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汽車電機(jī)嵌入式實(shí)時(shí)熱管理系統(tǒng)熱建模方法的改進(jìn)

2022-01-22 00:49:34·  來源：AutoAero  
　
摘要將電機(jī)理論熱模型嵌入到汽車熱管理系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)溫度預(yù)測(cè)和先進(jìn)的冷卻調(diào)節(jié)已成為一種趨勢(shì)。高精度解析模型的構(gòu)建過程是工程應(yīng)用中最困難的部分。然而，電
摘要
將電機(jī)理論熱模型嵌入到汽車熱管理系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)溫度預(yù)測(cè)和先進(jìn)的冷卻調(diào)節(jié)已成為一種趨勢(shì)。高精度解析模型的構(gòu)建過程是工程應(yīng)用中最困難的部分。然而，電動(dòng)汽車使用的電機(jī)通常工作于廣闊的空間中，其中交變電磁場(chǎng)在不同的工作狀態(tài)下產(chǎn)生不同的產(chǎn)熱行為。同時(shí)，主要損耗成分和主要傳熱路徑受溫度變化的影響較大。傳統(tǒng)的建模方法往往忽略了這些影響，對(duì)模型進(jìn)行了過度簡(jiǎn)化，導(dǎo)致明顯的偏差。本文的主要貢獻(xiàn)在于提出了一種對(duì)電機(jī)整個(gè)運(yùn)行空間具有較高預(yù)測(cè)精度的理論建模方法。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試周期內(nèi)，實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)精度提高了近60%。為保證工程應(yīng)用，本文還對(duì)熱管理系統(tǒng)使用所提出的熱模型時(shí)的計(jì)算費(fèi)用進(jìn)行了評(píng)估。
關(guān)鍵詞
電機(jī)，多物理分析，數(shù)值模擬，熱管理，熱分析。
簡(jiǎn)介
近年來，電動(dòng)汽車的熱管理系統(tǒng)有望將所有冷卻子系統(tǒng)整合在一起，實(shí)現(xiàn)更好的控制質(zhì)量。因此，熱管理系統(tǒng)必須具備預(yù)測(cè)未來溫升的能力。這樣既可以有效降低冷卻系統(tǒng)的總能耗，又可以大量避免可能出現(xiàn)的熱害。
在動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)中，電機(jī)不可避免地會(huì)產(chǎn)生大量的熱量，導(dǎo)致溫度過高，威脅絕緣安全。為了經(jīng)濟(jì)目的，熱管理系統(tǒng)一般只在機(jī)器內(nèi)部使用一個(gè)或兩個(gè)熱電偶，熱信息有限，阻礙了熱管理的發(fā)展。為了實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)，有一種趨勢(shì)是將電機(jī)理論熱模型轉(zhuǎn)碼嵌入到熱管理系統(tǒng)中，以預(yù)測(cè)其熱狀態(tài)，尤其是在脆弱位置。在控制單元中嵌入理論熱模型可以提供一種經(jīng)濟(jì)的方法來獲得其他一些重要位置的溫度，而不需要熱電偶，如永磁同步電機(jī)和槽式繞組。在工程應(yīng)用中，高精度熱解析模型的構(gòu)建是最困難的部分，引起了人們的廣泛關(guān)注。
首先，在熱管理系統(tǒng)中使用的處理器計(jì)算能力有限。有限元法計(jì)算量大，只能采用可轉(zhuǎn)移的理論模型形式。其次，要求模型在電機(jī)的整個(gè)運(yùn)行狀態(tài)下盡可能精確。熱等效電路分析(ECA)為電機(jī)提供了一種方便的理論建模方法。然而，在傳統(tǒng)熱ECA的固有參數(shù)通常設(shè)置為常數(shù)或根據(jù)經(jīng)驗(yàn)線性調(diào)整。汽車電機(jī)通常在大范圍的轉(zhuǎn)速和扭矩范圍內(nèi)工作。內(nèi)部的熱和磁場(chǎng)會(huì)相互作用，相互影響。特別是在高頻下，由于交變磁場(chǎng)的影響，功率損耗的組成與低頻下有很大的不同。此外，溫度的變化對(duì)功率損耗和傳熱有顯著的影響，溫度對(duì)損耗率的影響方式是復(fù)雜的，并會(huì)隨著運(yùn)行狀態(tài)的變化而變化。因此，傳統(tǒng)形式的熱ECA在這種情況下使用通常被認(rèn)為過于簡(jiǎn)化和缺乏足夠的細(xì)節(jié)。
本文的主要貢獻(xiàn)是提出了一種改進(jìn)的理論建模方法，其中包含了更多的細(xì)節(jié)。它利用理論框架，將不同場(chǎng)的主要物理變量聯(lián)系起來。此外，還詳細(xì)介紹了相應(yīng)的關(guān)鍵參數(shù)標(biāo)定過程，以實(shí)現(xiàn)高精度的預(yù)測(cè)。
建立理論模型
圖1為一種常見的用于電動(dòng)汽車的水套冷卻永磁同步電動(dòng)機(jī)，其基本配置和輸出能力列于表1。
圖1 車用永磁同步電機(jī)的模型

