导语:无论是传统汽车,还是新能源汽车,整车厂一般会有这样的要求:“转矩波动:±5@0~100rpm,5%@>100rpm。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?

我们按如下几部分进行解读

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. 转矩纹波产生的因素

4. 转矩纹波的测量

1. 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,这也说明了为什么整车厂RFQ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《 新能源电驱系统标准解读与拓展: 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。

2. 转矩纹波会给电动汽车带来哪些影响?

如下图所示,红色代表的瞬态转矩,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,简单概括主要有以下几方面:

1)转矩纹波产生振动,进一步导致变速器内部齿轮、花键等啮合处因传递间隙的存在,产生冲击、异响,还会严重影响部件和系统的寿命耐久。

2)转矩纹波会对结构产生激励。一方面会产生系统噪音;另一方面可能会导致共振传递至驾驶室内。

3)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。

除了上述几点原因之外,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。

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。

3. 产生转矩纹波的原因有哪些?

转矩纹波主要来自于以下几方面:

交流电流特性

转矩纹波频率和幅值与电机绕组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,但是频率会加大。关于绕线工艺对转矩纹波的优化,感兴趣的读者可以查查相关文章,有很多介绍。

控制方式(频率)

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。

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含量对转矩纹波的影响。

电机类型,以及内部齿槽、磁铁的布置形式

以PM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。

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,感兴趣的读者可自行查阅。

4.转矩纹波的测量

转矩纹波不可避免,对整车影响又是多方面的,那么, 我们如何对系统的转矩纹波进行测量,以真实反映系统的性能呢?

这就需要我们选用一款非常牛逼的转矩传感器,重点关注以下几方面: 高精度、 高带宽、 高降噪。以下图简单说明,下图为三种不同带宽下转矩测量结果,可以发现,全带宽下的转矩幅值和频率清晰可见;而100Hz下,由于相位延迟导致了幅值信息有所丢失。

最后要提醒下,转矩纹波的存在,基本不会影响电驱动系统的输出能力,。以 下图说明这一结论。下图 所示是一个加速的过程,可以看到,随着转速的上升,电功率和机械功率都在上升,在这个过程中会有转矩纹波的产生,当我们放大这一区域,可以看到: 虽然转矩纹波产生,但是机械功率的变化仍然很平缓,并没有太大的差异。因此,我们更多地要重视转矩纹波 对NVH、耐久等性能影响。

【Reference】

Measurement Introduction from Hottinger Baldwin Messtechnik GmbH (HBM)