電動汽車動力總成解讀 ︱轉矩紋波

導語：無論是傳統汽車，還是新能源汽車，整車廠一般會有這樣的要求：“轉矩波動：±5@0~100rpm，5%@>100rpm。那麼，究竟什麼是轉矩紋波呢？轉矩紋波究竟會對純電動汽車帶來哪些影響? 產生轉矩紋波的原因有哪些?

我們按如下幾部分進行解讀

1. 什麼是轉矩紋波？

2. 轉矩紋波會對電動汽車帶來哪些影響？

3. 轉矩紋波產生的因素

4. 轉矩紋波的測量

1. 什麼是轉矩紋波？

首先要明確一點，我們通常所謂的轉矩並非是一個靜態值，而是一個週期性擾動的量，這也説明了為什麼整車廠RFQ中會有轉矩控制精度的定義，如0~100Nm，轉矩控制精度±5Nm，>100Nm，轉矩控制精度±5%。

關於這一點，我們曾經在《 新能源電驅系統標準解讀與拓展： 轉矩控制精度 》也有説明。之前文章中，我們從理論角度，介紹了轉矩電流計算模型和轉矩能量計算模型，以此説明了轉矩精度和系統參數、環境因素的關係，本文我們從實際應用角度對轉矩精度做進一步的探討，引入本文主題：轉矩紋波。

那麼， 什麼是轉矩紋波？

如剛才介紹，轉矩 是一個與頻率和振幅相關的數據，而我們通常所理解的轉矩是經過平均或濾波之後的結果。如下圖所示， 紅色 表示電流， 藍色 表示轉矩。可以看出，在一個電流週期內，會有若干個轉矩紋波按一定的幅值重複出現。

2. 轉矩紋波會給電動汽車帶來哪些影響？

如下圖所示，紅色代表的瞬態轉矩，藍色代表平均轉矩，當我們把下圖黑框中現象放大之後，可以發現：雖然平均轉矩長期來看是穩定的，但是在此處存在一個高頻、高幅值的轉矩紋波，這進一步的會給整車/系統/部件都帶來很大的影響，簡單概括主要有以下幾方面：

1）轉矩紋波產生振動，進一步導致變速器內部齒輪、花鍵等齧合處因傳遞間隙的存在，產生衝擊、異響，還會嚴重影響部件和系統的壽命耐久。

2）轉矩紋波會對結構產生激勵。一方面會產生系統噪音；另一方面可能會導致共振傳遞至駕駛室內。

3）轉矩紋波的特性決定了其紋波振動頻率會隨電機轉速上升，高速下會產生嚴重的whining。

除了上述幾點原因之外，在新能源純電動汽車的匹配應用中，更要注意對轉矩紋波的控制，這主要由於電動汽車較傳統車高的能量轉化效率導致的。

我們都知道傳統發動機傳遞效率一般在30%~40&，但是純電動汽車的驅動系統其傳遞效率為85%~94%，這就意味着5%的誤差影響會導致系統最高效率可達99%，這是不可能發生的。這就需要我們在純電動汽車上更加重視對轉矩紋波的控制。

那麼，如何對轉矩紋波進行控制呢？這就需要我們瞭解導致轉矩紋波產生的原因。

3. 產生轉矩紋波的原因有哪些?

轉矩紋波主要來自於以下幾方面：

交流電流特性

轉矩紋波頻率和幅值與電機繞組數和電流頻率息息相關，隨着相位數的增加，轉矩紋波會緩和，但是頻率會加大。關於繞線工藝對轉矩紋波的優化，感興趣的讀者可以查查相關文章，有很多介紹。

控制方式（頻率）

下圖所示為不同控制方式下電壓/電流/轉矩的瞬態響應情況。可以明顯的看出，採用PWM控制，電流波形很漂亮，且轉矩紋波較小；當切換至6步之後，頻率降低，電流波形變差，紋波明顯。

諧波激勵

對上述兩種控制方式下的採樣值進行FFT，在頻域中對諧波進行分析，可以觀察到不同頻率下諧波含量對轉矩紋波的影響。

電機類型，以及內部齒槽、磁鐵的佈置形式

以PM為例，當我們轉動電機轉子的時候，會有嗡嗡響聲，這是因為永磁體和定子齒槽的相互作用，雖然説我們通過控制可以降低這種干擾，但是並不能徹底消除，轉矩紋波仍然存在。

更多的關於轉矩紋波的產生的原因，以及各因素背後的邏輯在這裏不做介紹，感興趣的讀者可自行查閲。

4.轉矩紋波的測量

轉矩紋波不可避免，對整車影響又是多方面的，那麼， 我們如何對系統的轉矩紋波進行測量，以真實反映系統的性能呢？

這就需要我們選用一款非常牛逼的轉矩傳感器，重點關注以下幾方面： 高精度、 高帶寬、 高降噪。以下圖簡單説明，下圖為三種不同帶寬下轉矩測量結果，可以發現，全帶寬下的轉矩幅值和頻率清晰可見；而100Hz下，由於相位延遲導致了幅值信息有所丟失。

最後要提醒下，轉矩紋波的存在，基本不會影響電驅動系統的輸出能力，。以 下圖説明這一結論。下圖 所示是一個加速的過程，可以看到，隨着轉速的上升，電功率和機械功率都在上升，在這個過程中會有轉矩紋波的產生，當我們放大這一區域，可以看到： 雖然轉矩紋波產生，但是機械功率的變化仍然很平緩，並沒有太大的差異。因此，我們更多地要重視轉矩紋波 對NVH、耐久等性能影響。

【Reference】

Measurement Introduction from Hottinger Baldwin Messtechnik GmbH (HBM)

本文來源於汽車之家車家號作者，不代表汽車之家的觀點立場。