驱动电机模型

燃料电池汽车所要求的驱动电机输出特性（图 5−2），主要包括两个工作区：

（1） 基速（额定转速）以下的恒转矩工作区，主要保证燃料电池汽车的载重能力。

（2） 基速以上的恒功率工作区，主要保证燃料电池汽车有充足的加速空间。

图5−2 驱动电机期望外特性

电机在启动时，可以提供恒定转矩，一旦电机达到基速，输出功率就达到了额定功率。此后，电机将工作在恒功率状态下，直到电机达到最高转速。电机恒功率工作区的范围取决于电机的类型和控制策略。对一给定电机，显然整车的载重能力和加速性能是相互制约的。

在本书所研究的燃料电池汽车中，电机驱动系统主要由逆变器、电机和控制器构成，如图5−3所示。供电系统提供一定功率的直流电，逆变器根据控制器给定的控制策略将直流电逆变成特定的交流电或直流电用于驱动电机。

图5−3 电机驱动系统

建模采用输入/输出的系统观点，重点放在电机驱动系统模型的输入/输出特性上（此时逆变器、电机、控制器作为一个整体），同时考虑电机系统在运行过程中产生的热流量，忽略其内部复杂的物理过程，然后通过能量守恒建立输入/输出之间的函数关系。燃料电池汽车驱动电机系统要求电机可以工作在电动机和发电机两种不同的模式。电动机模式下提供动力驱动汽车行驶，发电机模式下实现制动能量回馈。因此，电机模型必须能够同时满足模拟这两种工作模式的要求。

根据燃料电池汽车整车系统控制分析的需要，电机及驱动系统的输入/输出模型如图5−4所示。输入量：期望转矩Γ（N·m），电源总线电压U（V）及与传动系统相连的转速ωm（rad/s）；输出量：电机转矩Γm（N·m）、电机转动惯量Jm（kg·m2）、期望输入电流Im （A）（注：发电机状态下为期望输出电流），以及产生的热流量dqm/dt （J/s）。

图5−4 电机及其驱动系统的输入/输出模型

建模方法一般可以分为机理建模法和实验建模法两种。应用机理法时，建模者从电机的工作原理及相关电气原理建立关于电机系统的数学方程式，从而实现电机系统动态建模；而应用实验法时，建模者根据电机系统的实验数据进行插值处理，完成电机系统的稳态建模。下面介绍这两种电机建模方法。