电动汽车用混合永磁体可控磁通电机设计与控制技术研究

Focusing on the key challenges of high efficiency range, demagnetization risk and short mileage of electric vehicles(EV), this project is dedicated to the fundmental research of grouping technology for hybrid permanent magnet variable flux machines. The design and optimization method and control strategies are investigated. To obtain precise magnetization and demagnetization mathematical model, the characteristics of permanent magnets will be analyzed. The design optimization method and the performance under vehicles driving cycles will also be investigated. To increase the magnetization manipulation control accuracy and speed, a magnetization current trajectory control method will be proposed. Considering battery voltage variations of the electric vehicle applications, this project will study the adaptive magnetization state control to achieve online optimized overall efficiency operations. This project will also study the control method in the regenerative braking mode, and the study will combine the DC voltage control and the magnetization state control to achieve stable and fast response system. Focusing on the important application background of electric vehicles, this project proposes a new design principle and control system of hybrid permanent magnet variable flux machines to improve the operating efficiency of the driving system of EV among full speed range, which provides theoretical fundmentals and technical support for the development of hybrid permanent magnet variable flux machines, and promotes the application of this technology in the field of EVs.

针对电动汽车永磁电机高效率区间窄、退磁风险高、车辆续航里程短等问题，本项目以混合永磁可控磁通电机为研究对象，对其综合优化设计技术和控制策略进行研究。主要研究内容包括：混合永磁可控磁通电机永磁材料特性研究，精准充退磁数学模型、综合设计优化方法和循环工况综合性能分析、充退磁电流轨迹快速高精度控制策略、考虑母线电压波动的效率优化控制策略，提高电机综合效率、回馈制动模式下的控制策略，结合母线电压控制和磁化状态控制以实现系统快速可靠响应。项目围绕电动汽车这一重要应用背景，开发全新的混合永磁可控磁通电机设计及其驱动控制技术，有效提升电动汽车驱动系统全速度范围运行效率，为可控磁通永磁电机系统的发展奠定科学基础，推动该技术在电动汽车领域的应用。

近年来我国新能源汽车的保有量随着国家政策的倾斜和人们观念的转变呈现出爆发式的增长，新能源汽车的普及一定程度上缓解了环境与能源的负担，其相关技术将吸引世界各国的持续关注与研究。.永磁同步电机由于其高功率因数、高转矩密度与高效率等特点成为目前电动汽车驱动电机的主流类型。目前市面上的永磁电机产品通常采用具有较高的剩磁和矫顽力的永磁体，例如钕铁硼磁体等，使得永磁电机的低速转矩能力得到保证。但是，高剩磁与高矫顽力的特性导致传统永磁电机的磁钢剩磁难以调节，在高速区域需要进行弱磁控制以满足母线电压的限制。一方面，持续的弱磁电流增加了永磁体永久退磁的风险，带来了额外的损耗，降低了驱动系统的可靠性和在高速区间的效率；另一方面，永磁电机在高速区的反电势高于母线电压，弱磁控制失效后存在炸机风险。.为研究新型的高效率、宽速度范围和高可靠性的电动汽车永磁电机驱动系统，本项目首先实现了低矫顽力2:17型钐钴磁体制备和可逆/不可逆磁化性质的调控，并完成了充退磁规律研究，通过建立组合式永磁体整体磁化模型，获得了综合性能最优的永磁励磁源组合，并开发了混合永磁可控磁通电机自动化综合优化程序。提出一种改进型冻结磁导率方法，计算出电机的非线性电感矩阵，建立了非线性变参数解耦数学模型。本项目还对电机驱动系统车用工况综合性能进行分析，得出非正弦激励下的驱动系统损耗分析与散热设计，提出了基于抑制振动噪声的结构设计方案。针对混合永磁可控磁通电机，提出了直流偏置式电机电感的测量方法，设计了一种快速高精度的充退磁电流控制器与自适应永磁磁链观测器。.根据与日产LEAF驱动电机的对比，本项目设计的混合永磁可控磁通电机在市区工况下累计能耗降低了16.4%，在市郊工况降低33.1%，在整个NEDC循环工况下，电机累积损耗降低了27.9%。.由此可见，在电动汽车驱动电机应用领域，与传统永磁电机相比，混合永磁可控磁通电机综合效率更高，具有更大优势及广阔的应用前景。