某A00純電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)的匹配及其標(biāo)定

譚明作

（柳州五菱柳機(jī)動(dòng)力有限公司，廣西柳州545005）

0 引言

能源危機(jī)和環(huán)境污染，這是當(dāng)今世界面臨的兩大難題。地球石油的蘊(yùn)藏量是有限的，石油資源將在未來(lái)一段時(shí)間內(nèi)耗竭，現(xiàn)在世界能源消費(fèi)是以石油為主導(dǎo)，為避免能源危機(jī)，必須要求能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)發(fā)生改變。改革開(kāi)放以來(lái)，我國(guó)經(jīng)濟(jì)得到快速發(fā)展，同時(shí)環(huán)境問(wèn)題也日益突出。我國(guó)汽車市場(chǎng)已經(jīng)成長(zhǎng)為世界第一大汽車市場(chǎng)，國(guó)家一直重視汽車的尾氣排放問(wèn)題，汽車排放法規(guī)即將更新至國(guó)六標(biāo)準(zhǔn)。同時(shí)，在解決汽車能源結(jié)構(gòu)問(wèn)題上，國(guó)家也在大力鼓勵(lì)PHEV、HEV、EV以及BSG/ISG弱混等新能源汽車的發(fā)展，并出臺(tái)政策支持。動(dòng)力電池成本持續(xù)減低，根據(jù)行業(yè)預(yù)測(cè)信息，到2020年，每千瓦時(shí)的電池成本有可能降低到80美元，新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展前景樂(lè)觀。隨著政策的產(chǎn)生和執(zhí)行，將帶動(dòng)汽車配套產(chǎn)業(yè)在新能源技術(shù)方面加速布局。

1 純電動(dòng)汽車整車電氣系統(tǒng)

除了傳統(tǒng)燃油車的控制單位，電動(dòng)汽車還需要增加整車控制器（VCU：Vehicle Control Unit）。VCU通過(guò)采集油門(mén)踏板、剎車踏板、檔位等信號(hào)，用以判定駕駛員的駕駛意圖；再通過(guò)監(jiān)控車輛狀態(tài)，如車速、水溫等信息，經(jīng)過(guò)判斷處理，然后向電機(jī)控制器（MCU：Motor Control Unit）和動(dòng)力電池管理系統(tǒng)（BMS：Battery Management System）發(fā)出控制指令，同時(shí)，VCU還對(duì)儀表、安全氣囊、空調(diào)壓縮機(jī)等車載電力系統(tǒng)進(jìn)行控制。

驅(qū)動(dòng)電機(jī)、動(dòng)力電池和整車控制器構(gòu)成了純電動(dòng)汽車的典型結(jié)構(gòu)。純電動(dòng)汽車整車電氣系統(tǒng)框架如圖1所示。

圖1 純電動(dòng)汽車整車電氣系統(tǒng)框圖

純電動(dòng)汽車整車控制系統(tǒng)的功能定義，主要包括節(jié)能管理、舒適控制以及安全保障等。驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)矩控制是整車控制系統(tǒng)功能的一個(gè)重要組成部分。純電動(dòng)汽車的動(dòng)力性能主要取決于驅(qū)動(dòng)電機(jī)、動(dòng)力電池、傳動(dòng)系統(tǒng)及電控系統(tǒng)之間匹配[1]。

在對(duì)純電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)進(jìn)行匹配設(shè)計(jì)時(shí)，可根據(jù)動(dòng)力系統(tǒng)指標(biāo)選擇合理的驅(qū)動(dòng)電機(jī)參數(shù)，以滿足整車的動(dòng)力需求。動(dòng)力系統(tǒng)評(píng)價(jià)指標(biāo)包括：最高車速、爬坡性能和加速性能。

2 驅(qū)動(dòng)電機(jī)參數(shù)的選擇和匹配

純電動(dòng)汽車的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)包括動(dòng)力電池、驅(qū)動(dòng)電機(jī)和電機(jī)控制器。驅(qū)動(dòng)電機(jī)是純電動(dòng)汽車的機(jī)械輸出單元。驅(qū)動(dòng)電機(jī)的參數(shù)匹配，如：峰值/額定功率、最高/額定轉(zhuǎn)速及峰值/額定扭矩等，需要根據(jù)整車的動(dòng)力性要求來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)，在兼顧性能的同時(shí)需要考慮成本因素[2]。

