強(qiáng)文

(江蘇省鎮(zhèn)江市農(nóng)商銀行，江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

0 引言

隨著技術(shù)水平的發(fā)展，電動(dòng)汽車的性能不斷優(yōu)化升級(jí)，越來越多的領(lǐng)域應(yīng)用電動(dòng)汽車執(zhí)行運(yùn)輸任務(wù)，但由于運(yùn)輸環(huán)境的不同，電動(dòng)汽車所需承受的環(huán)境溫差較大，因此需要對(duì)電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)，在低溫環(huán)境中的適應(yīng)性進(jìn)行測(cè)試，以此確認(rèn)驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)所能承受的低溫極限，確保電動(dòng)汽車在該低溫環(huán)境極限內(nèi)，執(zhí)行運(yùn)輸任務(wù)[1]。國(guó)外的學(xué)者們也提出了兩種發(fā)電機(jī)適應(yīng)性測(cè)試方法，一種是渦扇發(fā)電機(jī)總壓畸變適應(yīng)性測(cè)試方法[2]，該方法在某加力燃燒室渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)上進(jìn)行了進(jìn)氣總壓畸變?cè)囼?yàn)，利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行建模和分析，得到了cvdbdg的工作包絡(luò)。另一種是橡膠波形發(fā)電機(jī)采用沖擊脈沖的高精度非線性動(dòng)力學(xué)模型和參數(shù)辨識(shí)適應(yīng)性測(cè)試方法[3]，該方法考慮了rwg的非線性粘彈性、rwg的幾何因子以及初始沖擊速度的影響，這兩種方法都沒有考慮低溫環(huán)境的影響。我國(guó)學(xué)者朱林等[4]提出了一種改進(jìn)的發(fā)電機(jī)聚合參數(shù)解析求解適應(yīng)性測(cè)試方法，該方法首先通過加入等價(jià)移相變壓器消除同調(diào)發(fā)電機(jī)合并至公共母線所帶來的電壓偏差,然后基于發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)的系數(shù)矩陣不變特性,利用發(fā)電機(jī)聚合前后在同步平面各軸系投影分量相等的特點(diǎn),直接獲取等值發(fā)電機(jī)模型參數(shù)，但是沒有進(jìn)行降噪處理。因此，針對(duì)這些問題，提出全新的發(fā)電機(jī)適應(yīng)性測(cè)試方法。該方法在傳統(tǒng)測(cè)試方法的基礎(chǔ)上，通過分析環(huán)境溫度和發(fā)電機(jī)工作特性之間的關(guān)系，設(shè)定精確程度更高的評(píng)估指標(biāo)，同時(shí)利用小波函數(shù)對(duì)測(cè)試信號(hào)降噪，實(shí)現(xiàn)更加精準(zhǔn)的發(fā)電機(jī)性能測(cè)試，為電動(dòng)汽車的應(yīng)用和發(fā)展，提供完備的技術(shù)支持。

1 低溫環(huán)境中電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)適應(yīng)性測(cè)試方法

1.1 獲取發(fā)電機(jī)在低溫環(huán)境中的工作特性

在低溫環(huán)境下，對(duì)電動(dòng)汽車發(fā)電機(jī)的適應(yīng)性測(cè)試，需要根據(jù)發(fā)電機(jī)本身材料的溫度特點(diǎn)，獲取發(fā)電機(jī)在低溫環(huán)境中的工作特性。通常計(jì)算發(fā)電機(jī)電磁材料的電阻值時(shí)一般為式(1)。

R=ρl/s0

(1)

(2)

根據(jù)電機(jī)學(xué)基本定理可知，同步電機(jī)電樞繞組的每相電阻計(jì)算方程為式(3)。

(3)

式中,D1表示每相串聯(lián)的匝數(shù)；l0表示線圈匝平均長(zhǎng)度；c1表示相繞組的并聯(lián)支路數(shù)；s01表示導(dǎo)體的截面積[5]。而電阻率與電機(jī)的使用環(huán)境溫度有關(guān)，其中銅電阻具有較高的電阻溫度系數(shù)，且在-60 ℃—+200 ℃的范圍內(nèi)，與環(huán)境溫度成線性關(guān)系。假設(shè)當(dāng)環(huán)境溫度為T時(shí)，電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)的電阻率ρT，可按照下列方程式進(jìn)行換算,如式(4)。

