电动汽车动力总成解读 ︱转矩纹波

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)

威力传动申请一种电机控制器的BUCK-BOOST电路PCBLayout专利，电源性能可靠稳定、电源负载能力强、输出纹波小

金融界2024年5月29日消息，据国家知识产权局公告，银川威力传动技术股份有限公司申请一项名为“一种电机控制器的BUCK-BOOST电路PCBLayout“，公开号CN202410265743.5，申请日期为2024年3月。

专利摘要显示，一种电机控制器的BUCK‑BOOST电路PCB Layout，涉及电机控制器技术领域，其能够有效提高自身的抗干扰能力，保证电路的电源完整性，使得电源性能可靠稳定、电源负载能力强、输出纹波小。所述电机控制器的BUCK‑BOOST电路PCB Layout中，第一个回路从输入电容器开始，到降压开关，电感器，升压开关，回到输入电容器；第二个回路从电感器开始，到输出二极管，输出电容器，再循环二极管，返回到电感器；最小化这两个回路的PCB面积能够减少杂散电感，并最小化噪声和不稳定操作的可能性；将所有低电流接地连接，并直接连接到调节器GND引脚；通过覆盖整个设备底部的顶部铜质区域，将GND引脚连接在一起。

本文源自金融界

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