新能源汽车电驱动系统性能解析 | 转矩纹波 v2.0

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导语：转矩纹波，以骑自行车举例说明，转矩纹波就像是给自行车车轮不断加力，然后又突然释放，使得车轮出现不断摇摆的现象。同样，对于电动汽车，由于动力系统转矩纹波带来的输出转矩不断变化，使电机转动不平稳，从而影响驱动系统的输出性能、寿命，并且产生整车振动和噪声问题。所以，转矩纹波抑制技术如何，直接影响到终端用户的体验感。无论是传统汽车，还是新能源汽车，OEM一般会有这样的要求：“转矩波动：±5 @ 0~100rpm，5%@>100Nm"。那么，究竟什么是转矩纹波呢？转矩纹波究竟会对纯电动汽车带来哪些影响? 产生转矩纹波的原因有哪些?今天，我们从以下7个方面来聊聊这个话题：

1. 什么是转矩纹波？

2. 转矩纹波会对电动汽车带来哪些影响？

3. 为什么电动汽车要更加重视转矩纹波？

4. 转矩纹波产生的因素？

5. 降低转矩纹波，可以从哪些方面考虑？

6. 转矩纹波如何准确的测量案例说明？

7. 转矩纹波的失效分析路径(FMEA)
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什么是转矩纹波？

首先要明确一点，我们通常所谓的转矩并非是一个静态值，而是一个周期性扰动的量，这也说明了为什么OEM的技术要求书中会有转矩控制精度的定义，如0~100Nm，转矩控制精度±5Nm，>100Nm，转矩控制精度±5%。关于这一点，我们曾经在《豪华，是在看不见的地方下功夫 |  新能源汽车动力系统 | 转矩控制精度》也有说明。之前文章中，我们从理论角度，介绍了转矩电流计算模型和转矩能量计算模型，以此说明了转矩精度和系统参数、环境因素的关系，本文我们从实际应用角度对转矩精度做进一步的探讨，引入本文主题：转矩纹波。那么，什么是转矩纹波？如刚才介绍，转矩是一个与频率和振幅相关的数据，而我们通常所理解的转矩是经过平均或滤波之后的结果。如下图所示，红色表示电流，蓝色表示转矩。可以看出，在一个电流周期内，会有若干个转矩纹波按一定的幅值重复出现。

图片来源：Measurement_of_Instantaneous_Torque_Ripple, HBM02

转矩纹波会给电动汽车造成什么影响？

动力系统输出的是转矩和转速，我们先从转矩角度看看TA长什么样子？


图片来源：Measurement_of_Instantaneous_Torque_Ripple, HBM
如上图所示，红色代表瞬态转矩，蓝色代表平均转矩，当我们把下图黑框中现象放大之后，可以发现：虽然平均转矩长期来看是稳定的，但是在此处存在一个高频、高幅值的转矩纹波，这进一步的会给整车/系统/部件都带来很大的影响，主要有以下几方面：
-> 振动和噪音问题

转矩纹波产生了力的周期性变化。在传动系统中，进一步地导致变速器内部齿轮、花键等啮合处因传递间隙的存在，引发周期性的冲击、异响。

转矩纹波会对结构产生激励。一方面会产生系统噪音、机械振动；另一方面可能会导致共振传递到车辆的地盘和车身，影响乘坐体验。

转矩纹波可能导致电机内部磁场的分布不均匀。这种不均匀会产生额外的电磁力，产生次生效应，引发电机的电磁噪音。并且这种噪音通常是中低频的，通过空气或结构传播至用户端，影响乘坐体验。

