基于輕型混合動力車不同行駛模式的電機驅(qū)動系統(tǒng)研究*

夏 琦 韓志強 田 維 韓偉強 薛光明

（1-溫州大學(xué)甌江學(xué)院浙江溫州3250352-西華大學(xué)汽車與交通學(xué)院）

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基于輕型混合動力車不同行駛模式的電機驅(qū)動系統(tǒng)研究*

夏 琦1韓志強2田 維2韓偉強2薛光明1

（1-溫州大學(xué)甌江學(xué)院浙江溫州3250352-西華大學(xué)汽車與交通學(xué)院）

在混合動力車上采用平順行駛模式和急速行駛模式進行道路工況試驗，對兩種行駛模式下驅(qū)動電機的轉(zhuǎn)速、扭矩、電流和溫度等相關(guān)參數(shù)進行對比分析。結(jié)果表明：采用平順行駛模式時電機實際電流相對比較平穩(wěn)，且驅(qū)動電機繞線溫度和逆變器溫度均低于急速行駛模式，因此在平順行駛模式下，驅(qū)動電機的性能相對比較穩(wěn)定。

混合動力車行駛模式驅(qū)動電機

引言

隨著石油資源的日益匱乏和排放法規(guī)的日趨嚴格，新能源汽車逐漸成為汽車發(fā)展的重要研究方向，其中混合動力汽車是具有廣闊應(yīng)用前景的新能源汽車。為確?；旌蟿恿囋诘缆饭r中發(fā)揮良好的經(jīng)濟性和排放性能，除了良好匹配的驅(qū)動系統(tǒng)和蓄電池組，以及優(yōu)化控制策略以外[1-2]，不同行駛模式對混合動力系統(tǒng)產(chǎn)生的影響也是關(guān)鍵因素之一。

本文研究的混合動力車采用混聯(lián)方式，在平順行駛和急速行駛兩種模式下分別進行道路工況試驗研究，通過對兩種行駛模式下電機的轉(zhuǎn)速、扭矩、電流和溫度等相關(guān)參數(shù)對比分析，將混合動力車的瞬時行駛狀態(tài)與電機驅(qū)動系統(tǒng)各參數(shù)緊密聯(lián)系起來，以便更真實地反映不同行駛模式對驅(qū)動系統(tǒng)的影響。

1 試驗裝置和試驗方法

1.1 試驗裝置

在一輛輕型混聯(lián)式混合動力車上進行道路試驗，通過安裝一套采集系統(tǒng)對相關(guān)參數(shù)數(shù)據(jù)進行采集。試驗用輕型混合動力車所選用的發(fā)動機為本田WH125-6風(fēng)冷單缸四沖程汽油發(fā)動機，發(fā)動機主要參數(shù)如表1所示，試驗用驅(qū)動電機為無刷輪轂電機，電機參數(shù)如表2所示。

表1 試驗用發(fā)動機主要技術(shù)參數(shù)

表2 試驗用驅(qū)動電機參數(shù)

在該輕型混合動力車中，采用混聯(lián)方式將發(fā)動機、電機和蓄電池等部件組合成混合動力車的主要驅(qū)動系統(tǒng)。根據(jù)整車能量管理策略的需要，分別由發(fā)動機和電機為車輛提供相應(yīng)的動力[3]。電機通過控制器控制，可以工作在驅(qū)動狀態(tài)和發(fā)電狀態(tài)。蓄電池通過放電為驅(qū)動電機提供電流，通過吸收發(fā)電電流和電機制動電流進行充電。

1.2 試驗方法

采集系統(tǒng)每隔0.1 s對所有數(shù)據(jù)采集記錄一次，共記錄600次，即60 s。分別對平順行駛和急速行駛兩種模式下實時車速和實際行駛距離進行記錄，同時對驅(qū)動電機的轉(zhuǎn)速、扭矩、電流和溫度等相關(guān)數(shù)據(jù)進行采集記錄。通過對兩種行駛模式下各相關(guān)參數(shù)進行對比分析，研究混合動力車的瞬時行駛狀態(tài)與驅(qū)動系統(tǒng)之間緊密相關(guān)性，以便更真實地反映不同行駛模式對驅(qū)動系統(tǒng)的影響。

2 試驗結(jié)果分析

2.1 行駛距離

圖1為不同行駛模式下的行駛距離，從圖1可以看出，平順行駛模式下，從起步到停車整個過程相比均較平穩(wěn)；急速行駛模式下，從起步到停車整個過程，急加速急減速比較明顯。在急速行駛模式下，混合動力車從起步到停車共用時43 s，行駛距離為220.5 m，平均速度達到18.46 km/h；在平順行駛模式下，混合動力車從起步到停車共用時55.6 s，行駛距離為216.6，平均速度為14.02 km/h。

