串聯(lián)式混合動(dòng)力電動(dòng)汽車電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)

田寶春

(浙江交通技師學(xué)院汽車技術(shù)系，浙江 金華 321015)

串聯(lián)式混合動(dòng)力電動(dòng)汽車的驅(qū)動(dòng)完全依賴于電動(dòng)機(jī)，要求起步或爬坡時(shí)低速恒轉(zhuǎn)矩，高速時(shí)恒功率，這正好利用了電動(dòng)機(jī)低速扭矩大、調(diào)速方便、超載能力強(qiáng)、效率高以及其回饋制動(dòng)的特點(diǎn)來(lái)驅(qū)動(dòng)車輛，并實(shí)現(xiàn)制動(dòng)能量回收。

電動(dòng)機(jī)參數(shù)應(yīng)由所設(shè)計(jì)汽車整車參數(shù)和整車性能要求決定，參數(shù)選擇包括：轉(zhuǎn)速、額定功率，峰值功率以及額定電壓的選擇。

1 串聯(lián)式混合動(dòng)力汽車電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)基本要求

電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)包括電動(dòng)機(jī)、功率電子電路及控制部分組成，混合動(dòng)力電動(dòng)汽車對(duì)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的基本要求為：

（1）電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)具有寬廣的調(diào)速范圍，有著與汽車行駛一致的動(dòng)力特性。在同樣的額定輸出功率下，轉(zhuǎn)速越高，電動(dòng)機(jī)尺寸、重量越小。

（2）動(dòng)態(tài)性能好。電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)要能夠頻繁地起動(dòng)/停車、加速/減速。

（3）為了減少汽車的非有效載荷，要求電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)體積小、重量輕，功率密度大，在短時(shí)間內(nèi)具有較高的過(guò)載能力。

（4）高效率。

（5）電氣系統(tǒng)安全性和控制系統(tǒng)安全性較好。抗振動(dòng)、耐腐蝕、低噪音、抗干擾，具有較好的電磁兼容性。

（6）能夠四象限運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)正反轉(zhuǎn)和再生制動(dòng)。

（7）高電壓。電壓越高，電動(dòng)機(jī)尺寸、重量越小，功率轉(zhuǎn)換器成本越低。

（8）適合批量生產(chǎn)，價(jià)格便宜，便于維修。

2 常見(jiàn)電動(dòng)機(jī)的類型

目前常用的電動(dòng)機(jī)有直流電動(dòng)機(jī)、交流感應(yīng)式電動(dòng)機(jī)、永磁電動(dòng)機(jī)、開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)等。

在功率電子元件出現(xiàn)以前，電動(dòng)汽車中所采用的電動(dòng)機(jī)主要是直流電動(dòng)機(jī)，它的優(yōu)點(diǎn)在于調(diào)速較為方便。20 世紀(jì)60～80年代初電動(dòng)汽車大多采用直流串激有刷電機(jī)，80年代直流他激有刷電機(jī)也得到廣泛應(yīng)用。這兩種電機(jī)由于有電刷的限制，轉(zhuǎn)速不能太高，因而質(zhì)量大，尺寸大，效率較低，還需要對(duì)電刷進(jìn)行維護(hù)。

20 世紀(jì)80年代后期和90年代，由于電力電子技術(shù)的飛速進(jìn)步，功率電子元件以及變頻器的問(wèn)世，再加上一些新的控制算法的出現(xiàn)，滑差控制、矢量控制、直接轉(zhuǎn)矩控制等交流電機(jī)的調(diào)速技術(shù)日趨成熟，交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在電動(dòng)汽車中己成為主流，交流電機(jī)的效率和功率密度都較直流電機(jī)高，而且交流電機(jī)結(jié)構(gòu)牢固，維護(hù)起來(lái)十分方便。

性能優(yōu)良的永磁材料的出現(xiàn)使得永磁電機(jī)獲得了人們的青睞，該電機(jī)沒(méi)有激磁銅耗、效率較高（最大效率可達(dá)95%）、體積小、功率密度大（可以遠(yuǎn)大于1kW/kg）使它在混合動(dòng)力汽車和純電動(dòng)汽車中廣泛應(yīng)用。但其主要不足是永磁材料昂貴，制造工藝復(fù)雜，性能受溫度影響較大(易退磁)，大功率輸出困難。

開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)具有結(jié)構(gòu)十分簡(jiǎn)單、成本低、可靠性高、起動(dòng)性能好、調(diào)速性能好，控制裝置也比較簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，但也有轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)大、噪聲大、必須使用位置檢測(cè)器、按照定子的凸極數(shù)來(lái)確定逆變器和電機(jī)的引出線等缺點(diǎn)。隨著技術(shù)的成熟也有著較好的應(yīng)用前景。

