裝甲車輛起動發(fā)電一體化的設計

李長兵，臧克茂，李立宇

(裝甲兵工程學院，北京100072)

現(xiàn)有的裝甲車輛采用專用的直流串勵電動機起動柴油發(fā)動機，另用一臺專用的發(fā)電機負責給蓄電池充電和整車供電.這種起動和發(fā)電方式存在體積、重量大，效率低，可靠性和可維修性不高.如果采用一臺永磁同步電機既作為發(fā)動機的起動電動機又作為整車的發(fā)電機[1]，實現(xiàn)起動機/發(fā)電機一體化，則能在減小原有起動機和發(fā)電機系統(tǒng)體積和重量時提高電機的效率、可靠性與維修性、延長電機壽命.

1 系統(tǒng)總體設計

依據(jù)輕型通用裝甲車輛發(fā)動機的起動和發(fā)電需求，要求起動發(fā)電一體化的永磁同步電機應具有如下參數(shù):

起動扭矩:115 N·m;

點火轉(zhuǎn)速:600 r/min;

發(fā)電轉(zhuǎn)速:800 r/min;

起動電壓:24 V;

發(fā)電穩(wěn)定電壓:28 V;

發(fā)電額定功率轉(zhuǎn)速范圍:1 800～2 500 r/min;

額定扭矩:60 N·m;

發(fā)電額定電機電流:302 A(有效值);

最大起動電機電流:1 260 A(有效值).

按照電機參數(shù)要求，一體機控制系統(tǒng)采用電機控制專用高性能DSP芯片TMS320F2808為主控CPU，起動發(fā)電由一套控制系統(tǒng)完成，逆變器采用多MOSFET并聯(lián)實現(xiàn).起動時CPU調(diào)用電動機控制程序，采用電壓空間矢量脈寬調(diào)制(SVPWM)方式，將24 V直流電逆變?yōu)榻涣麟?，電機工作在電動工況，實現(xiàn)對發(fā)動機的起動控制.起動后CPU調(diào)用發(fā)電機控制程序，由同一逆變裝置，采用SVPWM構(gòu)成PWM整流[2]，實現(xiàn)對電機的發(fā)電控制.系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示.

圖1 起動發(fā)電機一體化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2 一體化電機的參數(shù)設計

設計的電機必須同時滿足電動工況和發(fā)電工況的要求，還要滿足安裝空間的尺寸要求，根據(jù)系統(tǒng)需求和技術指標，電機設計采用以下技術措施:

1)電機具有體積小、結(jié)構(gòu)緊湊的特點.優(yōu)選設計參數(shù)，在滿足電機電氣性能的情況下，提高電機的功率密度和效率，減小其體積和重量.

2)發(fā)電工況時采用 PWM整流控制，且轉(zhuǎn)速范圍為1 800～2 500 r/min.合理設計電機的頻率、反電動勢和電感參數(shù)，保證在轉(zhuǎn)速變化范圍內(nèi)發(fā)電機及其PWM整流系統(tǒng)能穩(wěn)定運行.

3)電機要求具有低速高扭矩的起動功能，因此在滿足發(fā)電性能的基礎上，必須兼顧電機起動能力.

4)由于要求的電機結(jié)構(gòu)緊湊，電機電磁負荷會比普通電機取值要高，電機的發(fā)熱也較大，對電機的冷卻散熱采用綜合設計.

在運用Ansoft軟件反復校核的基礎上得到電機的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示.

表1 電機主要參數(shù)

得到的電機發(fā)電運行數(shù)據(jù)和起動運行數(shù)據(jù)如表2和表3所示.

表2 發(fā)電運行數(shù)據(jù)

表3 起動運行數(shù)據(jù)

3 系統(tǒng)控制原理設計

為減小起動發(fā)電一體電機控制系統(tǒng)的體積，控制系統(tǒng)采用一套逆變裝置，通過改變軟件控制算法來實現(xiàn)起動時電機工作在電動工況、發(fā)電時電機工作在制動工況.電機的控制策略采用Iq=0的矢量控制.對應電動工況和制動工況的矢量圖如圖2所示.

