電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)額定功率的確定和驗(yàn)證方法*

符敏利， 李益豐， 李 蓉， 史文波， 彭 俊

(1. 湖南南車時(shí)代電動(dòng)汽車股份有限公司，湖南 株洲 412007；2. 南車株洲電力機(jī)車研究所有限公司，湖南 株洲 412001)

0 引 言

電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)行特點(diǎn)與傳統(tǒng)工業(yè)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行特點(diǎn)截然不同。傳統(tǒng)工業(yè)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)的負(fù)荷和轉(zhuǎn)速基本保持不變。電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)的運(yùn)行負(fù)荷隨時(shí)間不斷變化，是典型的斷續(xù)周期工作制。通常為了試驗(yàn)方便，可以將變化的負(fù)荷等效為一個(gè)確定的負(fù)荷，即以額定功率進(jìn)行試驗(yàn)。

根據(jù)電機(jī)學(xué)原理[1]，驅(qū)動(dòng)電機(jī)的有效體積與額定轉(zhuǎn)矩和工作時(shí)間密切相關(guān)，因此額定功率的確定和溫升驗(yàn)證方法對(duì)保證電動(dòng)汽車動(dòng)力性、驅(qū)動(dòng)電機(jī)的可靠性，及避免過(guò)度設(shè)計(jì)非常重要。

目前，已有文獻(xiàn)提出了電動(dòng)汽車用驅(qū)動(dòng)電機(jī)額定功率的確定方法，主要有3種方式： (1) 將峰值功率除以過(guò)載系數(shù)即為額定功率[2]；(2) 將電動(dòng)汽車最高車速驅(qū)動(dòng)電機(jī)所需要的功率作為額定功率[3]；(3) 基于工況分析法確定電機(jī)額定功率[4]。其中，方法(1)和(2)沒(méi)有考慮具體運(yùn)行線路情況；方法(3)盡管考慮了運(yùn)行工況，但沒(méi)有考慮驅(qū)動(dòng)電機(jī)的具體特性和參數(shù)。

驗(yàn)證驅(qū)動(dòng)電機(jī)能否輸出規(guī)定功率的考核方法是在試驗(yàn)臺(tái)上對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)進(jìn)行溫升試驗(yàn)。目前，通用的試驗(yàn)有額定工況和峰值工況的溫升試驗(yàn)。

本文在介紹電動(dòng)汽車對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)動(dòng)力需求和驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)行特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，提出基于等效溫升法和等效電流法兩種方法確定額定功率，并探討了驅(qū)動(dòng)電機(jī)輸出能力的驗(yàn)證方法。

1 電動(dòng)汽車對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的動(dòng)力需求

驅(qū)動(dòng)電機(jī)作為電動(dòng)汽車的動(dòng)力，其作用： (1) 在牽引工況，將儲(chǔ)能系統(tǒng)的電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能，以保證驅(qū)動(dòng)電機(jī)動(dòng)力性能；(2) 在制動(dòng)工況，將車輛的動(dòng)能轉(zhuǎn)換成電能給儲(chǔ)能系統(tǒng)充電。

電動(dòng)汽車對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的動(dòng)力需求集中體現(xiàn)在驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速特性。

驅(qū)動(dòng)電機(jī)保證電動(dòng)汽車達(dá)到所規(guī)定的動(dòng)力性能。對(duì)于牽引工況，動(dòng)力性能包括爬坡性能、加速性能以及最高速度下的剩余加速度性能，所需要的轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速特性的最大外包絡(luò)線，即為驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速特性，如圖1所示。已有比較成熟的分析方法計(jì)算該特性。

圖1 驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速特性(牽引工況)

對(duì)于牽引工況，該曲線包括3段： (1) 低速恒轉(zhuǎn)矩階段，其作用是保證車輛的爬坡度和加速性能；(2) 恒功率階段，其作用是保證車輛到一定速度下的加速時(shí)間；(3) 自然特性，即功率與轉(zhuǎn)速成反比，其作用是保證車輛在最高車速下的性能。

該曲線包括了目前最常用的峰值轉(zhuǎn)矩Mmax、峰值功率Pmax兩個(gè)典型參數(shù)。

2 驅(qū)動(dòng)電機(jī)的運(yùn)行特點(diǎn)

電動(dòng)汽車在實(shí)際運(yùn)行中，并不是經(jīng)常運(yùn)行在最大包絡(luò)線特性上。對(duì)于純電驅(qū)動(dòng)電機(jī)，其運(yùn)行狀態(tài)一般包括起動(dòng)加速、恒速、制動(dòng)減速和停車等階段；對(duì)于混合動(dòng)力汽車，運(yùn)行狀態(tài)類似。運(yùn)行工況為典型的斷續(xù)周期工作制，即GB 755—2008[5]規(guī)定的S9。針對(duì)不同的線路特點(diǎn)，各國(guó)規(guī)定了電動(dòng)汽車不同的典型運(yùn)行工況，中國(guó)典型城市運(yùn)行工況、中國(guó)典型市郊運(yùn)行工況[6]分別如圖2、圖3所示。對(duì)于純電驅(qū)動(dòng)電機(jī)，將速度折算為驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，即為驅(qū)動(dòng)電機(jī)的速度-時(shí)間特性。

