城市重載電動汽車適配功率電機(jī)可行性研究

關(guān)玉明　王錫瑞　燕　唐　劉　琴　劉晨晨

河北工業(yè)大學(xué)，天津，300130

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城市重載電動汽車適配功率電機(jī)可行性研究

關(guān)玉明王錫瑞燕唐劉琴劉晨晨

河北工業(yè)大學(xué)，天津，300130

為滿足城市重載電動汽車獨特的行駛特點以及其驅(qū)動電機(jī)的要求，提出了一種新型永磁電機(jī)結(jié)構(gòu)——適配功率電機(jī)(PAM)。PAM電機(jī)不僅繼承了永磁直流電機(jī)高啟動扭矩、結(jié)構(gòu)簡單可靠、易控制的特點，同時也可以滿足城市重載電動汽車行駛速度低、啟動剎車頻繁、載重量大的行駛特點。以一臺6/8kW的PAM樣機(jī)為例，分析其外特性曲線與城市重載電動汽車驅(qū)動電機(jī)的匹配情況，從整個轉(zhuǎn)速區(qū)間全面分析PAM電機(jī)的運行特點。最終通過分析研究與實驗驗證，PAM電機(jī)作為城市重載電動汽車的驅(qū)動電機(jī)具有一定優(yōu)勢。

重載電動汽車; 驅(qū)動電機(jī); 外特性曲線; 適配

0　引言

目前，包括城市電動公交車、城市物流車、環(huán)衛(wèi)卡車等多種車輛在內(nèi)的城市重載電動汽車均屬于低速電動汽車。這類車輛長時間行駛在市內(nèi)道路，車速普遍不超過40 km/h，極速一般不超過80 km/h且維持時間較短；并且，因目前大部分市內(nèi)道路擁堵、交通信號燈設(shè)置合理性較差等原因，這類車輛需要頻繁啟動與停止；此外，這類車輛與普通乘用車最大的不同就是其載重量較大(車體重量可大可小)，其載重量往往是自身重量的0.8倍到1.6倍。因此，行駛速度低、啟動剎車頻繁以及載重量大是這類車輛的常見特點。綜上所述，此類城市重載電動汽車的行駛特點對其驅(qū)動電機(jī)提出了不同于普通乘用車的動力性能要求。然而，現(xiàn)有驅(qū)動電機(jī)技術(shù)來源于工業(yè)電機(jī)，工業(yè)電機(jī)單一額定參數(shù)的特點可以使其在額定轉(zhuǎn)速附近有較高的效率，但是當(dāng)工業(yè)電機(jī)運行在高于或低于額定轉(zhuǎn)速的速度區(qū)間內(nèi)時，其效率很難得到保證，尤其是頻繁啟停，更是對現(xiàn)有驅(qū)動電機(jī)的極大考驗，且電能的浪費主要是在頻繁啟停中。

目前，城市重載電動汽車的專用驅(qū)動電機(jī)較少，通常以永磁同步電機(jī)和異步交流電機(jī)代用。永磁同步電機(jī)作為電動汽車的驅(qū)動電機(jī)有著諸多優(yōu)點，如能量密度高、調(diào)速性能優(yōu)良等[1]。隨著變頻技術(shù)的不斷完善，調(diào)速性能差的異步交流電機(jī)因其容量大、可靠性高、壽命長等優(yōu)點也開始在城市重載電動汽車上使用。在考慮成本和技術(shù)難度的前提下，驅(qū)動電機(jī)的容量是有限的。為了達(dá)到高啟動扭矩、頻繁啟停以及高載重量的目標(biāo)，應(yīng)增大驅(qū)動電機(jī)的低速扭矩并且電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速不能過高，同時還必須保證相應(yīng)電動汽車擁有高效率高速行駛的能力，顯然，這兩者是相矛盾的。以目前的實際應(yīng)用而言，現(xiàn)有電機(jī)面對城市重載電動汽車獨特的動力需求都有不足。目前，為了滿足上述要求，城市電動公交車多數(shù)采用“電機(jī)+減速器+變速箱”的組合[2-5]。選用減速器與變速箱勢必會增加整車成本，同時也在一定程度上削弱了“電機(jī)直驅(qū)”帶來的強(qiáng)動力表現(xiàn)和高效率表現(xiàn)。

