电动汽车牵引逆变器和电机驱动器的建模

主要收获

• 将牵引逆变器、电机和控制回路结合起来，比单独建模其中任何一个，能获得更可靠的扭矩和设备应力结果。
• 只有结合电机的电感、显着性及转速范围来综合考量时，开关频率、控制器带宽和电压裕量才有实际意义。
• 模型保真度应服从工程问题的需求，开关细节应仅用于处理纹波、应力及保护相关的工作，而非在所有地方都使用。

对电动汽车牵引逆变器的准确建模必须包括电机和控制回路，否则对转矩和器件应力的预测将会出现偏差。

当牵引逆变器、电机和控制回路集成在同一个模型中时，工程师能够获得更准确的扭矩和应力估算值。这一点至关重要，因为2023年电动汽车销量已接近1400万辆，这使得电动汽车设计的电机驱动从一项小众实践转变为大规模工程问题。那些掩盖电流纹波、电压限制或电机显著性的捷径，其影响不会长期微不足道。 仅凭开关阶段无法评估电动机驱动系统，同样地，若脱离为其供电的逆变器，也无法评估电动机本身。一个有效的模型应将这些组件耦合在一起，从而让您能够看到扭矩指令如何转化为相电流、该电流如何导致器件发热，以及控制调谐在何处开始限制性能。这正是看似整洁的图表与能在更苛刻工作点下经受住考验的模型之间的区别。

牵引逆变器是如何产生电机相电压的？

牵引逆变器通过六个功率开关、脉宽调制和直流母线，将电池的直流电压转换为三个受控的相电压。调制模式决定了平均电压。电动机的电感作用使电流平滑。正是该电流矢量产生了转矩。

设想一个400 V的电池组为转速为3000 rpm的永磁电机供电。控制器发出q轴电流指令，桥式电路向每相施加短暂的正负电压脉冲。电机的电感将这些脉冲滤波成近似正弦波的电流。这就是为什么相电压波形看起来参差不齐，而转矩曲线却依然显得平滑的原因。

当低速扭矩、声学噪声或器件发热成为关键因素时，您的模型就需要这些锯齿状的边缘。死区时间会改变有效电压。器件压降会削减电机实际感受到的电压。如果您忽略这些影响，模拟出的电机看起来会比您试图预测的硬件更容易控制。

机械动力学决定了逆变器器件所承受的电气应力

逆变器器件所承受的电气应力，既取决于电机，也取决于桥式电路。绕组电感、反电动势、显极数和转速共同决定了电流纹波和峰值电压。同一台牵引逆变器在驱动不同的电机时，其工作表现会大不相同。

低电感内转子永磁电机在每次开关沿后，电流会急剧上升。而功率相近的感应电机通常会将该电流分散在更长的时段内。接近最高转速时的再生制动又增添了另一种情况，因为电机的反电动势会将相电压推向直流链路极限。就在简化模型看似平稳的地方，却出现了更严苛的换相和更高的峰值应力。

这种耦合关系对损耗估算和安全工作裕度至关重要。同一座桥式整流器，搭配不同的电机时，可能表现得温和，也可能显得苛刻。如果仅研究逆变器而不考虑电机，就会忽略过电流尖峰、二极管恢复或电压饱和现象何时开始出现。器件应力是系统层面的结果，而非仅由开关器件决定的结果。

一款电动汽车驱动逆变器的设计始于其开关桥

一个有用的电动汽车牵引逆变器模型，应从实际决定开关行为的组成部分入手。这些组成部分包括直流电源、直流链路电容器、母线电阻和电感、六个半导体器件、有效的电流路径、栅极指令以及电流测量。它们决定了施加到电动机上的电压以及返回至器件的应力。

一个包含理想开关的 800 V 桥式模型可以相当准确地预测平均转矩。该模型不会显示因母线电感与器件输出电容相互作用而产生的过冲现象。硅绝缘栅双极型晶体管（IGBT）级还需考虑二极管反向恢复。碳化硅级则需要在相同工作点下考虑输出电容和死区时间等细节。

您不需要第一次迭代中得到的所有寄生参数，但确实需要与您的问题相关的那些。热功计算需要开关损耗的详细数据；低速优化需要死区时间和器件压降；故障分析则需要当缺少栅极命令时仍保持有效的电流路径。

“同一座桥，用一台机器操作时看起来很温和，换另一台机器操作时却显得很粗暴。”

电机驱动型机型需要与控制系统相匹配的机械方程

电动机驱动模型只有在机器方程与控制方法描述的物理假设一致时才能正常工作。永磁电动机的场定向控制需要d轴和q轴状态保持一致。感应电动机的控制则需要控制器能够实际“观察”到的转子磁通动态。

表面永磁电机模型在采用教科书中的典型电流增益参数时，通常表现良好。但若将相同的增益参数应用到具有强突显性的内部永磁电机上，由于被控对象的不同，就会出现转矩过冲现象。传感器角度误差还会造成另一个陷阱：5度的偏移会使指令电流沿错误的轴向旋转，从而导致转矩下降，同时损耗增加。