表1 永磁同步電機(jī)的基本配置和輸出能力
為了模擬永磁同步電機(jī)的熱性能，首先采用如圖2所示傳統(tǒng)的熱ECA方法對(duì)永磁同步電機(jī)進(jìn)行初始建模。這種熱ECA的基本形式是基于圖3(a)和(b)中的分離組件。一般來說，熱源、熱容和熱阻都是先用理論估算，并結(jié)合全尺寸有限元分析進(jìn)行估算，然后再通過具體的實(shí)驗(yàn)測(cè)試進(jìn)行修正，以保證準(zhǔn)確性。下文對(duì)熱源、熱容和熱阻進(jìn)行了估算和修正。

圖2 汽車永磁同步電機(jī)的熱ECA模型

圖3 熱ECA模型中永磁同步電機(jī)的熱節(jié)點(diǎn)
1.熱源的估算和校正
①有源繞組損耗
汽車永磁同步電機(jī)的最大轉(zhuǎn)速為每分鐘1.2萬轉(zhuǎn)，并采用10極拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。最大頻率有可能達(dá)到1kHz。當(dāng)機(jī)器在高速運(yùn)行時(shí)，由于電場(chǎng)泄漏引起的槽繞組渦流效應(yīng)是非常明顯的。在接下來的分析中，由于磁通放大效應(yīng)的差異，繞組損耗被分為槽部和端部?jī)刹糠帧?/span>
假設(shè)感應(yīng)電流受電阻限制，且渦流產(chǎn)生的磁場(chǎng)與外部磁場(chǎng)相比可以忽略不計(jì)，則第l繞組層各導(dǎo)體中定子磁場(chǎng)造成的額外渦流損失可以用（1）式估計(jì)：

式中，σ為為銅的電導(dǎo)率，μ0是真空導(dǎo)磁率，ω是輸入電流的角速度，d是裸線的半徑，La是活動(dòng)部分的長(zhǎng)度，wl是第l層的槽寬度，Σl-1NI是第l層以下導(dǎo)體的電流之和。
轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)引起的繞組損耗使用全尺寸有限元模型計(jì)算。材料系數(shù)列于表2?？偟睦碚摴烙?jì)交流損耗與有限元分析結(jié)果進(jìn)行比較，如圖4所示。

表2 永磁同步電動(dòng)機(jī)的材料系數(shù)

圖4 隨著電機(jī)轉(zhuǎn)速的增加，理論值估計(jì)的繞組交流損耗系數(shù)與有限元計(jì)算結(jié)果的對(duì)比
②端繞組損耗
有限元分析結(jié)果表明，由于鐵芯對(duì)漏磁場(chǎng)沒有放大效應(yīng)，端面區(qū)域的交流效應(yīng)遠(yuǎn)小于有源區(qū)域。此外，端部繞組的損耗產(chǎn)生趨于均勻。所以只考慮直流損耗。
③定子鐵損
鐵損主要包括磁滯損耗、附加損耗和經(jīng)典損耗。前兩部分占多數(shù)。一般來說，鐵損密度可以由（6）式表示，其中的參數(shù)可以由不同激勵(lì)下鐵損數(shù)據(jù)的插值得到。

