行驶需求，主要的电机参数包括功率、扭矩、转速、效率等，如下表1、表2所示。

表1 电动机性能参数

目前市场上主流的DHT电动机最高转速都可以达到（13000-16000）rpm，最大功率密度可以接近6kW/kg，最大效率都在97%以上，高效区间轻松满足双85，国外两田基本采用升压技术，三相端输出电压达到（650-700）V,国内厂家混动产品乘用车采用升压技术的目前只有比亚迪汽车，升压后可以降低电池成本，同时电机提供更大的输出潜力。

表2 发电机性能参数

与驱动电机相比，发电机使用同样类型的永磁同步电机，目前也是新能源混动市场主流的电机类型产品。目前市场上主流的DHT发电机最高转速也都可以达到（13000-16000）rpm，本田第四代IMMD的发电机已达到19000rpm的更高转速，转速提升可以更好地减少电机体积，有利于DHT集成空间优化，发电机三相端输出电压同样达到（650-700）V，最大效率达到96%。

电机性能主要包括外特性、效率map、反电动势、扭矩波动等，电机性能一般使用电机专用台架进行测试，如下图1为电机外特性测试获取的曲线。

图1 电机外特性

电机外特性测试结果扭矩和功率曲线与理论相比略有差异，该款电机测试外特性扭矩在基数转速扭矩拐点前略有下降，功率也出现同样趋势。

同步采用仿真的手段对电机峰值扭矩进行仿真分析，仿真边界如下表3所示，仿真结果如下图2所示。

表3 电机峰值扭矩仿真边界

图2 电机峰值扭矩仿真

实测电机峰值扭矩结果为：转速2000rpm，转矩315Nm；仿真电机峰值扭矩结果为：转速2000rpm，转矩336Nm。理论计算电机扭矩与实际产品误差约6%，在实际项目开发过程中，尤其在项目概念阶段，电机处于理论设计阶段，对于理论电机性能的使用要预留余量，这样才能更好地保证满足性能目标要求。

电机转矩动态波动也是电机主要性能特点，对于电机峰值扭矩波动进行仿真分析，结果如下图3所示。

图3 电机峰值扭矩波动仿真

相电流有效值300A，峰值扭矩336Nm，扭矩波动为±9.4%。电机存在一定的瞬态扭矩波动，但比发动机扭矩波动小，同样电机扭矩需要进行滤波处理才能平稳输出整车使用。在实际的标定中如果忘记滤波，在整车上就会出现扭矩较大波动现象，此处在实际项目开发中需要关注。

电机MAP图获取最准确有效的方式就是对电机样件进行测试，测试结果为转速-扭矩-效率。一般电机转速从低到高，间隔200rpm,直到测试至电机最高转速；扭矩从低到高，间隔10Nm,一直测试到最大峰值扭矩。横坐标转速，纵坐标扭矩，形成效率MAP,如下图4所示。

图4 电机万有效率MAP

电机效率较高，在效率95%以上圈面积较大，基本覆盖了主要占比的电机工作区，整车运行过程中，电机基本处于运行高效区工电机齿槽扭矩是永磁电机绕组不通电时永磁体和定子铁心之间相互作用产生的转矩，是由永磁体与电枢齿之间相互作用力的切向分量引起的。

齿槽扭矩具有一定危害，会使电机产生振动和噪声，出现转速波动，使电机不能平稳运行，影响电机的性能。在变速驱动中，当转矩脉动频率与定子或转子的机械共振频率一致时，齿槽转矩产生的振动和噪声将被放大。齿槽转矩的存在同样影响了电机在速度控制系统中的低速性能和位置控制系统中的高精度定位。

所以做永磁电机研发的工程师希望把自己做的电机的齿槽转矩降到最小，使用永磁电机的工程师则希望了解手上这台电机的齿槽转矩，从而去优化他的控制算法。

采用仿真的手段，对齿槽扭矩进行仿真计算，仿真边界条件如下表4所示，齿槽转矩仿真结果如图5所示。

表4 电机齿槽扭矩仿真边界

图5 电机齿槽扭矩仿真

仿真结果显示齿槽扭矩波动为：±0.26Nm，处于较佳水平（一般标准范围为0.1-1）。

在电机运行时，由于电机中的电流产生磁场，这个磁场与电机转子磁感应线圈的磁场作用产生电动力，使电机发生旋转运动。但在电机运行时，转子磁感应线圈的运动也会在磁场中产生感应电动势，这个电动势被称为反电动势。反电动势的大小和电机的转速成正比，反向和电机转速方向相反。

反电动势的主要作用包括减少电机损耗、提高电机效率、控制电机转速等，反电动势仿真结果如下图6、图7所示。

图6反电动势仿真

空载转速为：13000rpm，相反电势峰值为：550V，反电动势较高。

反电动势THD（总谐波畸变率），永磁同步电机的反电动势畸变率是指的是反电动势中的谐波成分对于基波成分的比率。谐波对于电机影响主要包括电机温升、噪音增大、损耗增加等。反电动势THD仿真结果如下图6所示。

图7 反电动势THD仿真

无斜极，峰值转速为：13000rpm，基波幅值为：542.45V，THD等于2.68%，可以看出主要谐波为3次，5次和31次。

混动电机性能的开发需要追求更优秀的目标：

1. 更大的功率、扭矩，本文最新一代电机升级最大扭矩已实现400Nm;

2. 更优秀的效率，下一代同类电机最高效率可以达到98%，实现双90；

3. 更高的转速，最新一代发电已达到16000rpm，驱动电机已达20000tpm;

4. 最佳的集成，最新一代升级后混动耦合机构轴向尺寸已到达350mm以内；

5.追求最合适的成本目标，同级别双电机价格可以控制在8000RMB以内。