ρT=ρt[1+β(T-Δt)]

(4)

式中,ρt表示實(shí)際低溫環(huán)境溫度值為t時(shí)的電阻率；β表示導(dǎo)體電阻的溫度系數(shù)控制指標(biāo)；Δt表示浮動(dòng)誤差[6]。單相電阻與溫度之間的關(guān)系如圖1所示。

圖1 發(fā)電機(jī)單相電阻與環(huán)境溫度之間的關(guān)系曲線

從圖1可知，當(dāng)溫度為-45 ℃時(shí)，電阻值為0.011 Ω，溫度為-40 ℃時(shí)，電阻值為0.013 Ω，溫度為-35 ℃時(shí)，電阻值為0.015 Ω，溫度為-30 ℃時(shí)，電阻值為0.017 Ω，溫度為-25 ℃時(shí)，電阻值為0.017 5 Ω，溫度為-20 ℃時(shí)，電阻值為0.019 Ω，溫度為-15 ℃時(shí)，電阻值為0.02 Ω，溫度為-10 ℃時(shí)，電阻值為0.021 Ω，溫度為-5 ℃時(shí)，電阻值為0.022 5 Ω，溫度為0 ℃時(shí)，電阻值為0.024 Ω，由此可見，隨著溫度的增加，單相電阻值也不斷增加，環(huán)境溫度會(huì)影響發(fā)電機(jī)單向電阻，且二者之間呈正相關(guān)。

計(jì)算上圖中關(guān)系曲線的變化值，根據(jù)該值確定發(fā)電機(jī)在低溫環(huán)境中的工作指標(biāo),如式(5)。

(5)

式中,αγ表示在特性指標(biāo)γ影響下的發(fā)電機(jī)工作變動(dòng)指標(biāo)；T1表示發(fā)電機(jī)初始運(yùn)行階段的儀器溫度；T2表示設(shè)備運(yùn)行過程中的溫度；μT1表示初始階段的磁導(dǎo)率；μT2表示在低溫影響下的磁導(dǎo)率[7]。至此實(shí)現(xiàn)在低溫環(huán)境下，發(fā)電機(jī)的工作特性指標(biāo)。

1.2 設(shè)置發(fā)電機(jī)適應(yīng)性測(cè)試參數(shù)

以驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)在低溫環(huán)境下的工作特性為依據(jù)，根據(jù)發(fā)電機(jī)的基本參數(shù)，建立有限元模型，設(shè)置發(fā)電機(jī)適應(yīng)性測(cè)試參數(shù)。某一電動(dòng)汽車的驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)基本參數(shù)如表1所示。

表1 發(fā)電機(jī)基本參數(shù)

根據(jù)上式參數(shù)，計(jì)算發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的不平衡拉力，確定適應(yīng)性測(cè)試下，判別發(fā)電機(jī)狀態(tài)的評(píng)估指標(biāo)[8]。電場(chǎng)和電磁學(xué)控制原理表明，電場(chǎng)力、磁場(chǎng)力和發(fā)電機(jī)動(dòng)量之間具有相互作用關(guān)系，因此發(fā)電機(jī)的單位應(yīng)力為式(6)。

(6)

圖2 有限元模型結(jié)構(gòu)圖

觀察上圖可知，該模型在對(duì)發(fā)電機(jī)進(jìn)行適應(yīng)性測(cè)試時(shí)，根據(jù)工作特性指標(biāo)，對(duì)發(fā)電機(jī)的應(yīng)力情況進(jìn)行測(cè)試，而此時(shí)通過評(píng)估指標(biāo)，判別發(fā)電機(jī)在低溫環(huán)境下的適應(yīng)性，以此得出測(cè)試結(jié)果。該評(píng)估指標(biāo)可通過下列方程獲得如式(7)。