SPS SOFTWARE 在此处非常有用，因为您可以将开关桥、控制器和电机状态集中显示在一个可编辑的模型中，而不是将它们分散在各个封闭的模块中。这使得更容易追踪：为什么一个单独看似乎没问题的增益，一旦逆变器限值与电机状态相互作用，就会开始失效。您可以直接检查这些假设，而不必猜测它们被隐藏在哪个模块中。

控制带宽决定了指令发出后扭矩的建立方式

转矩响应更多地取决于电流环带宽、采样延迟、可用相电压以及电机电感，而非表面上的开关频率数值。变频器会影响转矩，因为它限制了电流达到指令值的速度。当反电动势和电压饱和挤压控制环路时，这种限制就变得显而易见了。

在400 V驱动系统上，以低速进行从0 Nm到150 Nm的阶跃响应。由于存在充足的电压裕量来推动电流上升，控制器通常能快速达到目标值。若在接近基速时执行相同的阶跃响应，则指令值会受限于直流链路限制。此时，即使增益完全相同，电流上升速度也会变慢，且转矩曲线会变得较为平缓。

这就是为什么测试台上的结果会让仅在静止状态下进行调试的团队感到意外。高速电流调节器无法弥补电压余量的不足。当电机电感较低时，额外的带宽还会放大噪声或纹波。如果要评估扭矩感觉，工作点的重要性不亚于控制器设置。

哪种开关频率适合某款牵引逆变器型号

适合牵引逆变器的开关频率，是在特定电机和转速范围内，能够平衡电流纹波、开关损耗、控制分辨率和噪音限制的频率。大多数电动汽车驱动系统的开关频率介于几千赫兹到低数十千赫兹之间。一个好的模型应该对该范围进行测试，而不是凭空猜测。

将8 kHz桥式逆变器与高电感电机搭配使用，可将纹波控制在可接受范围内，并将损耗控制在较低水平。低电感永磁电机通常需要更高的频率或更大的相电压，才能达到相同的转矩平滑度。已发表的关于碳化硅汽车牵引逆变器的评测报告显示，其峰值效率超过98%，因此即使是很小的频率偏移也会消耗热裕度。这使得仅凭惯例来选择频率已无太大余地。

频率的选择也会影响您需要模拟的内容。较低的频率使纹波和声学成分更容易观察到；较高的频率则要求更密切地关注开关损耗和器件温升。除非电机和逆变器被纳入同一个模型中，否则您无法确定哪种方案更优。

模拟的保真度应与所提出的问题相匹配

仿真细节应与工程问题相匹配，因为精度不当在某些情况下会浪费时间，在另一些情况下则会掩盖答案。对于能量流和广泛的控制检查，采用平均值模型即可。而对于纹波、应力、死区时间及保护研究，则需要采用开关模型。

车辆级续航里程研究无需考虑每个开关沿。而低速下的扭矩阶跃研究通常需要考虑。下表可帮助您快速核对模型细节是否与您期望的答案相符。这种规范既能控制仿真时间，又不会剔除决定结果的物理机制。

如果要研究的是设备应力，一个平滑的平均模型虽然看起来整洁，却仍会误导你。如果要研究的是循环能耗，一个完整的开关模型不仅会耗费时间，而且几乎不会带来什么价值。良好的保真度并不在于细节的极致，而在于保留那些决定最终结果的关键细节。

“除非电机和变频器属于同一型号，否则你无法知道哪种搭配更优。”

常见的设置错误会导致预测的扭矩响应出现偏差

当微小的设置误差破坏了变频器物理特性、电机状态与控制极限之间的关联时，仿真中的转矩响应往往比硬件上的表现更好。最严重的错误往往简单、可重复且本可避免。这使得它们尤为危险，因为在达到第一个重载工作点之前，曲线图看起来依然很正常。

大多数不良结果都源于少数几种设置习惯。每一种习惯背后都隐藏着不同的物理限制。波形清晰并不意味着模型是可靠的。这些检查能及早发现虚假的自信。

• 当死区时间和器件压降共同作用时，使用理想开关可调节低速电流。
• 将永磁电机模型与针对另一种电机类型调优的控制方程相结合。
• 在静止状态下调整电流环，并信赖接近基准转速时的增益。
• 在检查速度图上的纹波和损耗之前，先选择一个开关频率。
• 仅对转矩进行验证，而忽略了设备电流、直流链路纹波和热应力。

当模型中省略的细节是经过深思熟虑且有明确说明时，该模型才能赢得信任。这是您在进行任何牵引逆变器或电动机驱动研究时应遵循的标准。SPS SOFTWARE完全符合这种工作方式，因为您可以在一个平台上对逆变器、控制系统和电机进行检查，并在评估设备应力同时判断扭矩响应。清晰的模型虽然无法消除权衡取舍，但能让您清楚地了解这些权衡取舍的来源。