3 電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速選擇的原則

電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速設(shè)計(jì)包括額定轉(zhuǎn)速和最高轉(zhuǎn)速。電動(dòng)機(jī)的最高轉(zhuǎn)速對(duì)電動(dòng)汽車的動(dòng)力系統(tǒng)的尺寸、電動(dòng)機(jī)的額定扭矩都有影響。電動(dòng)機(jī)的最高轉(zhuǎn)速與額定轉(zhuǎn)速的比值，稱為電動(dòng)機(jī)擴(kuò)大恒功率區(qū)系數(shù)β。隨著β 值的增大，額定轉(zhuǎn)速越低，對(duì)應(yīng)的電動(dòng)機(jī)額定功率越高，對(duì)電動(dòng)機(jī)的支撐要求越高，此外，高轉(zhuǎn)矩需較大的電動(dòng)機(jī)電流，增大了功率變換器的尺寸和損耗，但大β 又是車輛起步加速和穩(wěn)定行駛所必需的，所以電機(jī)傳動(dòng)軸額定轉(zhuǎn)矩的減少只能通過(guò)選用高速電機(jī)來(lái)解決。但這又影響到傳動(dòng)比，所以必須協(xié)調(diào)考慮電機(jī)最高轉(zhuǎn)速和傳動(dòng)系尺寸。另一方面，增大β 值也會(huì)使驅(qū)動(dòng)軸轉(zhuǎn)矩和齒輪應(yīng)力增大，選擇時(shí)還要考慮β 值和齒輪應(yīng)力。目前，永磁交流電機(jī)其最高轉(zhuǎn)速一般在8 000～10 000 r/min，擴(kuò)大恒功率區(qū)系數(shù)β一般選擇在3～5 之間，電機(jī)額定轉(zhuǎn)速見(jiàn)公式（1）：

式中：Nmr為電機(jī)額定轉(zhuǎn)速，r/min；Nmmax為電機(jī)最高轉(zhuǎn)速，r/min；β 為電機(jī)擴(kuò)大恒功率區(qū)系數(shù)。

4 電動(dòng)機(jī)峰值功率選擇的原則

在串聯(lián)式混合動(dòng)力電動(dòng)汽車中，電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)車輪，所以必須能滿足汽車的功率需求。電動(dòng)機(jī)的峰值功率要大于或等于車輛所需最大功率，同時(shí)要保證各部件質(zhì)量總和最小，以利于提高電動(dòng)機(jī)效率和減輕尺寸，降低整車成本。所以，選擇電動(dòng)機(jī)的峰值功率時(shí)，能夠滿足車輛最大需求功率即可。其功率要滿足車輛在水平道路上以最高車速勻速行駛，同時(shí)要滿足加速性能和最大爬坡性能的要求。

汽車行駛時(shí)，不僅驅(qū)動(dòng)力和行駛阻力相互平衡，即驅(qū)動(dòng)力和各種行駛阻力(包括滾動(dòng)阻力、空氣阻力、坡度阻力和加速阻力)之間相互平衡，而且電動(dòng)機(jī)的功率和汽車行駛阻力功率也總是平衡的，其功率平衡方程式如公式（2）：

式中：P 為動(dòng)力系統(tǒng)發(fā)出的總功率，kW；m 為汽車總重量，kg；g 為重力加速度，m/s2；f 為滾動(dòng)阻力系數(shù)，取0.01；a 為坡度角；νa為車速，km/h；CD為空氣阻力系數(shù)，取0.6；A 為迎風(fēng)面積，m2；δ 為旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)；dv/dt 為行駛加速度，m/s2；ηT為從電動(dòng)機(jī)到車輪的機(jī)械效率。

（1）滿足最高車速的功率需求

在串聯(lián)式混合動(dòng)力電動(dòng)汽車傳動(dòng)中，電動(dòng)機(jī)為汽車提供動(dòng)力，起步時(shí)低速運(yùn)轉(zhuǎn)，輸出恒轉(zhuǎn)矩，高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)輸出恒功率，因此，其功率參數(shù)的選擇要由汽車性能要求決定。所謂汽車的最高車速是指汽車在良好路面上直線行駛時(shí)能達(dá)到的最高行駛車速，此時(shí)汽車應(yīng)以最高檔行駛，且坡度阻力和加速阻力皆為零。因此，作為動(dòng)力源的電動(dòng)機(jī)要能夠提供足夠的力來(lái)克服其行駛阻力，包括滾動(dòng)阻力、空氣阻力等。因此，當(dāng)電機(jī)滿足最高車速時(shí)，其輸出功率見(jiàn)公式（3）：