2.1 純電動(dòng)汽車運(yùn)動(dòng)力學(xué)

根據(jù)車輛運(yùn)動(dòng)過(guò)程的受力分析，可以分為驅(qū)動(dòng)力、滾動(dòng)阻力、空氣阻力、坡道阻力和加速阻力。汽車行駛過(guò)程受力示意圖如圖2所示。

圖2 汽車行車過(guò)程受力示意圖

根據(jù)圖2，可得出汽車勻速行駛過(guò)程中的力學(xué)平衡關(guān)系。如式（1）所示。

式中：Ft為驅(qū)動(dòng)力，N；Ff為滾動(dòng)阻力，N；Fw為空氣阻力，N；Fi為坡道阻力，N；Fj為加速阻力，N.

純電動(dòng)汽車的減速器速比、傳動(dòng)系統(tǒng)效率、輪胎半徑、空氣阻力系數(shù)、迎風(fēng)面積、整車裝備質(zhì)量等指標(biāo)參數(shù)確定后，可得出車輛的驅(qū)動(dòng)力，如式（2）所示。

式中：Ttq為驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)矩，N·m；ig為變速器各檔位傳動(dòng)比；i0為減速器速比；ηT為動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)機(jī)械效率，%；rd為車輪滾動(dòng)半徑，m.

滾動(dòng)阻力計(jì)算，如式（3）：

式中：m為整車裝備質(zhì)量，kg；g為重力加速度，取9.8m/s2；f為滾動(dòng)阻力系數(shù)；α為道路坡度，rad.

空氣阻力計(jì)算，如式（4）：

式中：CD為車輛空氣阻力系數(shù)；A為車輛迎風(fēng)面積，m2；va為車輛行駛速度，km/h.

坡道阻力計(jì)算，如式（5）：

在進(jìn)行動(dòng)力性初步匹配計(jì)算時(shí)，由于不知道汽車輪胎等旋轉(zhuǎn)部件準(zhǔn)確的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量數(shù)值，對(duì)于旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)δ，通常按經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行匹配計(jì)算確定，經(jīng)驗(yàn)公式如式（7）所示：

式中，δ1和 δ2取值范圍：0.03~0.05；在進(jìn)行計(jì)算時(shí)，通常取值 δ1= δ2=0.04.

根據(jù)以上公式，可得汽車行駛過(guò)程中的力學(xué)平衡方程，如式（8）所示。

功率扭矩與轉(zhuǎn)速的關(guān)系，如式（9）：

汽車行駛速度與驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速的關(guān)系，如式（10）：

可得純電動(dòng)汽車功率平衡方程式，如式（11）：

2.2 純電動(dòng)汽車動(dòng)力性能需求的計(jì)算

對(duì)于純電動(dòng)汽車，其動(dòng)力性能需求，即為其驅(qū)動(dòng)電機(jī)的功率和轉(zhuǎn)矩的需求。在國(guó)標(biāo)《GB/T 18385-2005電動(dòng)汽車動(dòng)力性能試驗(yàn)方法》中，將最高車速、加速時(shí)間以及爬坡度作為評(píng)價(jià)汽車動(dòng)力性能的主要指標(biāo)，如圖2所示。

圖2 汽車動(dòng)力性能

2.2.1 整車的最高車速

整車的最高車速主要評(píng)價(jià)車輛的高速行駛能力。最高車速主要取決于驅(qū)動(dòng)電機(jī)的額定功率、最高轉(zhuǎn)速和變速箱的速比。設(shè)定當(dāng)前車輛狀態(tài)為在平坦路面下勻速行駛，即忽略坡道阻力和加速阻力時(shí)，最高車速下所需求的驅(qū)動(dòng)電機(jī)最大功率方程式[3]，如式（12）所示。

純電動(dòng)汽車最高車速時(shí)所需的功率，即為驅(qū)動(dòng)電機(jī)的額定功率。

2.2.2 整車的爬坡性能

根據(jù)車輛的常規(guī)道路狀況，一般車輛爬坡度范圍在20%～30%.整車的爬坡性能用于評(píng)價(jià)車輛在大負(fù)載狀態(tài)下和低速狀態(tài)下的通過(guò)性能。當(dāng)車輛以最低車速通過(guò)某一坡面時(shí)，所需驅(qū)動(dòng)電機(jī)最大功率的方程式，如式（13）所示。

其中：va-min是所設(shè)計(jì)的最低通過(guò)車速；αmax為最大坡度角，αmax=arctanφmax.