转矩纹波的特性决定了其纹波振动频率会随电机转速上升，高速下会产生严重的whining。

--> 寿命问题

如上述所述，转矩纹波引发的周期性的冲击或振动，会进一步地导致机械部件，如轴承、轴、齿轮等的磨损，严重影响部件和系统的寿命。

另外，不均匀的磁场分布，也同样会加剧电机的发热和磨损，影响电机的使用寿命。

--> 车辆动力性/稳定性/安全性

转矩纹波会降低整车的转矩控制精度，使电机系统在运行过程中对负载变化的响应不够及时、准确，进一步地影响了整车的动力性、稳定性和安全性能。但是值得说明的是，这一影响有限，我会在第06部分，借用一张图片说明原因。

备注：关于转矩控制精度对整车的影响可以参考下文：

豪华，是在看不见的地方下功夫 |  新能源汽车动力系统 | 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

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为什么电动汽车要更加重视"转矩纹波"?

这里单写一章是想特意说明下"转矩纹波"在电动汽车中的重要性！在新能源纯电动汽车的匹配应用中，更要注意对转矩纹波的控制，这主要由于电动汽车较传统车高的能量转化效率导致的。


图片来源：网络我们都知道传统发动机传递效率一般在30%~40%，但是纯电动汽车的驱动系统其传递效率为85%~94%，这就意味着5%的误差影响会导致系统最高效率可达99%，这是不可能发生的。这就需要我们在纯电动汽车上更加重视对转矩纹波的控制。那么，如何对转矩纹波进行控制呢？这就需要我们了解导致转矩纹波产生的原因。
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那么，产生转矩纹波的原因有哪些呢？

要想搞明白转矩纹波怎么产生的，首先明确转矩是怎么产生的？万变不离其宗，我们在《电驱动系统功能解读 | 电机控制 | 1. 电机控制链路》中提到过，转矩就 = 转子磁场 X 定子磁场 (叉乘)。所以，转矩纹波就是由于转子的磁势分布或定子磁势分布偏离理想波形造成的。所以，我们要回答的问题就变成了：什么导致了转子磁势和定子磁势的改变？要回答这个问题，需要站在系统工程的视角，从产品的全生命周期各阶段去分析问题产生的原因，涉及材料、电机设计/电磁设计、控制策略、生产制造工艺、运行环境/运行工况等多方面去分析。详细内容我会在转矩纹波_V3.0中展开讨论（#知识星球中发布#），并绘制一张FMEA图，以澄清各维度方向上、不同层级之间失效模式和失效影响的关系，请持续关注。本文，就几个关键要素简要说明，具体包括：

交流电流特性对转矩纹波的影响
控制方式对转矩纹波的影响谐波激励对转矩纹波的影响电机设计对转矩纹波的影响

?交流电流特性

转矩纹波频率和幅值与电机相位数和电流频率息息相关，随着相位数的增加，转矩纹波会缓和，但是频率也相应变大。更多信息，请见参考文档。



图片来源：HBK Electric Power Testing? 控制方式

下图所示为不同控制方式下电压/电流/转矩的瞬态响应情况。可以明显的看出，采用PWM控制，电流波形很漂亮，且转矩纹波较小；当切换至6步之后，频率降低，电流波形变差，纹波明显。



图片来源：HBK Electric Power Testing? 谐波激励

对上述两种控制方式下的采样值进行FFT，在频域中对谐波进行分析，可以观察到不同频率下谐波?慷宰?匚撇ǖ挠跋臁�



图片来源：HBK Electric Power Testing? 电机类型，以及内部齿槽、磁铁的布置形式

以永磁同步电机为例，当我们转动电机转子的时候，会有嗡嗡响声，这是因为永磁体和定子齿槽的相互作用，虽然说我们通过控制可以降低这种干扰，但是并不能彻底消除，转矩纹波仍然存在。



图片来源：        网络
更多的关于转矩纹波的产生的原因，以及各因素背后的逻辑在这里不做介绍，感兴趣的读者查阅文末参考资料。
站在系统工程的视角，除了上述几点因素外，以下几方面也要引起重视（#持续更新）：

? 电机视角

...

? 控制器视角 (主要从谐波角度切入）