前 言

主驅(qū)電機(jī)是電動汽車核心的部件之一，主要作用是產(chǎn)生驅(qū)動扭矩或制動扭矩，驅(qū)動車輛前進(jìn)并進(jìn)行動能回收。主驅(qū)電機(jī)系統(tǒng)一旦發(fā)生故障，可能導(dǎo)致車輛失控、高壓泄露等嚴(yán)重后果，直接威脅車內(nèi)乘客和車外行人的生命安全。因此，主驅(qū)電機(jī)的功能安全設(shè)計(jì)是電動汽車實(shí)現(xiàn)安全運(yùn)行的重要一環(huán)。2023年11月27號，國標(biāo)委發(fā)布了《GB/T 43254電動汽車用驅(qū)動電機(jī)系統(tǒng)功能安全要求及試驗(yàn)方法》，對主驅(qū)電機(jī)系統(tǒng)的功能安全要求和功能安全驗(yàn)證、確認(rèn)方法進(jìn)行了規(guī)定，從標(biāo)準(zhǔn)層面推動主驅(qū)電機(jī)系統(tǒng)的功能安全落地。

GB/T 43254-2023規(guī)定的主驅(qū)電機(jī)系統(tǒng)的安全目標(biāo)

從標(biāo)準(zhǔn)中可以看到，扭矩安全是主驅(qū)電機(jī)系統(tǒng)功能安全的重要組成部分。扭矩安全需要監(jiān)控主驅(qū)電機(jī)的實(shí)際輸出扭矩，防止主驅(qū)電機(jī)非預(yù)期輸出扭矩，以及輸出扭矩過大或者反向等故障。在主驅(qū)電機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)行過程中，需要實(shí)時估算電機(jī)的實(shí)際輸出扭矩，并比較其與請求扭矩之間的差值。因此，扭矩估算算法也成為主驅(qū)電機(jī)扭矩安全的重點(diǎn)。

目前常用的扭矩估算算法有三種，分別是：電流法、功率法和查表法。下面以永磁同步電機(jī)為例，分別介紹三種算法及其優(yōu)缺點(diǎn)。

01電流法

電流法是采用定子電流估算永磁同步電機(jī)的輸出扭矩，計(jì)算公式如式（1）所示。

te：估算扭矩

P0：電機(jī)極對數(shù)，電機(jī)參數(shù)

ψf：轉(zhuǎn)子磁鏈，電機(jī)參數(shù)

Ld、Lq：定子d軸同步電感、q軸同步電感，電機(jī)參數(shù)

ids、iqs：定子d軸電流、定子q軸電流。變量，定子三相電流（IA、IB、IC）經(jīng)過Clark變換和Park變換得到

優(yōu)點(diǎn)：標(biāo)定工作量小，需要的信號少，僅需要定子三相電流（IA、IB、IC）和旋變信號（用于計(jì)算轉(zhuǎn)子磁鏈方向，進(jìn)行Park變換）。

缺點(diǎn)：依賴于準(zhǔn)確的電機(jī)參數(shù)，有時不容易得到。

式（1）計(jì)算的是電機(jī)產(chǎn)生的扭矩，如果需要得到電機(jī)輸出軸上的扭矩，還需要考慮由于風(fēng)阻、摩擦因素造成的摩擦損耗。

02功率法

功率法是采用定子三相電流、定子三相電壓計(jì)算電機(jī)消耗的功率，再除以電機(jī)的機(jī)械轉(zhuǎn)速得到電機(jī)的扭矩，計(jì)算公式如式（2）所示。

te：估算扭矩

UA、UB、UC：定子三相電壓。變量，采用直流母線電壓和三相占空比重構(gòu)得到

IA、IB、IC：定子三相電流。變量，電流傳感器采樣

ωr：電機(jī)機(jī)械轉(zhuǎn)速。變量，基于旋變信號計(jì)算得到

優(yōu)點(diǎn)：標(biāo)定工作量小，而且不依賴于電機(jī)參數(shù)。

缺點(diǎn)：需要的信號多，需要同時采樣母線電壓、三相電流、三相占空比、旋變信號。在低轉(zhuǎn)速下，反電動勢小，三相電壓計(jì)算誤差大，造成功率法扭矩估算精度下降。

UAIA+UBIB+UCIC計(jì)算的是電機(jī)的輸出功率，如果要想得到電機(jī)輸出軸上的扭矩，需要考慮電機(jī)本身的鐵損、銅損和摩擦損耗。

03查表法

查表法是直接在測功機(jī)上標(biāo)定定子d軸電流ids、q軸電流iqs和電機(jī)輸出扭矩之間的對應(yīng)關(guān)系，得到（ids、iqs）與輸出扭矩之間的映射關(guān)系。在電機(jī)運(yùn)行過程中，通過查表得到電機(jī)的輸出扭矩。

te：估算扭矩

ids、iqs：定子d軸電流、定子q軸電流

優(yōu)點(diǎn)：不依賴于電機(jī)參數(shù)。

缺點(diǎn)：標(biāo)定工作量大，不同工況下，誤差相對較大。

電流法、功率法、查表法三種扭矩估算算法，各有自身的優(yōu)點(diǎn)和局限，也可以通過組合應(yīng)用，提高扭矩估算的精度。在實(shí)際項(xiàng)目中，我們可以根據(jù)擁有的資源和條件進(jìn)行選擇，也可以在滿足精度要求的基礎(chǔ)上，選擇成本低、工作量小的方法。功能安全開發(fā)的挑戰(zhàn)就在于，在確保安全、滿足需求的前提下，平衡好工程落地的難度和成本。