新能源汽车电驱动系统性能解析 | 堵转 v1.2

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导语：转矩，作为给电动汽车提供动力最为重要的物理量，与其相关的要求均是电驱动系统的关键指标，我们「新能源汽车电驱动系统性能解析」 版块中对其从6 个方向进行解读：峰值转矩、持续转矩、堵转转矩、转矩控制精度、转矩动态特性(响应)、转矩纹波。在之前的文章中我们已经聊过了以下几方面(点击链接)，今天我们继续聊聊堵转转矩。

新能源汽车电驱动系统性能解读 | 转矩控制精度新能源汽车电驱动系统性能解读 | 转矩响应时间新能源汽车电驱动系统性能解析 | 转矩纹波 v2.0

我们从以下5个方面来聊聊这个话题：
1. 什么是堵转？2. 为什么做堵转？3. 如何做堵转？4. 堵转的机理是什么？5. 堵转性能的限制因素有哪些？文中所引用文章/拓展阅读已上传知识星球，点击文末[阅读全文]加入。01

什么是堵转？

堵转描述的是电机转速为0时，在一定时间内，在母线端子上仍然有足够电压保证转矩输出的一种情况。由此可见，表征堵转的两个基本量：转矩、持续时间。下图以感应电机为例说明了堵转转矩、额定转矩和启动转矩之间的关系。此时负载所需的转矩>电机可以持续输出的最大转矩（额定转矩），电机绕组承受了很大的电流，且转速为0。


图1 堵转转矩、额定转矩、启动转矩关系示意图
图片来源：网络02

为什么要做堵转测试？

堵转工况是纯电动汽车常见工况之一，堵转特性又是电驱动系统关键性能考核指标之一。其描述的一般是以下场景，此时驱动电机系统输出轴被抱死无法正常运转而处于堵转状态。

在一定坡度路面启动、停靠车轮被马路牙子等卡死变速器由于换挡系统或齿轮胶合导致的卡滞等工况

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如何做堵转测试？

根据上述所涉及的堵转工况，通过仿真识别出最恶略的工况，以此来定义堵转转矩和持续时间；但通常而言，国内整车客户会选择峰值转矩的60%~80%，持续时间5~15s作为堵转目标，同时确保试验后额定功率点正常运行。
具体测试方法一般参考GBT 18488.2中的定义，如下图：

图片来源：GB/T 18488.2-2015
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堵转的机理是什么？

下图是某电驱动系统在堵转工况下的定子绕组电流分布的测试结果。可以看出，三相绕组电流幅值分布不均匀，且呈直流分布状态。为了解释这个现象，这里简单引入下PWM原理、三相桥臂的开关状态和电压空间矢量图的概念。



图2 三相逆变电路堵转时输出的稳态直流电流波形图片来源：SysPro系统工程智库
这里以SVPWM技术为例。SVPWM是由三相功率逆变器的六个功率开关元件组成的特定开关模式产生的脉宽调制波，能够使输出电流波形尽可能接近于理想的正弦波形，目前永磁同步电机控制常采用7段式SVPWM。当PMSM在正常工作时，三相定子电流矢量相位之间互差120°，三相电流如下式所示：



其中，

I 为三相定子电流幅值，

θ 为转子位置，即定子电流矢量与参考轴（A相电流方向）之间的夹角。

由此可见，正常工作时三相电流为对称的正弦交流电流，如图3所示：



图3 三相逆变电路正常输出电流波形
图片来源：网络SVPWM 的理论基础是平均值等效原理，即在一个开关周期内通过对基本电压矢量加以组合，使其平均值与给定电压矢量相等。在某个时刻，电压矢量旋转到某个区域中，可由组成这个区域的两个相邻的非零矢量和零矢量在时间上的不同组合来得到。
由于IGBT三相桥臂共有6个开关管，其组成的八个基本电压空间矢量图如下：


图4 电压空间矢量图
图片来源：        网络
当堵转时，电机转速为零，输出机械功率为零，此时动力电机会处于上图的某一区域，输出电流的波形将由图2正弦波形转化为图3直流电且电流稳态幅值不相等。其根本原因是：转子磁场位置被固定，定子电流矢量也将被固定在对应的方向上，此时存在堵转饱和效应，即永磁体转子产生的磁场对各相磁路产生不均衡的影响，进而导致三相定子电流不再是正弦电流，而是直流电流，且电流稳态幅值不相等。
此时，若车辆动力蓄电池仍在为电动机逆变器供电，电功率以发热的形式消耗在驱动电机系统中，造成IGBT和绕组温度的急剧上升。由于IGBT热容性差，会先于电机被考察，待其通过后，电机的考察就紧随其后。
更多关于电机控制功能的解读可以见知识星球「SysPro | 电驱动功能解读」版块中如下文章：

电驱动系统功能解读 | 电机控制 | 1. 电机控制链路电驱动系统功能解读 | 电机控制 | 2. IM和PSM控制的异同电驱动系统功能解读 | 电机控制 | 3. 弱磁控制电驱动系统功能解读 | 电机控制 | 4. 空间电压矢量调制技术

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堵转性能的限制因素有哪些？

通过对堵转机理的理解，以及对实测过程的监控，可以看出，与堵转性能直接相关的系统级参数主要有：功率模块的布置位置和规格参数、电压、电流、环境温度和水温、频率、电机电控温度阈值的设定等。详细分析我们在v2.0中继续聊聊(知识星球中发布)。感谢你的阅读，共同成长相关公开资料/拓展阅读上传知星球，欢迎学习、交流。

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关于新能源汽车电驱动系统性能解析中的堵转问题，我们可从以下专业角度进行讨论：

1. 堵转定义：堵转是指电驱动系统在特定条件下，电机转速为零或极低的情况。此时，电机承受最大负载转矩，电驱动系统性能受到严峻挑战。
2. 堵转影响及原因：堵转会影响电机效率和使用寿命。造成堵转的原因有多种，如负载过大、机械故障或控制系统问题等。
3. 堵转测试的重要性：测试堵转转矩是评估电驱动系统性能的关键，它反映了系统在极端条件下的稳定性和可靠性。
4. 解决方案与技术措施：为应对堵转问题，需优化电机设计、改进控制系统、提高散热效率等。
5. 实际应用意义：了解并解决堵转问题，对于提高新能源汽车的行驶性能、续航里程及安全性具有重要意义。

后续我们将详细解读堵转转矩等相关内容，敬请关注。