針對城市重載電動汽車對驅(qū)動電機(jī)提出的要求，本文提出一種新型永磁電機(jī)結(jié)構(gòu)——適配功率電機(jī)(power adaptive motor，PAM),詳見專利《一種用于電動汽車的適配功率電機(jī)》(專利號：(ZL 2015 2 0010459.X))，所謂PAM電機(jī)是指用于電動汽車的可根據(jù)速度負(fù)載變換額定功率和機(jī)械特性的永磁電機(jī)。適配功率電機(jī)兼有永磁電機(jī)高功率密度、啟動扭矩大的特點，在直驅(qū)的情況下，可以在控制器的作用下同時表現(xiàn)出低速外特性“硬”和高速外特性“軟”的特點，在較小的合理容量下，PAM可以在保證城市重載電動汽車高效率的運行在0～40 km/h的速度區(qū)間同時保證其可以達(dá)到設(shè)計最高速度。與現(xiàn)有驅(qū)動電機(jī)相比，PAM更適用于城市重載電動汽車的行駛特點。

1　電機(jī)結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1電機(jī)結(jié)構(gòu)

圖1為利用SolidWorks軟件建立的6/8 kW的PAM樣機(jī)的三維模型。盤式換線轉(zhuǎn)接器具有至少兩組轉(zhuǎn)接接口；盤式換線接觸器具有至少兩組接觸片；線圈繞組具有至少兩組線圈。各組線圈繞組的引出線分別引出并接入盤式換線轉(zhuǎn)接器的轉(zhuǎn)接接口中，盤式轉(zhuǎn)接換線器各組引線分別接到盤式換線接觸器的接觸片上并通過電極觸頭與電源接通。

1.主軸　2.機(jī)殼　3.永磁極　4.線圈繞組5.盤式換線轉(zhuǎn)接器　6.盤式換線接觸器　7.電極觸頭圖1　PAM樣機(jī)SolidWorks模型

如圖2所示，盤式換線轉(zhuǎn)接器將整個電機(jī)內(nèi)部分為兩個獨立的密閉腔室，其中線圈繞組所在的腔室是免維護(hù)的；而盤式換向接觸器所在腔室是可以通過打開窺視蓋對里面的易損件進(jìn)行維護(hù)與更換的，此過程中不需要將電機(jī)整體拆散，因此可以極大縮短維護(hù)時間。

圖2　PAM樣機(jī)盤式轉(zhuǎn)接換向器結(jié)構(gòu)示意圖

圖3　PAM樣機(jī)繞組結(jié)構(gòu)示意圖

與其他電機(jī)的繞組不同，適配功率電機(jī)的每支繞組均有三個接線端，包括一個共用的接線端a和兩個獨立的接線端b和c，一組繞組的典型結(jié)構(gòu)示意圖見圖3。

共用的接線端a分別連接到盤式換向轉(zhuǎn)接器對應(yīng)的轉(zhuǎn)接插孔里，接線端b連接到盤式換線轉(zhuǎn)接器內(nèi)圈的轉(zhuǎn)接插孔里，同時接線端c連接到盤式換線轉(zhuǎn)接器外圈的轉(zhuǎn)接插孔里。

1.2工作原理

由于本電機(jī)的原型結(jié)構(gòu)為永磁直流電機(jī)，因此其工作原理與普通工作原理類似：轉(zhuǎn)子的電樞通電后產(chǎn)生磁場，與定子上的永磁鐵磁極相互作用并推動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)[6]。其不同點在于適配功率電機(jī)的結(jié)構(gòu)允許其兩組換向裝置可以單獨工作，由于各組換向裝置所連接的電樞線圈匝數(shù)不同，從而導(dǎo)致驅(qū)動電機(jī)表現(xiàn)出的外特性不同。由永磁直流電機(jī)的電磁模型得到下列數(shù)學(xué)關(guān)系式。