對(duì)于純電動(dòng)汽車，最大爬坡性能主要取決于驅(qū)動(dòng)電機(jī)的低速最大轉(zhuǎn)矩輸出能力和短時(shí)過(guò)載能力，因此爬坡性能決定了驅(qū)動(dòng)電機(jī)的最大扭矩需求。

2.2.3 整車的加速性能

對(duì)于純電動(dòng)起來(lái)來(lái)說(shuō)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)的最大輸出功率能力決定了其整車的加速性能。在加速到目標(biāo)車速的過(guò)程中，驅(qū)動(dòng)電機(jī)所需要的最大功率的方程式，如式（14）所示。

車輛起步加速時(shí)，其車速曲線可以近似擬合為如下公式，如式（15）所示。

式中，a為擬合系數(shù)，計(jì)算中通常取值0.5，vm為加速后期車速；tm為加速時(shí)間。

由此可得，加速時(shí)需求的功率公式，如式（16）：

純電動(dòng)汽車動(dòng)力性能主要體現(xiàn)整車極限運(yùn)動(dòng)能力，與動(dòng)力系統(tǒng)所能提供的功率和轉(zhuǎn)矩密切相關(guān)，是滿足駕駛需求的基本保證。對(duì)于大多數(shù)汽車，動(dòng)力系統(tǒng)最大功率由加速性能指標(biāo)決定，因此，純電動(dòng)汽車設(shè)計(jì)的加速性能決定了驅(qū)動(dòng)電機(jī)的峰值功率。

2.2.4 某A00純電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)的參數(shù)匹配

對(duì)于純電動(dòng)商務(wù)車用驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)，峰值功率持續(xù)時(shí)間規(guī)定為60 s；對(duì)于純電動(dòng)乘用車和混合動(dòng)力車用驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)，持續(xù)時(shí)間規(guī)定為30 s.純電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)額定區(qū)和峰值區(qū)之間的區(qū)域即為過(guò)載區(qū)，峰值與額定值的比值即為驅(qū)動(dòng)電機(jī)的過(guò)載系數(shù)。根據(jù)動(dòng)力與成本兩個(gè)因素，驅(qū)動(dòng)電機(jī)的過(guò)載系數(shù)取值范圍通常定在2～3之間。

在驅(qū)動(dòng)電機(jī)的峰值功率確定的情況下，如果過(guò)載系數(shù)過(guò)大，即額定功率過(guò)小，則會(huì)導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)電機(jī)長(zhǎng)時(shí)間工作在過(guò)載狀態(tài)，電機(jī)容易損壞，故障率增大。如果過(guò)載系數(shù)過(guò)小，即額定功率過(guò)大，則電機(jī)長(zhǎng)時(shí)間工作在欠載狀態(tài)，浪費(fèi)電機(jī)容量。因此需要結(jié)合車輛的常規(guī)用途，合理選擇驅(qū)動(dòng)電機(jī)的過(guò)載系數(shù)，可有效利用電機(jī)容量，降低電機(jī)成本，并可延長(zhǎng)電機(jī)使用壽命。

某A00純電動(dòng)汽車設(shè)計(jì)的基本參數(shù)，如表1所示。

表1 某A00純電動(dòng)汽車基本參數(shù)表

將表 1參數(shù)代入式（12）、式（13）、式（16），分別計(jì)算出：最高車速時(shí)需要的功率Pv-max≥14.69 kW，爬坡時(shí)需要的功率Pa-max≥23.47 kW，加速時(shí)需要的功率Pacc≥29.96 kW.由此可知，當(dāng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)滿足加速性能要求時(shí)，該純電動(dòng)汽車的最高車速以及爬坡性能也能得到滿足。根據(jù)式（2），可知在爬坡時(shí)需要的扭矩Ta-max≥ 103.8 N·m.