圖2 中國(guó)典型城市運(yùn)行工況

圖3 中國(guó)典型市郊運(yùn)行工況

根據(jù)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速特性及運(yùn)行工況，可計(jì)算出驅(qū)動(dòng)電機(jī)在不同運(yùn)行條件下的功率。

3 額定功率和額定轉(zhuǎn)速的確定

由于驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)行特點(diǎn)為典型的S9制，因此為了試驗(yàn)臺(tái)溫升試驗(yàn)的方便，引入了額定功率。電機(jī)的額定功率僅僅是為了方便在試驗(yàn)臺(tái)上考核電機(jī)的溫升而通過(guò)計(jì)算得出的功率。當(dāng)電動(dòng)汽車運(yùn)行線路和電動(dòng)機(jī)特性確定后，根據(jù)線路運(yùn)行要求來(lái)確定驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的額定功率。本文通過(guò)基于等效溫升法和等效電流法兩種方法確定其額定功率。

3.1 基于等效溫升法確定額定功率

額定功率實(shí)際上是等效功率，即驅(qū)動(dòng)電機(jī)在該功率運(yùn)行規(guī)定時(shí)間的溫升與其實(shí)際運(yùn)行時(shí)承受的斷續(xù)周期負(fù)載產(chǎn)生的溫升等效。其基本計(jì)算方法如下。

(1) 根據(jù)驅(qū)動(dòng)電機(jī)在實(shí)際運(yùn)行中每一個(gè)較小時(shí)間段的損耗和冷卻條件，采用不穩(wěn)定溫升的計(jì)算方法計(jì)算出驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)行在規(guī)定的運(yùn)行區(qū)間后的定子繞組的最高溫升ΔT1。

(2) 按照假定的額定功率P2、額定轉(zhuǎn)速下的損耗和冷卻條件，計(jì)算在規(guī)定時(shí)間t內(nèi)的定子繞組的溫升ΔT2。

(3) 若ΔT1=ΔT2，則所選擇的額定功率適當(dāng)；若不相等，則須按調(diào)整的額定功率，重復(fù)上述步驟。

為得到同樣的溫升ΔT，可以采用較大的P2和較小的t，或者采用較小的P2和較長(zhǎng)的t。當(dāng)t為無(wú)窮大時(shí)，P2即為持續(xù)功率，當(dāng)t為1h，P2即為小時(shí)功率。

3.2 基于等效電流法確定額定功率[7]

盡管基于等效溫升法來(lái)確定驅(qū)動(dòng)電機(jī)的額定功率是較為精確的一種方法，但計(jì)算方法非常復(fù)雜。因此，一般采用等效電流法確定額定功率。其基本思路如下。

根據(jù)驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速特性、線路斷面圖、運(yùn)行要求可以計(jì)算出任意時(shí)刻的電流曲線i=f(t)。等效電流IN為

式中：T——驅(qū)動(dòng)電機(jī)工作周期。

根據(jù)等效電流，可以計(jì)算出對(duì)應(yīng)的額定功率。

等效電流法與等效溫升法相比，存在假設(shè)： ① 不考慮驅(qū)動(dòng)電機(jī)的鐵耗、附加損耗等對(duì)溫升的影響；② 不考慮不同轉(zhuǎn)速下驅(qū)動(dòng)電機(jī)冷卻條件的變化對(duì)溫升的影響。

4 溫升試驗(yàn)方法的探討

為驗(yàn)證所開(kāi)發(fā)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)能否滿足所規(guī)定的運(yùn)行工況，須在試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行溫升試驗(yàn)。驅(qū)動(dòng)電機(jī)按照所規(guī)定的運(yùn)行工況運(yùn)行，電機(jī)各部分的允許溫升不得超過(guò)各部分的允許溫升限值。

目前，溫升考核試驗(yàn)方法有兩種： (1) 循環(huán)工況下的溫升試驗(yàn)；(2) 恒定負(fù)載的溫升試驗(yàn)。

4.1 循環(huán)工況下的溫升試驗(yàn)

將驅(qū)動(dòng)電機(jī)放在溫度為最高工作溫度的恒溫箱內(nèi)，按運(yùn)行工況(如中國(guó)典型城市運(yùn)行工況)計(jì)算出來(lái)的功率-時(shí)間關(guān)系給驅(qū)動(dòng)電機(jī)施加負(fù)荷，冷卻條件與驅(qū)動(dòng)電機(jī)在車上實(shí)際運(yùn)行的冷卻條件相同。要求試驗(yàn)的任一時(shí)刻，驅(qū)動(dòng)電機(jī)的溫升不得超過(guò)驅(qū)動(dòng)電機(jī)各部分的允許溫升。

