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湖南省科学技术进步奖提名书 (

2019 年度)

一、项目基本情况 湖南省科学技术奖励工作办公室制 奖励类别: 技术创新类 提名单位(专家) 邵阳市科技局 项目名称 车用永磁电机驱动系统关键技术及应用 主要完成人 林立,陈玮,陈鸿蔚,万炳呈,尹进田,石书琪,彭志华 主要完成单位 邵阳学院,湘电集团有限公司,湖南耐为电控技术有限公司 省财政资金拨款单位 省科技厅 项目密级 非密 定密日期 保密期限(年) 定密审查机构 学科分类 名称

1 电力拖动及其自动化 代码

4704057 2 电机学 代码

4704024 3 自动控制应用理论 代码

4131010 所属国民经济行业 汽车零部件及配件制造 所属国家重点发展领域 交通运输业 任务来源 省、市、自治区计划, 其它基金 具体计划、基金的名称和编号: [1]湖南省教育厅计划青年项目,小惯量伺服系统高性能非线性控制研究(11B111) [2]湖南省科技厅计划一般项目,车用内置式永磁同步电机节能技术应用服务平台(2012CK4043) [3]湖南省科技厅计划重点研发项目,电动汽车用永磁电机协同耦合设计及节能控制技术(2015GK3033) [4]湖南省教育厅计划重点项目,车用内置式永磁同步电机宽调速效率优化控制研究(16A191) [5]湖南省科技厅技术创新引导计划项目,燃气热水锅炉控制器共性技术研究(2015GK2033) 已呈交的科技报告编号: 745901348-2015GK3033/01 763254017-2015GK2033/01 授权发明专利(项)

2 授权的其他知识产权(项)

4 项目起止时间 起始: 2011年1月1日 完成: 2017年12月31日12019年度提名书预览版

二、提名意见 提名单位 邵阳市科技局 通讯地址 湖南邵阳大祥区城北路16号 邮政编码

422000 联系人刘佑林 联系电话 0739-5360552 电子邮箱 249729375@QQ.

COM 传真0739-5363522 提名意见: 我单位认真审阅了该项目推荐书及附件材料,确认全部材料真实有效,相关栏目均符合湖南省科学技 术奖励办公室的填写要求.按照要求,我单位和项目完成单位都已对该项目的拟推荐情况进行了公示,无 异议.该项目以开发电动汽车用永磁电机驱动系统关键技术及应用为目标,提出了多领域协同耦合、多层 面集成的永磁电机驱动系统优化设计方法,打破了国外技术垄断,实现了车用永磁电机控制器应用化生产 和国产化替代.提出了车用永磁电机控制系统硬件在环无缝连接快速开发实现技术,提升车用永磁电机及 其控制器的快速开发能力,缩短研发周期.在国内率先实现电动汽车用全数字化宽调速、效率优化永磁电 机矢量控制,显著提升了电动汽车驱动系统的效率和宽调速范围.在国内率先实现车用永磁电机控制系统 五桥逆变桥多功能容错控制,提升了乘车安全可靠性.采用项目技术开发的高密度永磁电机及控制器产品 关键技术指标达到省内领先水平,产品应用于国内主流新能源汽车,建立了我省具有自主知识产权的车用 永磁电机系统产业化应用实现技术,有力地推动了我国车用电驱动系统和新能源汽车产业技术进步,取得 了显著的经济与社会效益.本项目获授权专利6项,其中发明专利2项;

发表论文30篇,培养研究生20人 ,出版专著1部. 提名该项目为湖南省科学技术进步奖三等奖. 声明:本单位遵守《湖南省科学技术奖励办法》及其实施细则的有关规定,承诺遵守评审工作纪律 ,所提供的提名材料真实有效,且不存在任何违反《中华人民共和国保守国家秘密法》和《科学技术保密 规定》等相关法律法规及侵犯他人知识产权的情形.如有材料虚假或违纪行为,愿意承担相应责任并接受 相应处理.如产生争议,保证积极调查处理. 提名单位(盖章) 年月日提名项目等级(请在相应栏打 √ 进行选择) 一等奖 第一完成人签字: 年月日二等奖 三等奖 √ 说明:实行 定标定额 评审,一等奖评审落选项目不再降格参评

二、三等奖,二等奖评审落选项目 不再降格参评三等奖.评审公示后不受理对评审结果中有关提名等级的异议.请认真对照省科学技术进步 奖授奖条件,填写提名等级.