3）合理修剪。梨園要適度密植，通過合理修剪改善通風(fēng)透光條件，對(duì)減輕病害發(fā)生非常重要。修剪時(shí)要剪除密擠、冗長(zhǎng)的內(nèi)膛枝，疏除外圍過密、過旺、直立生長(zhǎng)枝條，對(duì)發(fā)病較重的樹要適當(dāng)重剪。同時(shí)調(diào)整好負(fù)載，以提高樹體抗性。

(7)

式中,E(t)表示評(píng)估結(jié)果；φ(t)表示跟蹤函數(shù)；σi表示環(huán)境條件為i時(shí)，適應(yīng)性測(cè)試基準(zhǔn)指標(biāo)；ω表示適應(yīng)性權(quán)重；N表示最大線圈數(shù)量；?表示發(fā)電機(jī)機(jī)械角度[10]。將該指標(biāo)評(píng)估作為發(fā)電機(jī)適應(yīng)性測(cè)試參數(shù)，實(shí)現(xiàn)低溫環(huán)境下，對(duì)電動(dòng)汽車發(fā)電機(jī)的性能測(cè)試。

1.3 分析信號(hào)輻射方式降低發(fā)電機(jī)信噪比

但由于驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)在適應(yīng)性測(cè)試過程中存在運(yùn)行噪聲，使測(cè)試得到的信號(hào)中存在大量噪聲，影響測(cè)試數(shù)據(jù)，以此需要根據(jù)電磁信號(hào)波動(dòng)規(guī)律，對(duì)測(cè)試信號(hào)進(jìn)行降噪處理。發(fā)電機(jī)工作原理圖如圖3所示。

圖3 發(fā)電機(jī)工作原理圖

發(fā)電機(jī)由渦輪、空氣軸承、壓縮器、發(fā)電機(jī)、進(jìn)氣口、發(fā)電機(jī)冷卻風(fēng)扇、排氣口、換熱器、燃油噴嘴和燃燒室組成，從進(jìn)氣口進(jìn)入的氣流在壓縮器內(nèi)被壓縮成高密度、高壓和低速的氣流，以增加發(fā)動(dòng)機(jī)的效率。氣流進(jìn)入燃燒室后，由燃油噴嘴噴射出燃料，在燃燒室內(nèi)與氣流混合并燃燒。燃燒后產(chǎn)生的高熱廢氣，接著會(huì)推動(dòng)渦輪機(jī)使其旋轉(zhuǎn)，然后帶著剩余的能量，通過換熱器進(jìn)行換熱，經(jīng)由噴嘴或排氣管排出來，由渦輪帶動(dòng)軸承產(chǎn)生電能，為防止發(fā)電機(jī)溫度過高，要通過發(fā)電機(jī)冷卻風(fēng)扇進(jìn)行冷卻。發(fā)電機(jī)由激勵(lì)源、振動(dòng)傳遞器和噪聲發(fā)射器組成，因此分析驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)的運(yùn)行噪聲傳播途徑，確認(rèn)噪聲是由激勵(lì)源向外輻射，還是經(jīng)過激勵(lì)源產(chǎn)生的力，作用到其他組件上引起的其他組件振動(dòng)，從而進(jìn)一步向外輻射噪聲。當(dāng)噪聲是由激勵(lì)源作用力而導(dǎo)致的，即快速轉(zhuǎn)動(dòng)的冷卻風(fēng)扇，將風(fēng)作用在扇葉上，使其產(chǎn)生壓力脈動(dòng)，進(jìn)而輻射出噪聲[11]。已知扇葉作用在質(zhì)點(diǎn)上的周期力頻率，與扇葉的旋轉(zhuǎn)噪聲頻率相同，如式(8)。

(8)