感應(yīng)電動勢表達(dá)式：

(1)

電磁轉(zhuǎn)矩表達(dá)式：

(2)

電壓平衡方程：

U=Ea+IaRa

(3)

式中，N為電樞線圈匝數(shù)；n為電機(jī)轉(zhuǎn)速；φ為磁通；p為電機(jī)極對數(shù)；a為并聯(lián)支路數(shù)；Ia為電機(jī)電流；Ra為電機(jī)電阻。

綜合式(1)～式(3)，整理得到永磁直流電機(jī)外特性表達(dá)式：

(4)

通過分析式(4)得，直流電機(jī)的的理想空載轉(zhuǎn)速為

(5)其中，參數(shù)a、p、φ、N均為常數(shù)，理想空載轉(zhuǎn)速和電機(jī)電壓成正比，即在額定轉(zhuǎn)速以下的調(diào)壓調(diào)速。

令n為零，得到電壓U下的啟動轉(zhuǎn)矩:

(6)

其中,參數(shù)p、Ra、N、φ均為常數(shù)，啟動轉(zhuǎn)矩和啟動電壓成正比。對于永磁直流電機(jī)，參數(shù)a、p、φ均無法改變，但是根據(jù)上一節(jié)對適配功率電機(jī)結(jié)構(gòu)的分析可知，適配功率電機(jī)的電樞線圈匝數(shù)N是可以改變的。分析式(5)與式(6)，在其他條件不變的前提下減少電樞線圈匝數(shù)N可以提高電機(jī)的最高轉(zhuǎn)速；雖然此時依然減小了轉(zhuǎn)矩輸出，但只要此時負(fù)載轉(zhuǎn)矩仍小于電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩，那么在輸出功率和輸入電壓不變的情況下電機(jī)可以達(dá)到更高的轉(zhuǎn)速。也就是說：當(dāng)適配功率電機(jī)的轉(zhuǎn)速達(dá)到一定值后，可以通過控制系統(tǒng)改變通電的繞組線圈匝數(shù)，從而使電機(jī)可以以較低的電壓達(dá)到較高的轉(zhuǎn)速。這里將改變通電繞組線圈匝數(shù)時電機(jī)的轉(zhuǎn)速點稱為超速點。轉(zhuǎn)速在超速點以下，電機(jī)的輸出表現(xiàn)為輸出扭矩大，動力強(qiáng)勁；轉(zhuǎn)速在超速點以上，電機(jī)的動力性能相對降低，在滿足車輛最高行駛速度的條件下，仍具備一定的動力性能。這種特性恰好可以滿足城市重載電動汽車的行駛特點：多數(shù)情況下行駛在擁堵路況，載重量大；最高速度需滿足城市快速路或外環(huán)線等道路的最低速度要求。

2　動力性能分析

為了在理論上進(jìn)一步證明PAM電機(jī)作為城市重載電動汽車驅(qū)動電機(jī)的應(yīng)用價值，本節(jié)利用MATLAB對PAM電機(jī)的機(jī)械特性進(jìn)行計算并得出相應(yīng)的特性曲線，分析該曲線對城市重載電動汽車在城市路況下行駛特點的適應(yīng)性，從而證明PAM電機(jī)在電動汽車領(lǐng)域的推廣應(yīng)用價值。

作為汽車的原動機(jī)，驅(qū)動電機(jī)輸出扭矩和轉(zhuǎn)速。驅(qū)動電機(jī)車輛的動力性能強(qiáng)弱是由驅(qū)動電機(jī)的扭矩轉(zhuǎn)速關(guān)系決定的，這種驅(qū)動電機(jī)扭矩與轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系就是指電機(jī)的外特性[7]。永磁直流電機(jī)的外特性曲線可以用式(4)來表達(dá)，而對于PAM電機(jī)而言，現(xiàn)有的控制策略是以轉(zhuǎn)速為節(jié)點來控制電機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的變換的。因此，PAM電機(jī)的外特性曲線應(yīng)該是以轉(zhuǎn)速為變量的分段函數(shù)，表達(dá)式如下：

