電動(dòng)汽車電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)力特性與電機(jī)參數(shù)匹配

1、電動(dòng)汽車電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)力特性與電機(jī)參數(shù)匹配摘要：隨著人們對(duì)電動(dòng)汽車的行駛效率越來越高，人們?cè)陔姍C(jī)動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)領(lǐng)域內(nèi)進(jìn)行了深入的研究，本文綜述了電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)力特性、電機(jī)參數(shù)匹配以及現(xiàn)階段電機(jī)動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化匹配的相關(guān)研究。關(guān)鍵詞：電動(dòng)汽車；電機(jī)；動(dòng)力特性；參數(shù)匹配0 引言既日本的Prius及Insight等在全球的成功上市銷售后，在全世界引起了新一輪的電動(dòng)汽車的開發(fā)熱潮。電動(dòng)汽車正在以其清潔、高效和可持續(xù)的概念吸引著越來越多的人。電動(dòng)汽車動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是電動(dòng)汽車的心臟，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)的關(guān)鍵在于適當(dāng)設(shè)計(jì)其動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。即實(shí)現(xiàn)動(dòng)力電池組，電動(dòng)組和電機(jī)控制器的優(yōu)化匹配。電機(jī)是純電動(dòng)車輛唯一動(dòng)

2、力元件，它與能量源之間的能量流動(dòng)是通過功率轉(zhuǎn)化器進(jìn)行調(diào)節(jié)的。電機(jī)自身性能的好壞將直接影響電動(dòng)汽車的最高車速、加速性能、爬坡性能及續(xù)駛里程等，因此初步確定電機(jī)類型及其動(dòng)力特性進(jìn)而對(duì)電機(jī)進(jìn)行選擇是整車開發(fā)之前至關(guān)重要的工作。1 電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)力特性1.1 理想的電動(dòng)汽車電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)力特性在各種可能工況下，汽車行駛所需的功率、轉(zhuǎn)矩或驅(qū)動(dòng)力與行駛車速圍成的平面構(gòu)成汽車的驅(qū)動(dòng)特性場(chǎng)，受路面條件和動(dòng)力輸出約束，理想的汽車驅(qū)動(dòng)特性場(chǎng)如圖 1 所示1。其中Ft 為驅(qū)動(dòng)力，Nv為車速km/h。圖1 理想的汽車驅(qū)動(dòng)特性場(chǎng)根據(jù)汽車行駛的動(dòng)力學(xué)要求，最佳的汽車動(dòng)力傳動(dòng)系設(shè)計(jì)為在驅(qū)動(dòng)輪處獲得圖1所示的理想驅(qū)動(dòng)特性場(chǎng)，

3、評(píng)價(jià)和對(duì)比汽車動(dòng)力性能的指標(biāo)可選為汽車在驅(qū)動(dòng)輪處實(shí)際的輸出驅(qū)動(dòng)特性場(chǎng)占理想驅(qū)動(dòng)特性場(chǎng)的百分比，百分比越大動(dòng)力性能越佳。對(duì)于電動(dòng)汽車，為獲得最佳的動(dòng)力性能，對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的動(dòng)力特性要求是，在額定轉(zhuǎn)速以下為恒轉(zhuǎn)矩輸出，在額定轉(zhuǎn)速以上為恒功率輸出，如圖2。圖2 電機(jī)轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速特性與功率-轉(zhuǎn)速特性1.2 電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)力特性分析電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)輸出動(dòng)力特性應(yīng)滿足電動(dòng)汽車動(dòng)力性設(shè)計(jì)指標(biāo)需求：加速、爬坡、最高車速行駛。電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)區(qū)別于傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)具有一定的過載能力，借用內(nèi)燃機(jī)的相關(guān)概念采用峰值工作特性進(jìn)行描述，它表征了電動(dòng)汽車行駛的后備功率，與整車的加速、爬坡性能密切相關(guān)；而整車的巡航行駛性能與電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的連續(xù)

4、輸出特性(也稱為額定工作特性)相關(guān)。電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的峰值工作特性與設(shè)定的電機(jī)工作制密切相關(guān)。由于混合動(dòng)力電動(dòng)汽車與純電動(dòng)汽車中電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的工作模式有很大差別。對(duì)于純電動(dòng)汽車電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，采用5min工作制峰值工作動(dòng)力特性，對(duì)混合動(dòng)力電動(dòng)汽車電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，采用1min工作制峰值工作動(dòng)力特性。對(duì)于電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的峰值特性，文獻(xiàn)2給出了利用峰值工作制時(shí)間tp、峰值功率Pp及影響汽車加速性能的電機(jī)轉(zhuǎn)速因子x來描述。其中轉(zhuǎn)速因子x為：式中：nn為電機(jī)基速r/min，nm為電機(jī)最高工作轉(zhuǎn)速r/min。電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)額定工作特性是指電機(jī)在溫升允許范圍內(nèi)達(dá)到熱平衡并能夠長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)穩(wěn)定輸出轉(zhuǎn)矩的工作特性。電機(jī)額定工