圖2 電機電動和發(fā)電工況矢量圖

圖2中的E0為勵磁磁場產(chǎn)生的電動勢，U為逆變器產(chǎn)生的相電壓.

電機在起動時工作在電動工況，被控量是電機轉(zhuǎn)速.其控制原理框圖如圖3所示.

圖3 起動時工作原理框圖

電機在起動后工作在制動工況，被控量是直流母線電壓，其原理框圖如圖4所示，引入母線電流做前饋可以提高系統(tǒng)的動態(tài)性能.

圖4 發(fā)電時工作原理框圖

4 逆變器主回路設計

在低壓、大電流的使用條件下，控制器工作在母線電壓為28 V的工況，MOSFET管比IGBT有體積小、功耗小的優(yōu)勢，更重要的是MOSFET導通電阻具有負溫度系數(shù)，并聯(lián)后能自動實現(xiàn)均流.起動發(fā)電一體機在起動時需要的扭矩最大，對應的起動電流也最大.在起動時對應的最大電流為1 260 A(有效值)，根據(jù)工程實踐經(jīng)驗，并考慮安全系數(shù)，MOSFET管的額定電流按式(1)計算為2 940 A.

式中:K為安全系數(shù)，取1.65，Imax為1 260 A.

若采用16個MOSFET并聯(lián)，則單個MOSFET的電流為2940÷16=184，A，根據(jù)這個指標選用國際整流器公司的AUIRLS3036－7P.該管的技術指標如表4所示.

表4 場效應管 (MOSFET)的各項性能參數(shù)

5 仿真結(jié)果及分析

對電機利用Ansoft軟件進行了有限元分析，對應的電機空載磁通密度云圖如圖5所示，從圖中可以看出最高磁通密度集中在定子的齒部和軛部的幾個點，磁通密度分布對稱和合理，鐵芯的最高磁通密度不大于1.5 T.

空載電動勢及其傅里葉分解如圖6所示，由圖可知電機電動勢的諧波分量很小，這有利于減小電機的空載損耗和諧波扭矩.

圖5 電機空載磁通密度云圖

圖6 空載電動勢及其傅里葉分解

依據(jù)電機的參數(shù)采用Simulink對系統(tǒng)進行了起動工況和發(fā)電工況的仿真分析[3]，得到的波形如圖7和圖8所示.

從電動波形可以看出，電機起動扭矩響應時間小，電流波形正弦度較好，扭矩穩(wěn)定在115 N·m，達到發(fā)動機起動扭矩的要求，發(fā)電工況時，電機三相電流很快達到穩(wěn)定，波形畸變小，輸出功率達到10 kW，滿足發(fā)電指標要求.

圖7 0～600 r/min電動運行電流、扭矩和轉(zhuǎn)速波形

圖8 2 500 r/min發(fā)電電流、扭矩、功率和轉(zhuǎn)速波形

6 結(jié)論

對某型裝甲車輛的起動一體化機的系統(tǒng)總體、電機參數(shù)、系統(tǒng)控制原理和逆變器的功率部分給出了詳細設計.運用Ansoft對電機進行了有限元分析，并對整個系統(tǒng)用Simulink進行了仿真.仿真結(jié)果表明電機參數(shù)設計合理，系統(tǒng)達到的性能指標滿足裝甲車輛起動和發(fā)電工況要求.

[1] 張科勛.一體式起動發(fā)電機系統(tǒng)概述[J].汽車工程.2005，27(3):477-480.

[2] 黃 勇.三相電壓型PWM整流器的研究與設計[D].華南理工大學.2010.

[3] Bimal K.Bose，王 聰，等，譯.現(xiàn)代電力電子學與交流傳動[M].北京:機械工業(yè)出版社，2006.