圖1 不同行駛模式下的行駛距離

2.2 實時車速

圖2為不同行駛模式下的實時車速，從圖2可以看出，在平順行駛模式下，從車速0加速到最大車速33 km/h，用時30 s，平均加速度為0.31 m/s2，但在急速行駛模式下，從車速0加速到最大車速，僅僅用時23.6 s，平均加速度達到0.41 m/s2。在平順行駛模式下，從最大車速33 km/h到車速降為0，用時23.1 s，平均減速度為0.39 m/s2，但在急速行駛模式下，從車速33 km/h降到0，所用時間僅為5.4 s，平均減速度為1.69 m/s2。與平順行駛模式相比，急速行駛模式有更大的急加速和急減速。

圖2 不同行駛模式下的實時車速

2.3 電機轉(zhuǎn)速

圖3為不同行駛模式下的電機轉(zhuǎn)速，從圖3可以看出，在平順行駛模式下，電機通過三次速度提升，共用時31.3 s，才使電機轉(zhuǎn)速達到最高值965 r/min；但在急速行駛模式下，驅(qū)動電機僅通過一次速度提升就使轉(zhuǎn)速達到1 024 r/min，不僅最高轉(zhuǎn)速超過平順行駛模式，而且用時僅11.6 s。在行駛25 s以后，兩種行駛模式都進入驅(qū)動電機轉(zhuǎn)速下降的過程，在這過程中，平順行駛模式共通過三次減速，用時23.3 s，將轉(zhuǎn)速降為0，而急速行駛模式僅用一次減速，用時僅19.6 s。因此，在急速行駛模式下，驅(qū)動電機經(jīng)歷了急加速和急減速狀態(tài)。

圖3 不同行駛模式下的電機轉(zhuǎn)速

2.4 電機扭矩

電機驅(qū)動的核心是電機轉(zhuǎn)速控制，而轉(zhuǎn)速控制的本質(zhì)是扭矩控制，是提高電機系統(tǒng)的驅(qū)動性能、行駛里程及可靠性的根本保證[4-5]。

圖4為不同行駛模式下的電機扭矩，從圖4可以看出，在加速過程中，急速行駛模式下，驅(qū)動電機啟動和輸出扭矩較為頻繁，且持續(xù)時間較長，達到25.6 s，而平順行駛模式的持續(xù)時間為10.4 s。相反，在減速過程中，平順行駛模式下，驅(qū)動電機反轉(zhuǎn)頻率較高，且持續(xù)時間較長，達到14.4 s，而急速行駛模式的持續(xù)時間為6.1 s。說明平順行駛模式在減速過程中對于能量的回收更多更有效。

圖4 不同行駛模式下的電機扭矩

2.5 電機繞線溫度

電機繞線通上電流后，電機鐵芯在磁場中產(chǎn)生運動，使電機繞線溫度升高。電機繞線溫度升高是電機設(shè)計及運行中的一項重要指標，標志著電機的發(fā)熱程度。

圖5為不同行駛模式下的電機繞線溫度，從圖5可以看出，在平順行駛模式中，電機繞線溫度恒定在56℃，在整個行駛過程中電機繞線溫度均比較穩(wěn)定。但急速行駛模式下，在急加速過程中，電機繞線溫度從56℃到57℃有明顯的躍升，并且電機繞線溫度提升后持續(xù)的時間高達20.1 s。表明，驅(qū)動電機的急加速過程能引起電機繞線溫度的躍升，主要原因是急加速需要更多能量，流過電機繞組的電流增大，引起驅(qū)動電機繞線溫度過快升高。

圖5 不同行駛模式下的電機繞線溫度

2.6 電機逆變器溫度

無刷直流電機是一種自控變頻的永磁同步電機，就其基本結(jié)構(gòu)而言，逆變器與永磁同步電動機和磁位置檢測電路三者組成了“電動機系統(tǒng)”[6-7]。逆變器是驅(qū)動電機的重要組成部分，逆變器的溫度變化能反映電機的溫度狀態(tài)和運行情況。逆變器的工作溫度與驅(qū)動電機的失效率密切相關(guān)。圖6為不同行駛模式下的電機逆變器溫度，從圖6可以看出，兩種行駛模式中，電機逆變器溫度的整體趨勢基本相同，都經(jīng)歷了由高到低后又有所回升的過程。但平順行駛模式的電機逆變器平均溫度為28℃，而急速行駛模式下的電機逆變器平均溫度高達32℃，比平順行駛模式平均高4℃。因此，急速行駛模式對電機逆變器的影響遠大于平順行駛模式，增大了電機逆變器失效概率。

圖6 不同行駛模式下的電機逆變器溫度

2.7 電機電壓

在電壓變化范圍不大的情況下，由于電壓降低，電機電流升高；電壓升高，電機電流降低。在一定范圍內(nèi)，鐵耗和銅耗可以相互補償，溫度基本保持在容許范圍內(nèi)。但電壓過低時，電機電流升得過高，會引起電機繞線組溫度過熱。圖7為不同行駛模式下的電機電壓，從圖7可以看出，急速行駛模式下，電機電壓下降的趨勢比平順行駛模式明顯。