5、作特性的設(shè)計(jì)應(yīng)能夠覆蓋汽車行駛特性場(chǎng)中時(shí)間分布最密集的區(qū)域。對(duì)電機(jī)額定特性的描述具體采用額定轉(zhuǎn)速nn、額定轉(zhuǎn)矩Tn及最高轉(zhuǎn)速nm等指標(biāo)。為表征電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的過載能力，采用峰值過載轉(zhuǎn)矩系數(shù)和峰值過載功率系數(shù)指標(biāo)，定義如下：T=TP/Tn式中T為電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)峰值過載轉(zhuǎn)矩系數(shù)， Tn為電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)額定轉(zhuǎn)矩N m。P=PP/Pn式中PP為電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)峰值過載功率系數(shù)，Pn為電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)額定功率kW。同時(shí)，考慮到電機(jī)的理想設(shè)計(jì)特性與實(shí)際測(cè)試特性會(huì)存在一定差異，文獻(xiàn)2中也給出了采用實(shí)測(cè)轉(zhuǎn)矩T與理想轉(zhuǎn)矩T0的負(fù)偏差百分比fT來描述這種差距。2 電動(dòng)汽車電機(jī)參數(shù)匹配2.1 基于車輛行駛動(dòng)力學(xué)模型匹配電機(jī)參數(shù)和

6、設(shè)計(jì)普通汽車不一樣的是，電動(dòng)汽車的驅(qū)動(dòng)力來自驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)，其速度-扭矩特性與內(nèi)燃機(jī)的截然不同，電動(dòng)機(jī)又有過載和“堵轉(zhuǎn)”特性，所以合理選擇電動(dòng)機(jī)的功率和傳動(dòng)比，將對(duì)純電動(dòng)汽車的動(dòng)力性能和整車?yán)m(xù)駛里程產(chǎn)生重大影響。一般通過建立動(dòng)力學(xué)數(shù)學(xué)模型來確定電機(jī)的基本參數(shù)。汽車行駛時(shí)功率平衡方程如下：其中：Pv車輛需求功率，KW； 0傳動(dòng)系效率； ua最高車速。Km/h； CD風(fēng)阻系數(shù)； G最大車重,N； A迎風(fēng)面積，m2； f滾動(dòng)阻力系數(shù)； 汽車旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)； duadt行駛加速度；按照上式可計(jì)算得到滿足車輛最高車速、最大爬坡度及加速性能時(shí)的車輛行駛功率需求，并以此作為電機(jī)的峰值功率下限值。2.2 動(dòng)力驅(qū)

7、動(dòng)系統(tǒng)關(guān)鍵部件匹配研究現(xiàn)狀依照上述方法匹配電機(jī)參數(shù)可以保證所選電機(jī)能夠滿足電動(dòng)車輛行駛的動(dòng)力性要求。然而隨著人們對(duì)電動(dòng)車的行駛效率的要求越來越高，單純依靠此法匹配電機(jī)參數(shù)難以實(shí)現(xiàn)車輛行駛的最有效率。電機(jī)及其動(dòng)力系統(tǒng)的一體化設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)效率最優(yōu)的動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)匹配。文獻(xiàn)3中給出了利用理論分析和仿真技術(shù)，基于車輛性能參數(shù)，考慮電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速范圍、效率、電池組能量需求、最大充放電電流及車輛傳動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)，進(jìn)行動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)關(guān)鍵部件的選型與參數(shù)匹配。文獻(xiàn)4考慮電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)及電池組高效工作區(qū)間，把動(dòng)力性與續(xù)駛里程作為設(shè)計(jì)指標(biāo)，討論了匹配純電動(dòng)汽車動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)主要參數(shù)的優(yōu)化算法。文獻(xiàn)5提出了基于車輛運(yùn)行城市道路工況，

8、結(jié)合車輛設(shè)計(jì)目標(biāo)，并考慮了電池組電壓及電池組質(zhì)量對(duì)車輛能耗的影響，對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)與動(dòng)力電池組進(jìn)行匹配以降低車輛能耗。文獻(xiàn)6 基于車輛實(shí)際運(yùn)行時(shí)電池組及電動(dòng)機(jī)狀態(tài)，開發(fā)了可用于指導(dǎo)動(dòng)力總成系統(tǒng)優(yōu)化匹配的電池組模型和能夠改善電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性的控制算法。3 總結(jié)提高電動(dòng)車的行駛效率，增加其續(xù)駛里程是電動(dòng)車研究的一個(gè)關(guān)鍵目標(biāo)，為實(shí)現(xiàn)該目標(biāo)，有必要對(duì)電動(dòng)車的動(dòng)力、驅(qū)動(dòng)、傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行一體化設(shè)計(jì)。綜合考慮動(dòng)力電池組效率、控制器效率、電機(jī)效率、傳動(dòng)效率以及車輛行駛的道路工況，合理匹配各個(gè)部件參數(shù)并設(shè)計(jì)效率最優(yōu)的控制策略。4 參考文獻(xiàn)1M.米奇克.汽車動(dòng)力學(xué)(C 卷)M.陳蔭三,譯.北京:北京人民交通出版,1

9、997.2何洪文,余曉江,孫逢春,張承寧.電動(dòng)汽車電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)力特性分析C. 中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào). 2006,26(6)3 Rahman Z，Ehsani M，Butler K LAn investigation of electric motor drive characteristics for EV and HEV propulsion systemsC/SAE Technical Paper SeriesUSA：SAE Publication GroupPaper Number：2000-01-30624Ehsani M, Gao Y M, Emadi A. Modern Electric, Hybrid Electric and Fuel Cell Vehicles Fundamentals, Theory, and DesignM. Boca Raton: CRC Press, 2010.5黃萬友,程勇,曹紅,王宏棟. 純電動(dòng)汽車動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)匹配試驗(yàn)C. 江蘇大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）. 2013,34(2).6Julia K, Bernhard G J, Christoph S, et al. Eficie