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小鹏汽车王飞:电机控制技术对整车应用的影响

人物对话2020.12.09
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2020年12月3-4日,在上海举办的“2020中国汽车动力总成电气化国际峰会”在上海汽车城瑞立隆重召开。峰会期间,小鹏汽车电机控制专家 王飞先生发表了精彩演讲。



1.1.jpg


小鹏汽车电机

控制专家

王飞

演讲实录

谢谢大家!邀请我跟大家做一个电机控制方向的汇报和交流。我是来自小鹏汽车的王飞.

我今天主要是从整车的角度,根据整车的动力性提升和整车续航提升以及驾驶舒适性和整车最关注的安全,这4个方面跟大家做一个交流和汇报。

我们电控系统影响了整车性能的很多方面,举个例子对于我们新能源汽车,我们提出的一个重要的指标就是百公里加速的特性,百公里加速现在每个车企追求的指标越来越高,对于我们小鹏汽车来说,比如说我们四驱车百公里加速可以达到4.3s的指标需求,在同样的硬件条件下我们通过哪些控制技术可以让这个车辆的动力系统进一步提升呢?


我今天就会给大家做一个汇报。


我们在恒转矩区的转矩指标提升,我们小鹏P7的后驱动力参数是390Nm,通过我们的控制系统能力提升可以再增加30Nm。同时我们在峰值功率区,在电驱系统高速弱磁区通过峰值功率的提升也可以将加速后半段再提高15Kw左右的功率,最终可以使我们的整车系统的加速性控制在3s(3~4s)以内。

我们还可以通过高速的弱磁控制,使得我们车辆峰值转速提升由现在的180公里的时速提高到200公里以上,当然这里面可能会受一些机械部件的影响,我们不会放开那么高。我们还可以通过一些变频的技术、高利用率的过调制技术,将整个控制系统的效率进一步提升,最后实现我们的续航增加10公里以上这样的效果。

1.接下来详细介绍一下我们电驱系统在前半段,也就是恒转矩区通过哪些技术可以进一步提升我们的动力性。

(1)首先,当我们做一个电驱系统一般定义指标的时候通常是以65°C冷却水车上最严苛的工况下给出的定义,就是在65°C冷却水、8L流量的时候核算我们的动力系统最大的输出,但实际上我们车在正常运行过程中它的冷却水条件经常在40°C-50°C的区间,因此我们可以找到这个差异点,在车辆正常运行的时候识别到冷却水的流量和温度,评估出我们目前器件所处的环境,根据这个环境进一步释放功率器件的电流输出能力,使我们整个动力系统的动力性进一步提升。同时还可以根据动力系统的IGBT功率损耗因素,把损耗降低下来,最终使动力性进一步提升。

我们还有一些闭环的结温估算,根据实时的采样数据,使得我们的动力系统进一步提升。

(2)同时我们还要考虑NVH特性,因为当我们降频的时候我们会听到高频的电磁声,在主控频率8K以下的时候就会有尖锐的电磁声,因此还要再做NVH平衡。此外控制频率较低情况下可能还会产生一些电流谐波,引起一些动力系统的谐波噪声,这个也要进行平衡。

通过以上几种手段我们可以在同一硬件的平台上,根据工况适应不同的策略,最终实现我们的控制系统在转矩区的最大转矩有10%或者更高的输出。

(3)其次就是在我们的高速弱磁区的时候,我们的力矩会自然而然降低的,这个主要是受电压利用率的影响使得功率无法进一步提升,我们找到这个关键点通过采用一些过调制技术,将调制率由正弦调制达到最高1.10的调制方法,进一步提升电压利用率,使得我们整个功率提升有一个更明显的上升。