2 2019年度提名书预览版

三、项目简介 新能源电动汽车是我国汽车产业转型的必然选择,电机及其控制器是电动 汽车的关键零部件,攻克车用高转矩功率密度、高效率、宽调速范围永磁电机 及其控制器核心技术对于新能源电动汽车的发展意义重大. 从上世纪九十年代以来,我国长期不掌握先进车用永磁电机及其控制器的 核心技术,项目攻关长期面临两方面难题:车用永磁电机要满足 出力大、效 率高、密度高 等整车要求,设计目标多、约束强,国产材料性能又低于进口 材料,永磁电机优化设计难度大,性能较差;

在车用永磁电机控制器方面,高 效率宽调速范围控制算法被欧美、日本等发达国家封锁,永磁电机控制器效率 及宽调速范围是国外产品的 85%-90%,永磁电机控制品质低于国外先进产品. 在十余项湖南省科技计划项目及邵阳市科技计划项目支持下,经过项目团 队10 多年持续自主创新,该项目在车用永磁电机、控制器性能等方面取得重大 技术突破: (1)提出了车用永磁电机系统多领域协同耦合、多层面集成优化设计方 法.基于多领域、多层面集成优化的先进电机设计理念及其方法,实现永磁电 机的电磁、机械强度、散热能力与控制策略等不同领域的一体优化设计,从电 机概念设计、电机本体多物理场与驱动电路的耦合仿真分析、电机系统仿真与 应用控制等不同层面进行设计论证,解决车用永磁电机系统极限设计的多领域 精确分析以及多层面集成仿真的深层处技术难题.打破了国外技术垄断,实现 了车用永磁电机控制器应用化生产和国产化替代. (2)提出了车用永磁电机控制系统硬件在环无缝连接快速开发实现技术. 提出综合永磁电机电磁优化设计技术、逆变器及电机精确建模、虚拟逆变器、 虚拟永磁电机、控制算法的快速代码生成和硬件在环实验技术,提升车用永磁 电机及其控制器的快速开发能力,缩短研发周期,与国内外传统方法相比,性 能提高 30%,时间缩短一半. (3)在国内率先实现车用永磁电机控制系统五桥逆变桥多功能容错控制. 提出特殊的五相逆变桥设计技术,逆变桥采用五相直-交逆变电路结构,可运用 于三相、四相或五相永磁电机的驱动控制及容错控制,提升乘车安全可靠性. (4)在国内率先实现电动汽车用全数字化宽调速、效率优化永磁电机矢量 控制.提出了基于精确损耗模型的永磁电机效率优化宽调速控制,以此方法开 发的永磁电机控制器调速范围提高 20%,峰值效率超过 98.2%. 本项目获邵阳市科技进步二等奖,授权专利

6 项,其中发明专利

2 项;

发 表论文

30 篇,培养研究生

20 人,出版专著

1 部.关键技术应用于国内主流新 能源汽车,有力地推动了我国车用永磁电机电驱动系统技术进步和新能源汽车 产业发展,取得了显著的经济与社会效益. 项目经市科技局鉴定,认为 该项目建立了我省具有自主知识产权的车用 永磁电机系统产业化应用实现技术 ,成果整体技术处于省内领先水平.

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四、主要科技创新 1. 主要科技创新 (1)研究背景与总体思路 新能源电动汽车是我国汽车产业转型的必然选择,电机及其控制器是电动 汽车的关键零部件,攻克车用高转矩功率密度、高效率、宽调速范围永磁电机 及其控制器核心技术对于新能源电动汽车的发展意义重大. 从上世纪九十年代以来,我国长期不掌握先进车用永磁电机及其控制器的 核心技术,项目攻关长期面临两方面难题:车用永磁电机要满足 出力大、效 率高、密度高 等整车要求,设计目标多、约束强,国产材料性能又低于进口 材料,永磁电机优化设计难度大,性能较差;

在车用永磁电机控制器方面,高 效率宽调速范围控制算法被欧美、日本等发达国家封锁,永磁电机控制器效率 及宽调速范围是国外产品的 85%-90%,永磁电机控制品质低于国外先进产品. 在十余项湖南省科技计划项目及邵阳市科技计划项目支持下,经过项目团 队10 多年持续自主创新,该项目在车用永磁电机、控制器性能等方面取得重大 技术突破,并获得大量推广应用. (2)主要科技创新 ①率先提出了车用永磁电机系统多领域协同耦合、多层面集成优化设计方 法.基于多领域、多层面集成优化的先进电机设计理念及其方法,实现永磁电 机的电磁、机械强度、散热能力与控制策略等不同领域的一体优化设计,从电 机概念设计、电机本体多物理场与驱动电路的耦合仿真分析、电机系统仿真与 应用控制等不同层面进行设计论证,解决车用永磁电机系统极限设计的多领域 精确分析以及多层面集成仿真的深层处技术难题.打破了国外技术垄断,实现 了车用永磁电机控制器应用化生产和国产化替代. (所属学科:电力拖动及其自动化,电机学,自动控制应用理论;