(7)

式中，n0為超速點轉(zhuǎn)速。

為驗證PAM電機(jī)的性能特點，本節(jié)依照某城市小型電動環(huán)衛(wèi)車的相應(yīng)參數(shù)設(shè)計一臺6/8 kW的實驗用PAM樣機(jī)。此實驗用PAM樣機(jī)可通過后驅(qū)的形式對該小型電動環(huán)衛(wèi)車提供動力。對該實驗用PAM樣機(jī)的特性進(jìn)行理論分析并通過實驗得出實際的機(jī)械特性曲線，來驗證在城市重載電動汽車上PAM電機(jī)比傳統(tǒng)驅(qū)動電機(jī)擁有更好的性能特點。該城市小型電動環(huán)衛(wèi)車參數(shù)如表1所示。

表1　某小型電動環(huán)衛(wèi)車部分參數(shù)表

由表1可知，該環(huán)衛(wèi)車最大載重約為車輛自重的1.64倍，屬于重載電動汽車。

以超速點轉(zhuǎn)速n0=1500 r/min、功率P=6/8 kW、減匝前N=32且減匝后N=16的PAM樣機(jī)為例，結(jié)合式(1)與式(2)，部分參數(shù)如表2所示。

表2　PAM樣機(jī)部分參數(shù)表

根據(jù)上述樣機(jī)參數(shù)，運用MATLAB對PAM電機(jī)的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行計算并繪制其轉(zhuǎn)速-轉(zhuǎn)矩圖，其結(jié)果如圖4所示。

圖4　PAM樣機(jī)與某普通直流電機(jī)機(jī)械特性對比圖

圖4中包含PAM樣機(jī)與某城市小型電動環(huán)衛(wèi)車普通直流電機(jī)兩種電機(jī)的機(jī)械特性曲線，兩條曲線分別與兩條坐標(biāo)軸所圍成的區(qū)域是對應(yīng)兩種電機(jī)的工作區(qū)間。分析PAM樣機(jī)與某普通直流電機(jī)的機(jī)械特性曲線可以得出以下結(jié)論：

(1)當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速低于超速點(圖4中兩條虛線的交點，亦為n=1500 r/min處)轉(zhuǎn)速時，PAM電機(jī)的外特性曲線呈現(xiàn)“硬”特性；當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速高于超速點轉(zhuǎn)速時，PAM電機(jī)的外特性曲線呈現(xiàn)“軟”特性。

(2)通過對比兩種電機(jī)的外特性曲線可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)轉(zhuǎn)速較低時，兩種電機(jī)均能輸出較大轉(zhuǎn)矩，均能滿足低速、重載的性能要求；但當(dāng)電動汽車需要較高運行速度時，普通直流電機(jī)在滿足具有一定轉(zhuǎn)矩的條件下無法達(dá)到較高轉(zhuǎn)速，而如需達(dá)到較高轉(zhuǎn)速則必定增加電機(jī)功率，從而增加相應(yīng)的而成本。故當(dāng)電動汽車需要較高運行速度時,PAM電機(jī)具有一定的優(yōu)勢。

在電機(jī)容量有限的前提下，PAM在低速時外特性曲線相對平滑，這有利于外特性曲線向扭矩增大的方向延伸，增大了恒扭矩區(qū)的極限輸出扭矩，這一特性有利于城市重載電動汽車以較低的功率完成低速下的啟停與加速；同時，PAM電機(jī)在高速時外特性曲線相對陡峭，這有利于外特性曲線向轉(zhuǎn)速增大的方向延伸，增大了恒功率區(qū)的極限轉(zhuǎn)速，可提高城市重載電動汽車的最高速度。兩種特性相結(jié)合可擴(kuò)大相應(yīng)車輛的應(yīng)用場合，故PAM電機(jī)作為城市重載電動汽車電機(jī)具有較大的推廣價值。

