周星宇 王明明
长城汽车股份有限公司 河北 保定 071000
摘要：传统燃油汽车使用内燃机产生驱动力，内燃机运转时产生的大量热可作为热源为空调系统在冷天时供暖使用。而电动汽车没有内燃机作为热源，其空调系统必须具有本身供暖的功能，因此要求电动汽车的空调驱动系统在制冷和制热两种模式下均使用电机产生动力压缩制冷剂。然而电动汽车的空调驱动系统与其发动机所用电能均来源于蓄电池的能量，在续航能力上逊色于传统燃油汽车，尤其在空调制热模式下，其相对于燃油车的缺点就更加明显。此外，电动汽车由于蓄电池的限制，空调驱动系统应尽量做到体积小和重量轻。综合以上情况可知，电动汽车空调系统应具有高效、体积小且重量轻的特点。
关键词：电动汽车；永磁同步电机；自适应控制
引言
如今电动汽车发展迅速，如何全面提升电动汽车整车品质与性能是目前研究的主要方向。纯电动汽车没有燃油发动机，冬季制热也无法继续利用发动机余热，电动汽车的低温制热性能成为了当下研究重点。热泵空调系统凭借其能效比高的优点成为电动汽车空调系统的发展方向，研究能效比较高的空调驱动系统对电动汽车的技术发展有着极其重要的意义。
1电动汽车空调驱动系统中的电机及其控制方法
永磁同步电机（ＰＭＳＭ）具有体积小、寿命长、噪音低、效率高等优点，符合电动汽车空调系统的要求，因此适合应用于电动汽车空调系统中。但是，在永磁同步电机的控制系统中，为了提高控制精度，速度与位置的闭环必不可少，因此需在同步电机的转子轴上安装传感器，用于反映电机中转子的实时位置信息，进一步计算得到电机转子的转速。虽然这种控制方法可准确获得转子的位置和速度信息，能得到不错的控制效果，但传感器的使用会产生很多不可避免的缺陷。（１）传感器的存在必然使电机的体积、重量增大，同时由于传感器安装在转子上，电机转子的转动惯量也因此增大。（２）驱动系统会因电机安装了传感器而使得结构较复杂，系统的稳定性受到影响，无法适应恶劣环境。（３）准确度较高的机械传感器会增加系统的成本，且使系统的可靠性下降。由此可知，要克服机械传感器安装带来的缺陷，电动汽车空调系统中的永磁同步电机就要采用无传感器控制技术。
电励磁同步电机利用转子绕组通直流电产生励磁磁场，而永磁同步电机则使用永磁材料产生的磁场代替电流励磁产生的磁场，因此相对于电励磁同步电机，永磁同步电机在运行过程中减少了励磁电流带来的不必要的能量消耗，适用于续航能力较弱，对电能使用效率要求较高的电动汽车空调驱动系统。此外，相对于电励磁同步电机，永磁同步电机没有转子励磁绕组，结构更简单，因此其系统稳定性、抗干扰性也更出色（本文永磁同步电机采用内埋式）。
2电动汽车空调系统
电动汽车空调压缩机系统主要由压缩机、蒸发器、膨胀阀、冷凝器4个重要部分组成，它们构成一个循环回路。压缩机由直流动力电源供电，控制面板由单独的12V直流电源供电。电动汽车空调相比于传统空调系统具有诸多优点。纯电动压缩机空调系统可以采用全封闭的HFC134a（目前主要汽车空调用制冷剂）系统及制冷剂回收技术，整体的高度密封性可以减小正常运行以及修理维护时制冷剂的泄漏损失，从而减少了对环境的污染。压缩机采用电机、变频驱动器与压缩机一体式结构，采用自身冷却的方式进行散热，不需要外部散热设备，省去散热能耗。以上诸多优点使得永磁同步电机压缩机控制简单、体积缩小、效率提高。
3电动汽车空调驱动系统电机的无传感器控制
3.1永磁同步电机的数学模型
同其他交流电机一样，永磁同步电机内部由于定子绕组和转子永磁体之间的磁场相互关联，其电磁关系非常复杂。此外，永磁同步电机中的导磁材料还会因磁饱和而出现非线性磁通特性，故在永磁同步电机建立模型前，对其进行简化很有必要。