旁证材 料:附件 2(1),附件 2(2),附件 6) 基于多领域(结构、电磁学、力学、热学)协同耦合、多层面(电机单元、 电力电子单元、数字控制单元及其控制策略)集成优化的车用永磁电机系统设 计方法如图

1 所示,利用电机设计基本理论,结合 Ansfot 和Simplorer 软件,建 立计及电、磁、热、力多领域电机协同耦合仿真平台,一方面提高电机的性能, 另一方面提高电机设计的效率,缩短研发周期.为实现这一目标,需解决电机 尺寸、参数和性能之间的关系及多领域协同耦合的设计技术难点,基于理论指

4 2019年度提名书预览版 导下的有限元剖分及细剖 分技术, 需搭建电机设计参 数和控制理论有效结合的 接口,做到无缝连接. 如图

1 所示, 基于多领 域、 多层面集成优化设计的 先进永磁电机设计分为三 大步骤: 1)永磁电机的概念设 计与结构仿真. 依据永磁电 机拓朴结构的集中参数磁 路系统模型、 热路系统模型 和机械系统模型快速评估 图1基于多领域协同耦合、多层面集成优化的 先进电机设计理念 永磁电机的电磁、热与力学性能以及电机的结构仿真,在此基础上进行永磁电 机的制造工艺等工程技术方案的分析论证. 2)永磁电机多物理场分析计算与设计方案验证.着眼于永磁电机内部的磁 场,应力场,温度物的精确分析计算.采用永磁电机本体多物理场与驱动电路 耦合仿真计算电机系统的电磁性能、综合永磁电机转子的电磁应力、离心应力、 热应力的性能分析,找出转子结构可靠性的薄弱环节,进行疲劳仿真与寿命估 计;

基于热网络与温度场混合模型,分析电机导热与冷却结构的性能,在此基 础上进行电机系统运行的热能管理仿真. 3)电机系统仿真与应用控制策略研究.其一,在Matlab/ Simulink 软件平 台上,依据电机集中参数模型进行电机驱动系统的性能仿真和控制策略研究, 如:最大转矩/电流控制和最大功率弱磁控制相结合的定子电流最优控制策略、 电感的耦合影响和转矩脉动分析与抑制等方面.其二,在Simplorer 软件平台与 Maxwell2D/3D 动态有限元软件平台上进行牵引电机驱动系统的场路耦合仿真和 多领域协同仿真.利用 Simplorer 提供的场路耦合仿真、模数混合仿真和后处理 功能、结合电力电子器件的特性,构建基于集中参数模型的电机驱动系统,分析IGBT 死区时间及死区补偿对转矩质量的影响, 最大限度地减少制作样机的次 数,缩短开发周期,降低开发成本. ②率先提出了车用永磁电机控制系统硬件在环无缝连接快速开发实现技 术.提出综合永磁电机电磁优化设计技术、逆变器及电机精确建模、虚拟逆变 器、虚拟永磁电机、控制算法的快速代码生成和硬件在环实验技术,提升车用

5 2019年度提名书预览版 永磁电机及其控制器的快速开发能力,缩短研发周期,与国内外传统方法相比, 性能提高 30%,时间缩短一半. (所属学科:电机学;

自动控制应用理论;

旁证材料:附件2(1),附件 2(2),附件:发明专利,见附件6) 提出电机电磁优化设计技术、多电机控制策略仿真技术、控制算法的 DSP 及C语言快速编程实现技术和硬件在环实验技术,获得优良的控制性能,提升 永磁电机控制系统的快速开发能力,缩短永磁电机控制系统的研发周期.该项 技术体现在以下三个方面: 1)永磁电机控制系统控制策略快速验证平台.如图

2 所示,根据实际需求, 研究所研发电机的高性能控制策略,基于 Matlab/Simulink 和Simplorer 软件,建 立离线的控制策略仿真模型,并将电机设计的模型,导入到控制策略模型中, 实现计及电、磁、热协同耦合设计技术的控制策略,逼近实际控制效果,而又 缩短研发周期,降低测试风险,建立这一平台,解决的核心技术是基于 VHDL 语言的电机设计模型和控制策略的有效连接,做到真正无缝. 2)永磁电机控制系统 DSP 程序快速生成平台.如图

3 所示,在永磁电机设 计平台和控制策略平台基础上,研究算法的 DSP 快速实现技术,解决的核心问 题是,基于 Matlab/ Simulink 和CCS 的无缝连接快速的将 Simulink 模型快速的 转换成 DSP 的C语言程序, 研究 DS........