关键词：电动汽车 感应电动机 效率 损耗模型
Efficiency Optimization Control Strategy of Motor Drives for Electric Vehicles
Li Ke Cui Naxin Wu Jian Shi Qingsheng (School of Control science and Engineering, Shandong University, Jinan 250061,China)
要想提高电机效率，首先就要尽量减少电机的 损耗。感应电动机损耗由铜损、铁损、机械损耗和 杂散损耗等四部分组成。在这些损耗中，机械损耗 和杂散损耗一般占总损耗的 20%左右，其建模非常 困难；铜损和铁损则与磁场、转速和负载大小有关，
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研究与开发
是可控的，大约占总损耗的 80%，对感应电动机效 率优化通常以这部分可控损耗为主要研究对象。其 中，铁损包括涡流损耗和磁滞损耗两部分，与电机 铁心的结构参数、电压频率和磁通密度以及负载有 关，严重影响系统的效率。如前所述，在等效电路
Abstract The efficiency optimization control strategy of electric vehicle drove by induction motor(IM) was studied for the motor’s notorious poor efficiency under light load. In this paper, a structure diagram of the induction motor in an arbitrary synchronously rotating frame of reference according to motor theory including iron loss is proposed at first, then the losses of induction motor in operation is discussed and an efficiency optimization control strategy of IM driving system based on loss model is proposed. Experimental results show that the proposed control strategy improves the motor efficiency markedly and has simple structure, fast optimization speed, small torque and flux fluctuation. Provide a sound solution for the electric vehicle propulsion system.LlrωsψqrRr
ids Uds
pψds
ω1ψqm idfe
Rfe
Lm idm
pψdr
Idr Udr
Rs Iqs Uqs
ω1ψds
Lls
pψqs
ω1ψdm iqfe
Rfe
Llr
ωsψdr
Lm iqm
pψqr
Rr Iqr
Uqr
图 1 考虑铁损时同步旋转坐标系下感应动电机 dq 轴等效电路
图中，Rs、Rr、Rfe 分别为定、转子及铁损等效 电阻；Lls、Llr 为定、转子漏感；Lm 为定、转子间互 感；np 为电机极对数；Uds、Uqs、Udr、Uqr、Ids、Iqs、 Idr、Iqr 分别为定、转子 d、q 轴电压（对于鼠笼机， Udr=Uqr=0）、电流；Idfe、Iqfe、Idm、Iqm 分别为 d、q 轴铁损等效绕组电流和励磁电流；ω1、ωs、ωr 分别 为电机同步、转差、转子角频率；ψds、ψqs、ψdr、 ψqr、ψdm、ψqm 分别为 d、q 轴定、转子及主磁链。
Rs
Rs
中用一电阻 Rfe 表示，Rfe 除了受温度及集肤效应影 响外，主要受电源频率影响，所以，Rfe 在变频驱动 调速系统中，不是常数，但为讨论方便，在此仍假
设其为一固定值进行损耗分析。
ω1ψds
ωsψdr
Rr
ids Uds
Iqs
Lm
Uqs
ω1ψdm Iqfe
Rfe
Iqr Lm Iqm
图 2 考虑铁损时同步旋转坐标系下感应电动机 dq 轴简化等效电路
能的优劣。目前已生产的电动汽车中使用的电机 有：直流电动机、永磁同步电动机、开关磁阻电 动机及感应电动机等。感应电动机以其体积小、 重量轻、成本低、坚固耐用免维护等优点，在电 动汽车传动系统中得到了广泛的应用。采用感应 电动机的电动汽车电驱动系统广泛应用磁场定向 矢量控制的控制策略。标准的矢量控制方法，在 基 速 下 保 持 电 机 的 磁 通 水 平 恒 定 ，然 而 在 轻 载 时 ， 系统运行在额定磁通会引起过度的铁心损耗，电 机效率降低，影响电驱动系统的综合效率，也就 是说性能卓越的矢量控制变频驱动系统在效率方 面并不是最优的。电动汽车常常会运行于轻载情