3　樣機(jī)實驗驗證

3.1實驗系統(tǒng)簡介

為了進(jìn)一步驗證上述數(shù)學(xué)模型的正確性并校驗PAM電機(jī)外特性的正確性，需進(jìn)行實驗以驗證PAM電機(jī)的性能并通過分析PAM電機(jī)的機(jī)械特性驗證其在重載電動汽車領(lǐng)域的可行性。實驗用PAM電機(jī)如圖5所示。

圖5　實驗用PAM電機(jī)

電動汽車電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)的性能測試方法眾多，通過查閱文獻(xiàn)[8-11],從整車驅(qū)動特性、匹配標(biāo)定、阻力施加等各種因素上考慮，該實驗平臺由10kW直流電源、控制器、PAM樣機(jī)、測功機(jī)和配套計算機(jī)組成，該模型可以較好地模擬真實電動汽車的運行狀況。其組成示意圖見圖6。

圖6　實驗平臺組成示意圖

PAM樣機(jī)控制器采用32位定點DSP芯片TMS320F2812?？刂破髦鞒绦蛉鐖D7所示，主程序主要包括系統(tǒng)初始化、電機(jī)轉(zhuǎn)速信號測量、油門踏板位置檢測、油門踏板踩踏速度測量等功能。

圖7　控制器主程序圖

3.2實驗驗證

根據(jù)設(shè)計電壓設(shè)置控制器，并通過油門踏板控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，最終通過電源、油門、控制器、PAM電機(jī)、測功機(jī)與計算機(jī)等相關(guān)設(shè)備進(jìn)行實驗分析，通過測試相關(guān)轉(zhuǎn)速下的扭矩來繪制樣機(jī)的實際機(jī)械特性曲線。在實驗過程中需對電機(jī)施加阻力。汽車的行駛阻力可用常微分方程來確定：

(8)

式中，δ為汽車旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)；m為汽車質(zhì)量；v為汽車速度；k0、k1、k2分別是行駛阻力模型中的常數(shù)項、一次項和二次項系數(shù)，它們與汽車迎風(fēng)面積、風(fēng)速、車輪滾動摩擦因數(shù)等一系列因素有關(guān)。

上述公式對于阻力的計算較為復(fù)雜，通過查閱相關(guān)文獻(xiàn)，小型汽車在不同車速下的阻力可粗略概括，如表3所示[12]。

表3　不同車速下的阻力值

汽車在行駛過程中受到的阻力由驅(qū)動電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩與之相平衡。對測功機(jī)增加一個相應(yīng)的電流值，測功機(jī)內(nèi)部會產(chǎn)生一個抑制測功機(jī)旋轉(zhuǎn)的磁場，即相當(dāng)于施加了一個負(fù)荷。將相關(guān)轉(zhuǎn)速下的阻力換算成轉(zhuǎn)矩后，施加阻力后的PAM樣機(jī)實際機(jī)械特性曲線如圖8所示。為了便于理解PAM電機(jī)轉(zhuǎn)矩與功率之間的關(guān)系，在圖8中增加電機(jī)功率坐標(biāo)軸(Y軸)，即在PAM電機(jī)機(jī)械特性曲線的基礎(chǔ)上增加功率與轉(zhuǎn)矩之間的關(guān)系。

圖8　PAM樣機(jī)實測外特性曲線

圖8是在PAM樣機(jī)機(jī)械特性曲線的基礎(chǔ)上增加了轉(zhuǎn)矩與功率的關(guān)系曲線。通過對比數(shù)學(xué)模型的外特性曲線與實驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)：

(1)實驗結(jié)果的PAM電機(jī)外特性曲線與數(shù)學(xué)模型的外特性曲線變化趨勢基本吻合，說明實驗樣機(jī)可以滿足重載電動汽車的動力需求；然而在同一轉(zhuǎn)速下實驗測得的PAM樣機(jī)的轉(zhuǎn)矩小于數(shù)學(xué)模型中的電機(jī)轉(zhuǎn)矩，可能是因為電阻的溫度效應(yīng)或?qū)嶒灄l件較差等原因造成的，這里不再詳述。