因此，最終為該A00純電動(dòng)汽車匹配驅(qū)動(dòng)電機(jī)時(shí)，以加速性能來(lái)確定峰值功率，以最高車速性能來(lái)確定額定功率，最終參數(shù)確定峰值功率為30 kW，額定功率為15 kW，峰值扭矩為105 N·m.

最高車速?zèng)Q定了驅(qū)動(dòng)電機(jī)的最大轉(zhuǎn)速。根據(jù)式（10）可知驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速與汽車行駛速度的關(guān)系，如式（17）所示。

過(guò)計(jì)算可以得出，該A00級(jí)純電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)的理論最大轉(zhuǎn)速需求為7 195 r/min，計(jì)算出額定轉(zhuǎn)速為4 749 r/min.最終該車型驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速參數(shù)確定最高轉(zhuǎn)速為7 500 r/min，額定轉(zhuǎn)速4 750 r/min.通過(guò)式（9），可知驅(qū)動(dòng)電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩為30 N·m.該A00純電動(dòng)汽車最終匹配的驅(qū)動(dòng)電機(jī)性能參數(shù)如表2所示。

表2 某A00純電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)匹配參數(shù)

3 驅(qū)動(dòng)電機(jī)標(biāo)定

這款A(yù)00純電動(dòng)汽車的驅(qū)動(dòng)電機(jī)為永磁同步電機(jī)（PMSM），采用FOC控制。FOC控制主要包含了電流采樣、坐標(biāo)變換和SVPWM，通過(guò)Clark坐標(biāo)變換，把三相靜止電流轉(zhuǎn)換成兩相電流，再經(jīng)過(guò)Park坐標(biāo)變換，將靜止的電流變換成旋轉(zhuǎn)的電流，得到交軸電流Iq和直軸電流Id（它們是相互垂直的并且同時(shí)跟隨著磁場(chǎng)方向在旋轉(zhuǎn)），經(jīng)運(yùn)算后，得到控制電壓命令，從而產(chǎn)生PWM控制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)PMSM的精準(zhǔn)控制。

根據(jù)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的參數(shù)，對(duì)電機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)，在新電機(jī)完成開(kāi)發(fā)后，為了提高電機(jī)控制的扭矩控制精度，實(shí)現(xiàn)動(dòng)力系統(tǒng)效率最優(yōu)控制，必須對(duì)新電機(jī)進(jìn)行標(biāo)定開(kāi)發(fā)，以獲取準(zhǔn)確的電機(jī)參數(shù)、準(zhǔn)確的旋變位置信息，最優(yōu)效率工作點(diǎn)，以及電機(jī)的運(yùn)行性能。驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制的核心是在直流電壓和電壓利用率的約束內(nèi)，盡量輸出更大的轉(zhuǎn)矩、達(dá)到更大的轉(zhuǎn)速。因此需要找到合理的Iq/Id指令組合用于控制，實(shí)現(xiàn)預(yù)期的性能目標(biāo)。

驅(qū)動(dòng)電機(jī)標(biāo)定開(kāi)發(fā)的主要內(nèi)容包括電機(jī)本體基本參數(shù)獲取、傳感器標(biāo)定、旋變零位標(biāo)定、電機(jī)特性標(biāo)定以及標(biāo)定數(shù)據(jù)的驗(yàn)證。根據(jù)車輛的NVH狀況，如是驅(qū)動(dòng)方向產(chǎn)生的固定頻率震動(dòng)，還需要對(duì)電機(jī)扭矩控制的PID參數(shù)進(jìn)行標(biāo)定。

4 結(jié)論

本文中的某A00純電動(dòng)汽車，主要用于市區(qū)代步使用，在驅(qū)動(dòng)電機(jī)匹配設(shè)計(jì)時(shí)，在滿足動(dòng)力性時(shí)，還需要兼顧經(jīng)濟(jì)性，從而使整車成本具備競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。本文以整車設(shè)計(jì)的基本參數(shù)為依據(jù)，通過(guò)汽車的動(dòng)力性能評(píng)價(jià)來(lái)確定驅(qū)動(dòng)電機(jī)參數(shù)，以及簡(jiǎn)要介紹驅(qū)動(dòng)電機(jī)的控制和標(biāo)定，為純電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)的匹配設(shè)計(jì)提供參考。