为此对永磁同步电机做出如下假设：磁路不饱和，电机电感不会受到电流变化的影响，不计涡流损耗和磁滞损耗；忽略齿槽、换相过程和电枢反应的影响；三相绕组堆成，永磁体的磁场沿气隙周围正弦分布；电枢绕组在定子内表面均匀连续分布；驱动二极管和续流二极管为理想元件；转子磁链在气隙中正弦分布。
3.2永磁同步电机的无传感器控制
3.2.1模型参考自适应控制系统
模型参考自适应控制系统（ＭＲＡＳ）是能以一定的标准作为参考对自身待调整的参数进行自动调整，使得待调整的参数与整个系统的输出都逐渐趋近于真实水平的一种控制系统。这种系统通过对参考模型的比较，觉察被控对象的变换，具有跟踪迅速的特点。模型参考自适应法的基本思想是：系统中有相同输出的两个模型，其中不含调整参数的称为参考模型，其输出是准确的；而含有待调整参数的称为可调模型，其输出依赖于待调整的参数，是不确定的。将两个模型的输出进行比较，得到的差值通过一定的自适应调节作为待调整参数的值送回可调模型中。由此可知，只有当两个模型的差值为零，即两个模型的输出完全相同时，参考模型中的待调整参数才等于其真实值。只要对输出差值的自适应调节恰当，参考模型中的待调整参数就一定会逐渐趋于真实值。模型参考自适应法应用到永磁同步电机的控制中，一般做法是将电机的电磁转速ωｅ作为待调整参数，含ωｅ的电流方程作为可调模型，直接测量电机定子三相电流并通过坐标变换得到ｄ、ｑ轴电流作为参考模型的输出，两者输出的电流差在自适应律下通过比例积分调节器后的结果作为电磁转速送回电流方程中。
3.2.2永磁同步电机的模型参考自适应算法
无传感器控制方法的重点是在没有位置传感器的情况下通过永磁同步电机定子中的电流、电压等信息准确计算出电机转子的转速，从而实现对电机转速的闭环控制。模型参考自适应法应用到内埋式永磁同步电机的控制中，一般做法是将电机的电磁转速ωｅ作为待调整参数，含ωｅ的电流方程作为可调模型，直接测量电机定子三相电流并通过坐标变换得到ｄ、ｑ轴电流作为参考模型的输出，在自适应律下，两者输出的电流差通过比例积分调节器后的结果作为电磁转速送回电流方程中。电机在运行过程中，电机速度的识别一直处于动态过程中，与电机速度的调节是同步进行的。
4仿真分析
分别采用两种调节方式,模拟电动汽车恒定负载工况下加减速的过渡状态。电机带载5N.m起动,(a)在3ms时给定转速100r/min,在36ms时给定转速0r/min,实际转速调节时间为20ms,超调量为50%,延滞时间为10ms。(b)在4ms时给定转速100r/min,在22ms时给定转速0r/min,实际转速调节时间1ms,超调量为10%,延滞时间为0.5ms。显然,模型预测控模拟电动汽车变负载工况下加减速的过渡状态。在3ms时电机带载2N.m由0r/min开始加速,在22ms时加速至500r/min,然后减速至100r/min。两组电磁转矩均出现30N.m、50N.m尖峰扰动,(a)扰动恢复时间分别为7ms、20ms,并有5次以上振荡次数。显然,模型预测控制电磁转矩跟随性能远优于PID调节。
结语
在高速给定下，电机速度响应快且超调量小，稳定运行时基本无误差，具有良好的动态性能和静态性能；在低速给定下仿真模型的性能远远低于高速给定时。在仿真层面验证了基于模型参考自适应法的永磁同步电机作为电动汽车空调驱动系统是可行的。
参考文献
［1］张锐．电动车：全球提速与未来越障［J］．中外企业文化，2017（12）：21－26．
［2］贾磊．电动汽车动力蓄电池的无线充电技术研究［D］．西安：长安大学，2015．
［3］吴祯利．电动车动力电池热管理与空调系统联合仿真及控制技术研究［D］．长春：吉林大学，2015．