該方法能真實(shí)反映驅(qū)動(dòng)電機(jī)的運(yùn)行特點(diǎn)，是一種準(zhǔn)確的驗(yàn)證方法。但該方法要求有動(dòng)態(tài)試驗(yàn)臺(tái)，試驗(yàn)條件要求苛刻，且試驗(yàn)較麻煩。另外，由于電動(dòng)汽車運(yùn)行線路的不確定性，無(wú)論是采用實(shí)際路況還是采用中國(guó)典型城市運(yùn)行工況，均不能把所有的情況包含在內(nèi)。

4.2 恒定負(fù)載的溫升試驗(yàn)

按照GB/T 18488.1[6]在試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行以下兩種恒定負(fù)載工況下的溫升試驗(yàn)。

(1) 按等效溫升法計(jì)算得到的額定功率、額定轉(zhuǎn)速進(jìn)行規(guī)定時(shí)間(根據(jù)工作制不同)的溫升試驗(yàn)。

(2) 峰值功率下的短時(shí)溫升試驗(yàn)。

4.3 幾種溫升試驗(yàn)方法的評(píng)價(jià)

嚴(yán)格上講，額定工況下的溫升試驗(yàn)與循環(huán)工況下的溫升試驗(yàn)的結(jié)果應(yīng)相同。如這樣，也證明額定功率的計(jì)算準(zhǔn)確。

額定功率下的溫升試驗(yàn)實(shí)際上考慮了驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)行在峰值工況出現(xiàn)的較大功率和作用時(shí)間，但為了考核驅(qū)動(dòng)電機(jī)的過(guò)載能力，一般要求進(jìn)行峰值工況下的溫升試驗(yàn)。按上述原則，峰值功率下的溫升比額定工況下的溫升要低。但由于工作時(shí)間難以確定，兩個(gè)溫升試驗(yàn)結(jié)果可能不相等。

5 輸出能力的試驗(yàn)驗(yàn)證方法的探討

為有效評(píng)判驅(qū)動(dòng)電機(jī)的輸出能力，必須對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)進(jìn)行溫升試驗(yàn)。建議的方法： (1) 優(yōu)先采用循環(huán)工況法的溫升試驗(yàn)；(2) 其次采用恒定負(fù)荷的溫升試驗(yàn)。

在恒定負(fù)荷的溫升試驗(yàn)中，必須在GB/T 18488.1規(guī)定的基礎(chǔ)上，進(jìn)行如下明確規(guī)定：

(1) 由于驅(qū)動(dòng)電機(jī)的最高環(huán)境工作溫度比GB 755約定的最高環(huán)境溫度高，因此需根據(jù)工作溫度的不同，對(duì)溫升限值進(jìn)行相應(yīng)的修正；

(2) 明確規(guī)定峰值功率的具體轉(zhuǎn)速點(diǎn)，即恒轉(zhuǎn)矩與恒功率交匯點(diǎn)，且峰值工況下的溫升試驗(yàn)從冷態(tài)開(kāi)始；

(3) 增加短時(shí)過(guò)載功率試驗(yàn)。當(dāng)電動(dòng)汽車掉進(jìn)某一坑時(shí)，為爬過(guò)該坑，要求驅(qū)動(dòng)電機(jī)的功率可能比峰值功率要高，但此時(shí)驅(qū)動(dòng)電機(jī)為熱態(tài)。具體試驗(yàn)方法： 驅(qū)動(dòng)電機(jī)處于熱態(tài)，施加一個(gè)短時(shí)過(guò)載功率運(yùn)行規(guī)定的時(shí)間，要求驅(qū)動(dòng)電機(jī)的溫升不超過(guò)其溫升限值。

6 結(jié) 語(yǔ)

本文根據(jù)驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)行特點(diǎn)，提出確定驅(qū)動(dòng)電機(jī)額定功率的具體方法，并對(duì)驗(yàn)證驅(qū)動(dòng)電機(jī)輸出能力的溫升試驗(yàn)具體方法進(jìn)行了探討。由于電動(dòng)汽車運(yùn)行線路的不確定性，因此建議比較驅(qū)動(dòng)電機(jī)在試驗(yàn)臺(tái)上的溫升和不同運(yùn)行場(chǎng)合的實(shí)際溫升，以統(tǒng)計(jì)出該場(chǎng)合運(yùn)行的驅(qū)動(dòng)電機(jī)的實(shí)際額定功率。其目的是設(shè)計(jì)出可靠且不過(guò)度設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)。

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