式中，Kh是磁滯系數(shù)，Kf是填充因數(shù)，Kex是附加損耗系數(shù)，Bm是這個(gè)區(qū)域的通量密度的振幅。
需要注意的是，電機(jī)采用的控制方法對(duì)電機(jī)的損耗有不可忽視的影響。本文所選用的永磁同步電動(dòng)機(jī)采用的是恒轉(zhuǎn)矩輸出區(qū)控制方法。在高速運(yùn)行時(shí)，通過漂移定子電流角來實(shí)現(xiàn)弱磁場(chǎng)控制。因此，永磁同步電動(dòng)機(jī)的磁場(chǎng)受d軸電流分量的影響，需要考慮d軸電流分量對(duì)鐵損的影響。
另外，由于逆變器的脈沖寬度調(diào)制，定子鐵內(nèi)部存在高頻諧波，會(huì)造成額外的鐵芯損耗。公式(8)可以用來提高前面介紹的經(jīng)典損耗估計(jì)公式(5)的精度。

④轉(zhuǎn)子損失
在永磁同步電動(dòng)機(jī)中，轉(zhuǎn)子與定子繞組產(chǎn)生的電樞磁場(chǎng)同步旋轉(zhuǎn)。鐵芯和永磁體的功率損耗主要是由載流脈沖寬度調(diào)制諧波和槽諧波引起的磁滯損耗和渦流損耗。
2.熱阻的估計(jì)和校正
通過靈敏度分析發(fā)現(xiàn)，圖2中的熱阻不需要單獨(dú)測(cè)量進(jìn)行校正。模型的性能基本上是由主要傳熱路徑的熱阻決定的，也可以通過穩(wěn)態(tài)直流熱測(cè)試進(jìn)行修正。繞組中的溫度分布對(duì)其熱導(dǎo)率非常敏感。在大多數(shù)情況下，對(duì)每條單獨(dú)的電線進(jìn)行建模是不可取的。本文使用集總熱導(dǎo)率，用于避免過度建模。
3.熱容的估算和校正
熱容對(duì)熱模型的瞬態(tài)熱性能有重要影響。它們的值首先由供應(yīng)商提供的熱容和從永磁同步電機(jī)的三維模型中推導(dǎo)出的每個(gè)部件的確切體積來估算。然后通過簡(jiǎn)化的瞬態(tài)直流測(cè)試對(duì)熱容進(jìn)行校正。在測(cè)試中，繞組被輸入一個(gè)大的直流電流，以產(chǎn)生一個(gè)已知大小的熱流，永磁同步電機(jī)的溫度將從室溫上升到穩(wěn)態(tài)。內(nèi)置在機(jī)器內(nèi)部的熱電偶的讀數(shù)用于調(diào)整主要部件的熱容。
改進(jìn)的理論模型
在分析耦合多物理場(chǎng)基本參數(shù)之間的相互影響的基礎(chǔ)上，本文提出了一種新的理論模型，以提高永磁同步電機(jī)整個(gè)工作狀態(tài)的估計(jì)精度。
圖5為所提出的改進(jìn)的理論模型框架，主要包括兩個(gè)閉環(huán)和三個(gè)子模型:模型(A)，模型(B)和模型(T)。模型(A)用于計(jì)算各部件在不同輸入下的損耗率(產(chǎn)熱率)，模型(B)用于修正當(dāng)前溫度分布下的熱傳導(dǎo)值，模型(T)是原始的熱ECA。

圖5 熱-磁模型的框架
圖6給出了所提出的改進(jìn)模型在永磁同步電動(dòng)機(jī)熱管理系統(tǒng)中的執(zhí)行流程圖。對(duì)于每個(gè)計(jì)算周期/運(yùn)行時(shí)間步長(zhǎng)，將(A)和(B)模型計(jì)算的節(jié)點(diǎn)熱資源和熱傳導(dǎo)參數(shù)導(dǎo)入到熱模型(T)中，計(jì)算溫度分布。模型(T)的結(jié)果將反饋到下一個(gè)計(jì)算周期(A)和(B)模型的損失率和熱導(dǎo)率的估計(jì)值。對(duì)于操作時(shí)間步長(zhǎng)，采用測(cè)量值對(duì)端部繞組溫度進(jìn)行修正，以減少誤差累積。

圖6 在熱管理系統(tǒng)中所提出的熱模型的執(zhí)行流程圖
最后，基于改進(jìn)的熱磁模型，通過以下矩陣計(jì)算來描述溫度和損耗的產(chǎn)生，以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)計(jì)算。

