新能源車型轉向油泵高壓電機的匹配和應用

謝琨　韓波波　劉俊榮　李紅艷

摘 要：在新能源輕型商用車上，轉向油泵帶電機總成是轉向系統的一個重要零部件;對于轉向油泵帶電機總成來說高壓電機的匹配是該總成開發的一個關鍵步驟。文章通過對轉向油泵、高壓電機的關鍵參數分析，提出了高壓電機相關參數匹配的步驟和方法;并通過實例應用進行檢驗，為高壓電機的匹配和選型提供一個可供參考的方法和經驗。關鍵詞：新能源;輕型商用車;轉向系統;高壓電機;匹配應用中圖分類號：U463.46? 文獻標識碼：A? 文章編號：1671-7988（2020）01-33-03

Abstract： The steering pump with high voltage motor is an important part for new energy light commercial vehicles; How to matching a high voltage motor with the steering oil pump is key steps. This article puts forward the steps and methods of matching the relevant parameters of high voltage motor through analyzing of the key parameters of steering oil pump and high voltage motor. Verification by a practical application， which provides a reference experience and method of matching a suitable high voltage motor.Keywords： New energy; Light commercial vehicles; Steering system; High voltage motor; Matching and applicationCLC NO.： U463.46 ?Document Code： A? Article ID： 1671-7988（2020）01-33-03

引言

在當前現代專業化物流發展趨勢下，客戶多元化產品需求對商用車市場提出了更高的要求。同時由于國家政策及地方法規對環保意識的提升，新能源車型在輕型商用車市場占比越來越重。因此適用于新能源車型的汽車各個系統技術方案是接下來的發展趨勢。

對于輕型商用車的轉向系統，由于車輛整備質量、載荷等方面的限制，目前在轉向系統中EPS配置尚不能在輕型商用車上實現大批量推廣。因此在新能源車型上由高壓電機帶動轉向油泵的方案仍然是一個主流技術路線。本文針對新能源的車型上使用的高壓電機帶轉向油泵方案（以下稱轉向油泵帶電機總成）中的高壓電機的選擇和匹配進行分析討論;為后續新能源車型轉向系統的開發提供參照。

1 電機基本參數選擇

高壓電機的選擇涉及到以下參數：額定電壓、額定功率、額定電流、峰值功率、峰值電流、額定頻率、額定轉速、額定轉矩、峰值轉矩等;其中電機與油泵的匹配中，額定功率、額定轉速、額定轉矩是關鍵參數。

1.1 額定功率、轉矩、轉速的選擇

高壓電機的額定功率一般是以轉向油泵的功率作為基準來進行選擇;對于轉向油泵，其功率和油泵的壓力、流量有關;下圖為某新能源車型轉向油泵的壓力流量曲線。

如上圖1所示，油泵本身流量隨壓力的增大而減小;根據上圖的數據，可以計算出油泵在各壓力流量下的功率。在實際工作中為了方便，我們通常使用如下公式來進行粗略估計油泵功率：

Pe=P*Q/60?????????????????????????????????? （1）

以上公式中，Pe表示油泵功率，單位kW;P表示油泵最大壓力，單位Mpa;Q表示油泵最大流量，單位L/min。本公式計算結果較實際功率略大。

通過以上公式完成轉向油泵功率計算后，下一步就是考慮電機的額定功率選擇。在考慮電機額定功率選擇之前，我們需要了解常用高壓電機的特性。目前常用的高壓電機為高壓永磁電機;電機的功率有額定功率和峰值功率兩個參數，額定功率是電機效率高、能夠長時間穩定工作的功率點;其和額定轉速、額定轉矩有一定的關系。峰值功率是該電機可以達到的、并可以短時間工作而不發生故障的最大功率;對應的是峰值轉速、峰值轉矩。

通過對汽車不同行駛狀況下的統計分析，可以得到轉向盤轉角、助力大小隨車速的分布曲線，如圖2所示[1]。在選擇高壓電機的額定功率時，可以考慮轉向油泵最大功率可以短時間內超出電機額定功率值。

綜合以上數據以及在實際車型道路試驗、臺架試驗等結果，高壓電機推薦額定功率的選擇：Pz=Pe*80%。電機額定扭矩的選擇與功率類似，在此就不再贅述。

高壓電機的額定轉速的選擇和油泵的排量有關;一般情況下，電機在各個車速下的轉速要滿足各車速下轉向油泵輸出流量的需求。在新能源車型中，高壓電機的控制是通過一個逆變器（以下簡稱為SDCAC）來進行的;這種逆變器是通過調整高壓電機的工作頻率來改變電機轉速，從而達到改變油泵流量的目的。高壓電機工作頻率、轉速和電機的極對數有關;其三者之間的換算關系如下：

1.2 電機其他參數

高壓電機除了以上功率、扭矩和轉速等參數外，電機總成還包括以下性能參數：反電動勢、D軸電感、Q軸電感、相電阻等;這些參數主要影響SDCAC對高壓電機的控制。

高壓電機的控制是個復雜過程，SDCAC常用的控制方法為無速度傳感器（有無速度傳感器和電機結構有關，目前主要采用的是無速度傳感器的電機）下的矢量控制;該方法是基于電機本身在沒有速度傳感器的情況下執行的開環估計方法。數學模型表示如下[2]：

（電機的電磁轉矩方程）

以上公式中，μq，μd分別表示DQ軸電壓;id，iq表示DQ軸電流;Ld，Lq表示DQ軸電感，ωe表示轉子電角速度;Rs為相電阻;Ψf為永磁體的磁鏈;Te為電磁轉矩;Pn為極對數。

通過以上公式可知，在高壓永磁電機的控制中，D軸電感、Q軸電感、相電阻等參數是主要影響因子。在電機的實際匹配調試時，通常DQ軸電感是比較重要而且容易忽略的參數。

2 應用實例

針對前文的方法和計算公式，下面以某已量產車型的實際設計方案為例。

2.1 車型輸入信息

2.2 轉向高壓電機的功率和扭矩計算

步驟一：轉向油泵功率和扭矩計算：

Pe=P*Q/60=11*10.5/60=1.925（kW）;

Ne=P*q=12.6（N.m）。

轉向電機的功率是油泵功率的80%，因此：

Pz=1.925*0.8=1.54（kW）???????????????????????? （5）

步驟二：通過排量選擇電機轉速：

電機轉速=控制流量/排量=1458.3（r/min）

通過以上參數以及整車其他信息，選擇的高壓電機參數如下：

3 實車驗證

該新能源車型經過兩次樣車試裝調試及道路試驗，轉向

油泵帶電機總成表現良好;能夠很好的實現設計目標。

4 結語

在新能源車型的轉向系統開發中，對于現有的轉向油泵如何匹配合適的高壓電機是工作重點之一。本文通過對轉向油泵基本參數的分析計算，以及轉向盤轉角和轉向助力的使用概率分布情況的分析，提出了一個高壓電機的匹配方法。該方法既能保證轉向系統的基本性能和耐久壽命，同時也盡量對零件的成本及重量進行優化。本文通過某廠新能源輕型商用車的實際應用檢驗，給后續轉向系統高壓電機的選擇提供一個可以借鑒的方法。

參考文獻

[1] 趙萬忠，王春燕主編.汽車動力轉向技術[M].清華大學出版社，2018， 63.

[2] 黃玉平，鄭再平，仲悅，吳紅星.永磁同步電機伺服系統電流環控制技術綜述[J].微電機，2015.4.