式中：νmax為車輛的最高車速，km/h。

由式（3）可以計(jì)算得到滿足最高車速要求的功率，即此功率滿足汽車在水平道路上以最高車速勻速行駛。

（2）滿足最大爬坡度要求的功率

汽車最大爬坡度指汽車滿載時(shí)在良好路面上等速行駛能爬過(guò)的最大坡度。此時(shí)，汽車驅(qū)動(dòng)力除克服滾動(dòng)阻力和空氣阻力外的剩余驅(qū)動(dòng)力全部用來(lái)克服坡度阻力。所以，其加速度為零，當(dāng)汽車上坡時(shí)，只有電動(dòng)機(jī)提供的汽車牽引力大于滾動(dòng)阻力、空氣阻力和坡度阻力時(shí)，汽車才能爬上坡。電動(dòng)機(jī)的峰值功率一定要滿足最大爬坡度的功率要求，即滿足本文設(shè)計(jì)的動(dòng)力性能指標(biāo)中的最大爬坡度要求。因此，當(dāng)電動(dòng)機(jī)滿足最大爬坡度要求時(shí)，其輸出功率如公式（4）：

式中參數(shù)代表的意義同上，由式(4)可以得到滿足最大爬坡度要求的功率。

（3）滿足加速時(shí)間的功率需求

汽車的加速時(shí)間通常包括原地起步加速時(shí)間和超車加速時(shí)間。現(xiàn)已原地起步加速時(shí)間進(jìn)行分析。根據(jù)研究，電動(dòng)機(jī)的峰值功率與串聯(lián)式混合動(dòng)力汽車的加速時(shí)間關(guān)系密切，電動(dòng)機(jī)的峰值功率越大，整車加速時(shí)間越短，動(dòng)力性越好。但隨著電動(dòng)機(jī)峰值功率的增加，加速時(shí)間減少越來(lái)越不明顯，而且電動(dòng)機(jī)峰值功率的增加也會(huì)導(dǎo)致整車成本的上升。因此，電動(dòng)機(jī)的峰值功率只需滿足該車設(shè)計(jì)的動(dòng)力性能指標(biāo)即可。在良好水平路面上，汽車由起步加速到Va所用的時(shí)間t 由公式（5）可算出：

式中：Ft為汽車牽引力，N；Fw為空氣阻力，N；Ff為滾動(dòng)阻力，N；車輛在一定速度下能夠爬上的坡度反映了車輛的爬坡性能如公式（6）所示

5 電動(dòng)機(jī)額定功率選擇的原則

我國(guó)一般城市公交車的車速為20～45 km/h，一些大中城市中的立交橋路面坡度一般為4～6%，因此，本文設(shè)計(jì)電動(dòng)機(jī)的額定功率時(shí)可選擇車輛以40 km/h的平均速度在6%的道路上持續(xù)運(yùn)行所需的功率作為確定電動(dòng)機(jī)額定功率的重要參考量。把相關(guān)參數(shù)帶入公式（4）計(jì)算出的功率可以當(dāng)做電動(dòng)機(jī)的額定功率。

此外，混合動(dòng)力串聯(lián)電動(dòng)汽車完全由電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，要求電動(dòng)機(jī)必須能夠?yàn)檐囕v提供充足的加速功率和爬坡功率，因此電動(dòng)機(jī)功率參數(shù)還要根據(jù)車輛加速和爬坡性能的要求進(jìn)行綜合考慮確定。

6 電動(dòng)機(jī)額定電壓的選擇

電機(jī)電壓也是非常重要的參數(shù)，確定了電機(jī)電壓也就確定了電池組端電壓。電機(jī)功率一定時(shí)，電壓越高，電流就越小。電流減小，線路上的功率損耗就小，而且電池在以小電流放電時(shí)，可以發(fā)揮較大的容量，同時(shí)電壓越高，電機(jī)的轉(zhuǎn)速范圍就會(huì)越寬廣。但若電壓選的過(guò)高，則勢(shì)必需要更多的電池串聯(lián)工作，造成整車質(zhì)量的增加和布局難度的加大，同時(shí)對(duì)電力電子器件的安全性和可靠性都提出了更高的要求。此外電流過(guò)小，造成蓄電池輸出功率明顯下降，電機(jī)電樞電流減小，扭矩隨之下降，造成整體驅(qū)動(dòng)力降低，影響整車的動(dòng)力性能等等。就目前而言，混合動(dòng)力客車及純電動(dòng)客車的電壓一般為350～650 V。

7 總結(jié)

混合動(dòng)力動(dòng)力總成系統(tǒng)設(shè)計(jì)是混合動(dòng)力汽車關(guān)鍵技術(shù)之一，涉及多學(xué)科理論和技術(shù)。由于我國(guó)混合動(dòng)力汽車研究與開(kāi)發(fā)尚處于起步階段，存在許多技術(shù)問(wèn)題需要解決。本文提出的混合動(dòng)力電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)元件電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)方案、參數(shù)的匹配比較符合實(shí)際，對(duì)開(kāi)發(fā)出高水平的混合動(dòng)力汽車有很好的實(shí)用價(jià)值。

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