其中，Tk 為第k個(gè)節(jié)點(diǎn)超過參考溫度Tref 的溫升，Ck和Qk 分別為第k個(gè)節(jié)點(diǎn)的熱容和損耗率。[A]為集總熱阻矩陣，i為采樣時(shí)間節(jié)點(diǎn)，Δτ為計(jì)算時(shí)間步長(zhǎng)。熱源[Q]是局部溫度[T]的函數(shù)，Kk(Tk) 是第k個(gè)節(jié)點(diǎn)在其局部溫度下的溫度系數(shù)，Q是參考溫度下的損耗率。熱阻矩陣[A]也會(huì)根據(jù)溫度狀態(tài)刷新。
實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證
在永磁同步電機(jī)上進(jìn)行了一系列測(cè)量，以驗(yàn)證所提出的熱模型的預(yù)測(cè)精度。圖7展示了完整的實(shí)驗(yàn)設(shè)置。永磁同步電機(jī)安裝在大功率電機(jī)試驗(yàn)臺(tái)上，并連接到測(cè)功機(jī)龍門負(fù)載，受集成逆變器控制器的控制，并由恒溫水流冷卻。三相輸入電流由高精度電流傳感器記錄。

圖7 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的測(cè)試設(shè)置
為獲得永磁同步電機(jī)熱點(diǎn)溫度并驗(yàn)證所提出模型的預(yù)測(cè)精度，在永磁同步電機(jī)的端部和有源繞組部分嵌入了兩組K型熱電偶。此外，為了驗(yàn)證模型的局部精度，在電機(jī)的鐵芯、外殼、端蓋、端腔和軸承上放置了足夠數(shù)量的熱電偶，如圖8所示。熱電偶的讀數(shù)由數(shù)據(jù)采集板 (Smacq-PS2016) 記錄。

圖8 熱電偶于永磁同步電動(dòng)機(jī)中
為了實(shí)現(xiàn)該算法的熱管理，首先在MATLAB中構(gòu)建并調(diào)試了所提出的理論模型。在裝入熱管理系統(tǒng)控制器前，將整個(gè)模型重新編譯成C語言，轉(zhuǎn)碼到SPEEDGOAT(實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng))觀察是否能滿足實(shí)時(shí)計(jì)算的要求。最后，整個(gè)程序由轉(zhuǎn)碼器轉(zhuǎn)碼到汽車ECU所需的形式。本文在一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)行駛周期內(nèi)對(duì)永磁同步電機(jī)溫升進(jìn)行測(cè)試，如圖9所示。

圖9 臺(tái)架試驗(yàn)使用的行駛周期
將本文提出模型和傳統(tǒng)模型的損失估計(jì)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性，測(cè)試結(jié)果如圖10所示。它顯示了與忽略耦合現(xiàn)象的傳統(tǒng)模型相比，該模型能更準(zhǔn)確地估計(jì)損耗。本文所提出的熱模型考慮了對(duì)狀態(tài)偏移的補(bǔ)償，它能較好地描述永磁同步電機(jī)內(nèi)部的發(fā)熱和溫升。因此，在汽車永磁同步電動(dòng)機(jī)的寬工況下具有較好的整體精度。結(jié)果表明，偏差率在-1%~4.5%之間波動(dòng)，完全滿足熱管理系統(tǒng)的精度要求。

圖10 實(shí)驗(yàn)得到的總損失率與提出模型和傳統(tǒng)模型(1000~1500s內(nèi))估計(jì)結(jié)果的比較
為了進(jìn)一步增強(qiáng)模型的適用性，本文記錄了模型的計(jì)算花費(fèi)。圖11列出了每個(gè)預(yù)測(cè)周期(0.5s)中模型計(jì)算的時(shí)間成本(以1000s~1200s為例) 。模型計(jì)算的最大時(shí)間成本僅小于0.03秒，遠(yuǎn)小于預(yù)測(cè)周期0.5s。因此，提出的理論模型可以充分滿足汽車熱管理系統(tǒng)的應(yīng)用要求。

圖11 模型計(jì)算的時(shí)間成本(1000s~1200s內(nèi))
文章來源
Tenghui Dong , Xi Zhang, Member, IEEE, Chong Zhu, Member, IEEE, Fei Zhou, and Zhaojun Sun.Improved Thermal Modeling Methodology for Embedded Real-Time Thermal Management[J]. IEEE Transactions on Industrial Informatics,2021,Vol.17(No.7): 4702-4713.
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