我们的实测结果,在不同的电驱上可以将功率提升到110%甚至到130%这样的功率等级,进一步提升我们的百公里加速特性。

此外我们还可以采用先进的电压矢量控制方式,将弱磁电压余量削减到0,不留余量,通过降低开关频率减小开关切换次数提高我们的电压利用率。

通过上述的一系列手段使得我们的电压控制利用率进一步提升,让我们的高速区它的输出能力得到更好的发挥,最终实现我们百公里加速在后半段有很明显的提升。

2.除了百公里加速特性性能提升以外,我们通过电机控制技术还可以让我们的车辆在堵转的工况下有非常好的性能。比如说我们在停车、爬坡或者是过坎的时候,受限于电驱系统三相电流不换相的影响,导致我们的发热是平常发热的1.41倍以上,因此这种工况对于我们的硬件考核是非常严苛的,我们可以研究器件的关键特性去判断哪些方面可以进一步提升。

比如说第一张图里介绍的,根据转速从0速一直到200转的时候,随着转速升高,我们的最高结温逐渐降低,这个时候当我们的车辆逐渐升速的时候就可以释放转矩的输出能力,让堵转工况快速退出使得我们有更强的爬坡能力。当堵转在不同工况点的时候,从理论上计算有不同的最高结温,例如当电角度为0的时候最高结温就降下来了,功率器件峰值结温可以从当前130°C提升至150°C有20度左右的余量提升,利用这个特性可以把堵转极限的性能发挥出来。

第三个图就是开关频率与结温的关系,损耗有两个方面的影响,一个是由导通损耗,一个是开关损耗。针对开关损耗可以采用降频的方式,常用的主控频率10k降到2K或者1K来降低开关损耗,使得我们的能力进一步发挥出来。当然在1K以内因为器件本身开关次数已经很少了,这个时候的降额特性就不明显了。最后可以通过闭环的结温估算实时进行估算,当结温不是很高的时候发挥最大的转矩输出能力。

3.第二部分跟大家介绍一下电机控制技术如何实现续航里程提高。

我们重点就要研究哪些方面控制器的输出效率有了损失,从电机的角度来说,主要有铜损和铁损,从控制器角度来看,有开关损耗和导通损耗。

(1)针对于铜损来说可以采用降低电流的方式,对于高速热磁区可以采用提高电压利用率的发波调制方式,对于开关损耗可以降低开关损耗和减小硬件自身损耗,如采取碳化硅器件等一系列的技术方案去实现以上效率提升的内容。具体来看,有效易行的措施如通过全域的变频控制实现效率提升。我们知道开关次数越小的时候开关损耗越少,但这是有条件的,因为在我们的不同转速区域内它的电流和输出特性都是有差异的,因此我们要动态去调节频率。比如说在堵转的情况下,一般情况下采用一个很小的开关频率,通过降低开关频率保证效率提升,同时保证堵转时不过温。另外当中小转矩的时候适当提升开关次数,这个时候可以将我们的电流谐波有效抑制下来,在中速大转矩区域我们连续提升频率,这个时候保证控制的效果有一个连续性,在高速的时候控制频率受限功率器件影响无法提高而电流谐波进一步增加,我们可以采用双采样双更新(双拍10kHz控制),同样我们可以达到20k的控制效果,最终保证谐波降低,同时损耗不是很大,这样可以提高控制系统的效率。

我们还要注意到,当我们降频的时候会有一些NVH特性的损害,我们人耳朵一会感到很强的开关高频声,这个时候可以在温度不高的情况下频率提高,避免低频的噪声,而当温度上来的时候我们就忽略NVH的影响,把控制频率降低防止过温,同时与整车配合的时候要注意,当整车没有力矩需求的时候,我们可以将我们的电驱系统整个高压系统关闭,保证电驱系统在0转矩下没有任何损耗。

(2)第二种提高系统效率的方式就是通过一些过调制技术,市面上绝大部分的电机控制器电压利用率只做到了1,也就是采用基本连续矢量输出的调制的方式。实际上我们可以在高速弱磁区如黄线以外的部分都采用高调制比的电压调制的方法,也就是通过一系列的过调制方式把电压利用率进一步提升,这个时候MTPA区域就进一步扩大,弱磁区就会减小,使得整个系统损耗降低,同时采用过调制技术可以减小我们的开关次数和开关损耗。最后通过这个过调制技术还可以进一步把我们的电流能力提升。