式中,fb表示扇葉旋轉(zhuǎn)噪聲頻率；m表示非零的自然數(shù)；Nb表示發(fā)動(dòng)機(jī)扇葉數(shù)目；v表示冷卻風(fēng)扇的轉(zhuǎn)動(dòng)流速。根據(jù)該計(jì)算結(jié)果，利用小波變化的方法，對(duì)適應(yīng)性測(cè)試降噪，小波是指通過伸縮平移運(yùn)算對(duì)信號(hào)(函數(shù))逐步進(jìn)行多尺度細(xì)化，最終達(dá)到高頻處時(shí)間細(xì)分，低頻處頻率細(xì)分，能自動(dòng)適應(yīng)時(shí)頻信號(hào)分析的要求，從而可聚焦到信號(hào)的任意細(xì)節(jié)。小波閾值去噪的基本思想是先設(shè)置一個(gè)臨界閾值λ，若小波系數(shù)小于λ，認(rèn)為該系數(shù)主要由噪聲引起，去除這部分系數(shù);若小波系數(shù)大于λ，則認(rèn)為此系數(shù)主要是由信號(hào)引起，保留這部分系數(shù)，然后對(duì)處理后的小波系數(shù)進(jìn)行小波逆變換得到去噪后的信號(hào)。去噪流程圖如圖4所示。

圖4 小波閾值法去噪流程

按照上述流程，利用雙正交l小波對(duì)含有噪音的發(fā)電機(jī)測(cè)試信號(hào)進(jìn)行降噪，該小波具有良好的正交性和對(duì)稱性，可將混雜在測(cè)試信號(hào)中的噪聲信號(hào)分離出來，該小波函數(shù)的表現(xiàn)形式為式(9)。

(9)

其中,r表示信號(hào)測(cè)試集重構(gòu)系數(shù)；d表示信號(hào)分離系數(shù)[12]。利用小波變換，將信號(hào)中的噪聲去除后，再次進(jìn)行信號(hào)重構(gòu)，得到的信號(hào)就是降噪后的信號(hào)，以此提升發(fā)電機(jī)適應(yīng)性測(cè)試信號(hào)的信噪比，增強(qiáng)測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性，實(shí)現(xiàn)在低溫環(huán)境下，對(duì)電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)適應(yīng)性測(cè)試。

2 對(duì)比實(shí)驗(yàn)

提出對(duì)比實(shí)驗(yàn)，將所提出的發(fā)電機(jī)適應(yīng)性測(cè)試方法，與傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)適應(yīng)性測(cè)試方法進(jìn)行比較，分析在低溫環(huán)境中，兩種方法對(duì)電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)的適應(yīng)性測(cè)試結(jié)果，是否與真實(shí)值相符。

2.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

搭建實(shí)驗(yàn)測(cè)試環(huán)境，該實(shí)驗(yàn)環(huán)境中的硬件組成包括轉(zhuǎn)速驅(qū)動(dòng)部分、溫度控制器、直流電子負(fù)載、信號(hào)調(diào)理箱、扭距傳感器、電壓傳感器、F/V傳感器、F/V轉(zhuǎn)換器、信號(hào)采集器、工業(yè)計(jì)算機(jī)、汽車用12 V蓄電池以及汽車用24 V蓄電池，其中，此次實(shí)驗(yàn)測(cè)試搭建的轉(zhuǎn)速驅(qū)動(dòng)部分硬件如圖5所示。

圖5 轉(zhuǎn)速驅(qū)動(dòng)部分硬件搭建示意圖

校核發(fā)電機(jī)和電動(dòng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)速點(diǎn)，其中發(fā)電機(jī)的輸入功率、輸出功率設(shè)定結(jié)果為式(10)。

(10)

式中,A表示發(fā)電機(jī)型號(hào)；UA表示輸出電壓；IA表示輸出電流；κA表示發(fā)電機(jī)效率，一般取值在60%-80%之間。根據(jù)式(10)，計(jì)算發(fā)電機(jī)的輸入轉(zhuǎn)置矩陣和轉(zhuǎn)出矩陣，得出額定轉(zhuǎn)速點(diǎn),如式(11)。

(11)