Rs
ω1ψqs
Lls
2 考虑铁损的感应电动机等效电路
在建立感应电动机动态数学模型时，为了便于 分析，通常将电机的铁损忽略，这样的模型在一般 的问题分析中已经足够精确。然而在电动机运行中， 铁损是真实存在的，而且对电机控制性能有一定影 响[9]，尤其是在进行效率分析时，该损耗不能忽略。 在电动机动态模型中考虑铁损，方法是根据其产生 机理，将铁损用一等效电阻的损耗来表示。对于感 应电动机，转子绕组中的铁损很小，可以忽略，所 以只在定子绕组上添加铁损等效电阻。根据交流电 机理论，三相感应电动机可通过坐标变换等效成同 步旋转坐标系 dq 轴上的两相电机模型，相比常规采 用的 dq 轴电机模型，定子上增加了两个铁损等效绕 组，由此可以得到如图 1 所示的考虑铁损的感应电 动机在同步旋转坐标系 dq 轴下的等效电路，为下一 步基于损耗模型的效率优化控制策略提供依据。
研究与开发
电动汽车驱动电机效率 优化控制策略研究
李 珂 崔纳新 吴 剑 石庆升
（山东大学控制科学与工程学院 济南 250061）
摘要 针对电动汽车感应电动机变频驱动系统存在的轻载低效问题，研究了其效率优化控制策 略。首先根据交流电机理论，给出了同步旋转坐标系下考虑铁损的感应电动机等效电路，然后在分 析电动机损耗的基础上，给出了一种基于损耗模型的感应电动机变频驱动系统效率优化控制策略。 实验结果表明，该感应电动机效率优化控制策略节能效果明显，且具有结构简单、寻优速度快，转 矩和磁链波动小等优点，为电动汽车驱动系统的高效运行提供了有效途径。
Keywords: electric vehicle (EV) induction motor (IM) efficiency loss model
1 引言
现代电动汽车融合了电力电子、机械、控制、 材料、化工等诸多方面高新技术，对能源安全和 环保有重要意义，是 21 世纪极具市场潜力的“绿 色 ”产 业 [ 1 ][2 ]。续 驶 里 程 不 足 仍 然 是 制 约 电 动 汽 车 商 业 化 发 展 的 主 要 瓶 颈 [ 3]，为 了 解 决 这 个 问 题 ，一 方面必须开发能量密度高的电池；另一方面，必 须极大限度地提高驱动系统的效率，有效地利用 有限的能量。作为能量存储系统与车轮之间的纽 带，电驱动系统是电动汽车的心脏，它由电动机、 功率变换器和电子控制器等组成，决定了整车性
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况下，应采取效率优化措施，提高驱动系统的效 率，以延长电动汽车的续驶里程。
变频驱动感应电动机效率优化控制已经引起国 内外学者的广泛关注[4-8]，现有的方法大致分为四种 类型：基于简单状态变量的效率优化控制（SSC）； 基于搜索法的效率优化控制（SC）；基于电机损耗模 型的效率优化控制（LMC）；以及以上几种法结合的 基于混合控制器的优化控制（HC）。本文从简化转 子磁场定向的感应电动机等效电路入手，通过分析 感应电动机损耗，给出了一种基于损耗模型的感应 电动机变频驱动系统效率优化控制策略，该控制策 略根据负载和转速确定矢量控制磁通水平，达到节 能的效果。实验结果表明该控制策略节能效果明显， 且具有结构简单、寻优速度快，转矩和磁链波动小 等优点，为电动汽车驱动系统的高效运行提供了有 效途径。
（5）
铁损为：
( ) Pfe
=
ω12ψ
2 r
Rfe
=
ωr + ωs
ψ2
2r
Rfe
将（3）式代入，得，
Pfe
=
ωr2ψ
2 r
Rfe
+
Te2 Rr2
np2ψ
2 r
Rfe
+
2ωrTe Rr Rfe np
（6）
总损耗为。
( ) Ploss = Pcus + Pcur + Pfe =
id2s + iq2s
Rs
+
Rs
+
Rr2 Rfe
⎞ ⎟ ⎠
（10）
把最优磁链用三维曲面表示，如图 4。 在只考虑可控损耗的情况下，定义异步电动机 的效率为：
η = ωrTe （11） ωrT + Ploss
图 5 分别给出了标准矢量控制和采用本文所述 方法的电动机效率曲面。从图中可以看出，采用效 率优化控制后轻载时的效率提高非常明显，但同时 也注意到，低速情况下效率提升是非常有限的。
nN=2800r/min，额定电流 iN=1.7A，np=1，Rs=24.6Ω， Rr=16.1Ω，Rfe=3000Ω，Lm=0.97H，Lls=0.02H，Llr=0.02H， J=3.5×10-4kg·m2。DSP 通过 RS-232 接口与 PC 机通讯，