下面介绍具体的过调制的控制方案,主要包括列举的常见的3种方式:

Ⅰ  第一种就是电压相位连续跃变,目标电压矢量在内切圆外采用临近矢量替代,基波幅值不变,矢量相位跃变;

Ⅱ  第二种就是电压矢量等相位,这种方案比较容易实现,推荐大家工程化应用,当我们目标电压矢量超过电压极限圆时,我们用六边形上的电压矢量输出,电压矢量幅值变小,但是我们相角是连续的,基波含量也不高,这种方案是比较容易实现的。

Ⅲ  第三种方案就是算出等效替代电压矢量连续计算出来进行替代,这个时候我们可以从正弦调制连续切换到单脉冲控制,这种方式可以实现极限的输出。

另外介绍一种发波方式就是采用低开关损耗PWM的技术,现阶段行业研究的热点。正常的调制一般采用SVPWM它是连续调制的,它的调制方式0和7矢量在中间和两边都有加载,7段式发波,开关次数会稍微多一点,而采用0和7矢量结合放到一起输出的方式,我们让它连续切换,减少开通次数,这个时候可以实现同样一个开关频率下开关次数减少三分之一,进一步降低器件的开关损耗。

后面这个图介绍了通过这种调制方式它的开关损耗明显降低,对比它的导通损耗同样电流下造成的导铜损耗是不变的,但是开关损耗是有明显降低的,因此我们利用这种特性结合着我们的谐波含量考虑在某种特殊工况下,比如说中小扭矩或者大扭矩输出的时候采用DPWM的调制,其它工况采用正常的调制,这样可以使得我们效率进一步提升。

这个图介绍我们通过硬件功率器件升级使得我们整个电驱系统的效率有较大的提升,就是我们采用的碳化硅器件,因为碳化硅器件具有着低开关损耗、冷却要求低,同时它的晶圆耐受温度也是比较高的,这样对于我们系统来说,可以减少损耗,提高的开关频率,同时可以运行在较高温度下。通过这个技术我们第二张图有一个效率对比,我们可以看到当控制系统运行在低负荷情况下,小功率输出的时候明显可以看到效率提升相比IGBT来说,它的效率提升可以达到5%甚至更高,对于中大扭矩区它的效率提升略微小一点可能1%-2%,但是对于我们正常驾驶员行驶的工况来说,绝大部分的工况都处于中低速小扭矩区,因此对于我们整个车辆续航来说应用碳化硅器件会有一个明显的效率提升,因此我们在整车的计算仿真和实车测试过程当中得到这样的结论,单纯通过控制策略的优化,我们可以提高至少1%系统的效率。如果我们应用碳化硅器件,可以对我们系统提升2%的效率,总续航可以提升20公里以上。

4.第三部分跟大家分享的是我们通过控制技术如何去让整车驾驶过程中有一个很好的NVH驾乘体验。

上图列举的是我们小鹏P7在实车测试和标定过程遇到过的问题,最终也是很好的解决掉了这些问题。对于我们纯电动车来说,上述这些抖动问题几乎每一个车型必然会存在的,只是我们主机厂有没有很仔细地进行标定,把这些问题解决掉。例如在不同转速下,刚一启动的时候0km/h车速经常见到有7~8Hz的抖动问题,因为传动系统有柔性环节造成的共振问题,这个问题一般都必须要有很好的解决,这个普遍大家解决得不错。

在1-3km/h车辆刚要启动的时候经常有7Hz~15Hz左右的波动频率,人会感觉到很强的震动,在某些定速的时候跟我们的电机系统有一些特定共振的点,包括特斯拉在内,我们也实车测过,比如说它有20Hz的轰鸣声,尤其是在后备箱这个位置非常明显,到目前为止可能也没有很好的标定出来。当然我相信通过控制技术,根据这一点的共振特性,长时间的标定和匹配可以把这些问题有效解决。同时在不同的工况下在爬坡、急刹车、DR档切换和转向打死的时候都有抖动的问题,我们可以通过控制系统的控制策略有效消除掉。