圖7 不同行駛模式下的電機電壓

2.8 電機電流

電機電流增大，會使電機發(fā)熱，電機溫度過高會導(dǎo)致電機熱退磁現(xiàn)象，嚴重的會影響電機的驅(qū)動運行性能和使用壽命[8-10]。圖8為不同行駛模式下的電機電流，從圖8可以看出，在加速過程中，急速行駛模式的電機電流三次達到較高值，且持續(xù)時間較長，平順行駛模式下的電機電流達到較高值僅一次，且持續(xù)時間較短。在電機電流反向充電過程中，平順行駛模式的電機電流反向充電效果明顯高于急速行駛模式。

圖8 不同行駛模式下的電機電流

3 結(jié)論

1）在加速過程中，急速行駛模式下，驅(qū)動電機啟動和輸出扭矩較為頻繁，且持續(xù)時間較長；在減速過程中，平順行駛模式下，驅(qū)動電機反轉(zhuǎn)頻率較高，且持續(xù)時間較長。

2）平順行駛模式下的電機繞線溫度和逆變器溫度均低于急速行駛模式，平順行駛模式下的機電穩(wěn)定性優(yōu)于急速行駛模式。

3）平順行駛模式下的電機電流達到高值的次數(shù)明顯少于急速行駛模式，且電機電流反向充電效果明顯高于急速行駛模式。

1Yoshitaka Deguchi,Kouichi Kuroda,Makoto Shouji,et al. HEV charge/discharge control system based on navigation information[C].SAE Paper 2004-21-0028

2Johnson V H,Wipke K B,Rausen D J.HEV control strategy for real-time optimazation of fuel economy and emissions[C]. Futrue Car Congress.Crystal,USA:2000-01-1543

3MILLER J M.Propulsion systems for hybrid vehicles[R].IEE Power and Energy Series 45,2004

4Diallo D.,Benbouzid,M.E.H,Makouf,A.A fault-tolerant control architecture for induction motor drives in automotive applications[J].IEEE Transactions on Vehicular Technology, 2004,53(6):1847-1855

5Mehrdad Ehsani,Khwaja M..Evaluation of soft switching for EV and HEV motor drives[J].IEEE Trans on Industrial Electronics,2001,48(1):.82-90

6姜衛(wèi)東.混合動力電動汽車用無刷直流電機動態(tài)性能及控制策略的研究[D].合肥：合肥工業(yè)大學(xué)，2004

7譚徽.應(yīng)用于兩輪電動車輛的永磁無刷直流電機的研究[D].上海：上海大學(xué)，2000

8Ruiwu Cao,ChrisMi,Ming Cheng.Quantitative comparison of flux-switching permanent-magnet motors with interior permanent magnet motor for EV,HEV,and PHEV application[J]. IEEE Transactions on Magnetics,2012,48(8):2374-2384

9Jinxin.Fan,Chengning Zhang,Zhifu Wang,et al.Thermal analysis of water cooled surface mount permanent magnet electric motor for electric vehicle[C].Conference on ICEMS, 2010:1024-1028

10 G.Airoldi,G.L.Ingraml,K.Mahkamov,et al.Computations on heat transfer in axial flux permanent magnet machines[C]. Conference on ICEM,2008:1-6

Investigation on the Motor Drive System of Hybrid Electric Vehicle in Various Driving Modes

Xia Qi1,Han Zhiqiang2,Tian Wei2,Han Weiqiang2,Xue Guangming1
1-Oujiang College,Wenzhou University(Wenzhou,Zhejiang,325035,China) 2-School of Automobile&Transportation,Xihua University

In this paper,the road test of hybrid electric vehicle(HEV)has been experimentally investigated when using various driving modes,the motor performance has been demonstrated through comparing the smooth driving mode and the rapid driving mode,which including the related parameters such as speed, torque,current and temperature.The results show that,the actual current of motor is relatively stable using the smooth driving mode,meanwhile,the temperature of winding coils and inverter was lower than those of the rapid driving mode.Through comparing,the motor performance has been relatively stable using the smooth driving mode.

Hybrid electric vehicle(HEV),Driving mode,Motor

U469.72

A

2095-8234（2016）05-0070-04

2016-08-18）

國家自然科學(xué)基金資助項目（51406137），溫州市公益技術(shù)研究工業(yè)項目（G20140053），內(nèi)燃機燃燒學(xué)國家重點實驗室開放基金資助項目（K2015-06）。

夏琦（1982—），男，副教授，主要研究方向為發(fā)動機燃燒理論。

韓偉強（1985—），男，碩士生導(dǎo)師，主要研究方向為內(nèi)燃機清潔燃燒技術(shù)。