式中,TnA表示輸入轉(zhuǎn)置；TmA表示輸出轉(zhuǎn)置；c表示發(fā)電機(jī)基本運(yùn)行參數(shù)；n表示轉(zhuǎn)速；m表示額定轉(zhuǎn)速；r表示調(diào)速比。由于變頻電機(jī)具有額定點(diǎn)以下恒額定轉(zhuǎn)矩的特點(diǎn)，因此額定轉(zhuǎn)速點(diǎn)以下無需校核。因此同理上式，校核發(fā)電機(jī)的最高轉(zhuǎn)速點(diǎn)，當(dāng)TmA-max>TmA時(shí)，變頻電動(dòng)機(jī)滿足實(shí)驗(yàn)選用汽車發(fā)電機(jī)的測(cè)試要求。由于此次實(shí)驗(yàn)需要在低溫下進(jìn)行，因此利用設(shè)備，控制實(shí)驗(yàn)測(cè)試溫度,設(shè)備如圖6所示。

圖6 高低溫交變濕熱試驗(yàn)箱

通過高低溫交變濕熱試驗(yàn)箱，結(jié)合圖1發(fā)電機(jī)單相電阻與環(huán)境溫度之間的關(guān)系曲線，將實(shí)驗(yàn)測(cè)試環(huán)境溫度，控制在低溫范圍內(nèi)，為保證實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果具有說服性，設(shè)置若干個(gè)低溫測(cè)試環(huán)境，如表2所示。

表2 低溫測(cè)試環(huán)境基本參數(shù)

圖6中的設(shè)備，按照上表中的環(huán)境溫度，設(shè)置實(shí)驗(yàn)測(cè)試溫度，分別利用兩種測(cè)試方法，對(duì)電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)的適應(yīng)性進(jìn)行測(cè)試。

2.2 結(jié)果分析

將所提出測(cè)試方法作為實(shí)驗(yàn)組，將傳統(tǒng)測(cè)試方法作為對(duì)照組，此次實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果中，當(dāng)環(huán)境溫度為0 ℃時(shí)，發(fā)電機(jī)的適應(yīng)性測(cè)試結(jié)果如圖7所示。

圖7 0 ℃下的實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果

根據(jù)圖7中的曲線走勢(shì)可知，在5次對(duì)比測(cè)試下，所提出測(cè)試方法的信噪比，隨著信號(hào)量的增加而迅速提升；而傳統(tǒng)測(cè)試方法下，其信噪比雖然得到一定程度的提升，但遠(yuǎn)低于此次提出的測(cè)試方法。為保證實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果更具有普遍性，再對(duì)測(cè)試環(huán)境溫度為-40 ℃的實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果展開分析，比較2種測(cè)試方法的測(cè)試信噪比,如圖8所示。

圖8 -40 ℃下的實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果

在同樣的實(shí)驗(yàn)測(cè)試條件下，將測(cè)試環(huán)境溫度降至-40 ℃。根據(jù)圖8可知，所提出測(cè)試方法在低溫環(huán)境下，其測(cè)試信噪比與0 ℃時(shí)的值相比，變化較??；而傳統(tǒng)測(cè)試方法，其信噪比大幅度下降，發(fā)電機(jī)的適應(yīng)性測(cè)試結(jié)果嚴(yán)重失準(zhǔn)。綜合上述兩組測(cè)試結(jié)果，可確認(rèn)此次提出的測(cè)試方法，其信噪比更高，發(fā)電機(jī)適應(yīng)性測(cè)試結(jié)果誤差極小。

3 總結(jié)

此次提出的適應(yīng)性測(cè)試方法，在保證測(cè)試精準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，通過提升測(cè)試信號(hào)信噪比，將發(fā)電機(jī)的測(cè)試結(jié)果的真實(shí)性，又提升了一個(gè)高度，極大程度上降低了噪聲對(duì)測(cè)試結(jié)果的干擾，為電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)在低溫中的適應(yīng)性測(cè)試，提供更為嚴(yán)謹(jǐn)?shù)募夹g(shù)手段。但此次提出的方法，是在不考慮外部環(huán)境噪聲的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，當(dāng)進(jìn)行適應(yīng)性測(cè)試時(shí)，若有外界信號(hào)噪聲干擾，還是會(huì)影響測(cè)試結(jié)果，這一點(diǎn)需要注意。