(2)根據(jù)實驗計算得出整個轉(zhuǎn)速區(qū)間上的功率，功率曲線由兩條類似于二次曲線的線型連接而成。當(dāng)PAM樣機(jī)啟動時，輸入電壓為140V，線圈匝數(shù)32，此時PAM樣機(jī)表現(xiàn)為低轉(zhuǎn)速高轉(zhuǎn)矩，相應(yīng)的功率曲線為一條二次曲線；當(dāng)PAM樣機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到超速點(圖8中對應(yīng)a點或b點)時，通過控制器對電樞繞組進(jìn)行減匝，線圈匝數(shù)減少為16，同時為避免繞組中電流過大，減匝瞬間輸入電壓降為100V。由于此時電機(jī)驅(qū)動的電動汽車行駛速度已較高，只要電機(jī)驅(qū)動轉(zhuǎn)矩不低于負(fù)載轉(zhuǎn)矩就可滿足電動汽車的行駛要求，故降低電壓是可行的。此時PAM樣機(jī)的功率曲線為另一條二次曲線；兩條二次曲線的交點對應(yīng)機(jī)械特性曲線上的a點，此處為超速點，轉(zhuǎn)速1500 r/min,相同轉(zhuǎn)速下的功率見c點或d點。PAM電機(jī)的輸出功率在兩段二次曲線上分別達(dá)到最大值；PAM電機(jī)超速點處的扭矩可以滿足車輛正常行駛要求，同時PAM電機(jī)在此處的輸出功率較低，從而保證車輛的高效運行。

4　結(jié)語

通過以上分析，PAM電機(jī)作為城市重載電動汽車驅(qū)動電機(jī)有著獨特的優(yōu)勢，相比現(xiàn)有工業(yè)電機(jī)，PAM電機(jī)更加適應(yīng)重載電動汽車啟動扭矩大、極速不高的特點，同時兼?zhèn)涞退佟坝病碧匦院透咚佟败洝碧匦缘膬?yōu)點，能以較低的容量在低速時輸出較高扭矩，同時又能以較低的電壓達(dá)到高轉(zhuǎn)速。綜上所述，PAM電機(jī)作為重載電動汽車驅(qū)動電機(jī)具有較大的優(yōu)勢，可作為重載電動汽車驅(qū)動電機(jī)的發(fā)展趨勢與研究方向。

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(編輯袁興玲)

Research on Power Adaptive Motor Used for City Overloading Electric Vehicles

Guan YumingWang XiruiYan TangLiu QinLiu Chenchen

Hebei University of Technology, Tianjin, 300130

To meet the requirements of the drive motor, which possessed the city overload electric vehicle of unique characteristics of driving, a new structure of power adaptive motor(PAM) was proposed. PAM inherited the characteristics of the permanent magnet DC motor, which possessed high starting torque, simple and reliable structure, easy control, and so on, and might satisfy the characteristics of the city overload electric vehicles, such as low speed, starting and breaking frequently, and large loading capacity. This paper took a 6/8kW prototype as an example and analysed the matching of the external characteristic curve and the city overload electric vehicles. Then the operating characteristics of the PAM were analysed from the entire rotate speed range. Finally, through the analyses and experimental validation, PAM as the city overload electric vehicle motor has certain advantages.

overload electric vehicle；drive motor；external characteristic curve；adaptive

2015-12-02

U464.9

10.3969/j.issn.1004-132X.2016.19.022

關(guān)玉明，男，1957年生。河北工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院教授、博士研究生導(dǎo)師。主要研究方向為機(jī)電一體化成套設(shè)備及關(guān)鍵部件。發(fā)明專利5項，實用新型專利6項，發(fā)表論文30余篇。王錫瑞，男，1992年生。河北工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院碩士研究生。燕唐，男，1990年生。河北工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院碩士研究生。劉琴，女，1992年生。河北工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院碩士研究生。劉晨晨，男，1989年生。河北工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院碩士研究生。