上图就是我们应用的一些控制方案,在实车上有效解决了这些问题,大体的思路,可以通过低通滤波器、高通滤波器,在不同工况下把车上的共振问题解决掉,因为车上的振动点非常多,我们可以根据不同工况进行自适应调节,最后通过PI及限幅把力矩输出出来,把阻尼加到我们整车的输出指令上,最后达到很理想的抑制效果。

下面是通过一些控制技术结合到我们车上电机的一些电磁方案,分析出它的高频噪声的谐波阶次,然后注入高频谐波电流,把电磁产生的噪声抑制下来,这个也是有很好的应用的。

除此以外,我再介绍下我们做的一个主动防滑的控制功能。在我们的传统车上,我们用TCS去做我们的车辆打滑失速的控制,保证我们车在突然抛负载或者在极限运行下有很平顺的控制,但是对于新能源车有什么样的特殊特性呢?我们的电机系统响应速率非常快,我们的响应速度甚至超过TCS的控制速度,因此我们可以做一个主动的防滑控制,替代TCS,最终达到什么样的效果?加了这个功能以后我们的车在过一些颠簸的路面上它的滑动抑制效果比没有这个功能的TCS去做整个延迟时间至少减少100毫秒以上,对于我们车辆来说就大大见效了减速器的冲击,同时驾乘表现上来说用户也会感觉到非常舒适,没有那么大的冲击力。

这页介绍的是我们工程化常遇到的传感器偏差的问题。对于电器系统经常遇到的问题就是电机的旋变传感器因为安装或者设计制造问题产生的一些偏差,这些偏差有些时候是不可避免的,因此我们可以采用谐波提取的方式把这个偏差提取出来再反向注入回去,最后使得我们的取得最佳的控制效果,最终车上表现的力矩输出有一个很好的平顺性控制,这个部分的效果也是很明显的,我们也是在整车上有良好的应用。

最后一部分跟大家分享的是车辆安全的控制,这一部分的控制技术难度不大,但核心在于我们要找到车上的经常发生的故障问题点。对于新能源车来说因为它的迭代更新周期非常快,比如说传统燃油一个车型的开发可能4年以上,但是对于新能源车来说它开发周期可能就是2年或者3年,周期非常短,因此必然会带来各种各样的问题。新能源车的验证周期相比传统车验证周期短,因此就可能会存在一些偶发性失效的问题。针对这些偶发性失效问题我们可以采用怎么样的策略呢?通过故障重启的方案。比如说一个部件突然它报故障了,但是在下次重启的时候又恢复掉了,针对这一类的问题我们可以让驾驶员在未感知的情况下让控制系统分层级重启,实现我们车辆在不停车的过程中动力就恢复了,那这个时候对于驾乘人员比如说在高速上他就仍然会有一个很好的控制连续性不会发生什么危险。

后面两个是跟高压安全相关、高速控制相关的一些安全特性,我们采用一些关断策略使得我们车辆驾驶比较安全。这些是传感器类故障,可能单纯损坏或者长久断线,以及电压电流传感器直接失效了,那怎么办呢?我们通过这种特殊跛行控制,通过这个控制,可以不让车辆停在马路中间,也让用户感受到即便车辆出了问题,但车辆还能动可以把风险降到最低。因此我们以用户安全为出发点,利用一系列诊断措施,完善的诊断监控策略,高容错性的故障处理和跛行机制,可以减少三分之一以上的行车动力中断问题,这个对于我们的帮助也是非常大的。

以上就是我跟大家分享的内容,小鹏汽车为进一步顺应智能电动汽车行业的发展,我们希望广泛吸纳社会上优秀专业技术人才加入,同时也希望与在座优秀供应商一起合作,共同前进,谢谢大家!


来源:盖世汽车



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