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干货 | 一辆纯电动汽车的驱动电机应该如何选择?

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发布:liuxianglong 来源:
PostTime:21-5-2019 13:19
介绍了电动汽车用电机的基本性能,并从汽车行驶动力学出发建立了纯电动汽车用电动机性能参数的数学模型,探讨总结了对电机基本特性参数的初步确定原则。

以下为文章全文:(本站微信公共账号:cartech8)


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【摘要】介绍了电动汽车用电机的基本性能,并从汽车行驶动力学出发建立了纯电动汽车用电动机性能参数的数学模型,探讨总结了对电机基本特性参数的初步确定原则。然后以目前所要开发的一辆纯电动汽车的基本参数及目标性能要求为例,按以上原则确定电机参数并绘制符合要求的电机性能曲线,为电机的快速选择和后续车辆动力传动系统匹配优化提供了依据。

引 言

20世纪70年代的石油能源危机、80年代人们对环境保护的日益关注,促使了电动汽车科研工作的复苏。以美国和日本等发达国家为首,许多国家都投巨资用于电动汽车的研发,尤其日本的Prius及Insight等在全球的成功上市销售,更是在全世界引起了新一轮的电动汽车开发热潮。电动汽车正在以其清洁、高效和可持续的概念吸引着越来越多的人。

电驱动系统是电动汽车的心脏,从功能角度看,它可以分为电气和机械两大部分,其详细结构分类如图1所示,系统中机械传动机构是可选的。电气和机械系统的边界形成电动机的气隙,用来完成电动机能量的转化。电动机是纯电动车辆唯一动力元件,它与能量源之间的能量流动是通过功率转化器进行调节的。电机自身的性能将直接影响电动汽车的最高车速、加速性能及爬坡性能等,所以在开发整车之前初步确定电机类型及其参数进而对电机进行选择至关重要。

纯电动汽车用电机性能要求

电动车用驱动电机通常要求能够频繁启动/停车、加速/减速,低速和爬坡时要求高转矩,高速行驶时要求低转矩,并要求变速范围大。其主要参数包括:电动机类型、额定电压、机械特性、效率、尺寸参数、可靠性和成本等。另外为电动机所配置的电子控制系统和驱动系统也会影响驱动电动机的性能。

(1)高电压。在允许范围内尽量采用高电压,可减小电动机的尺寸和导线等装备的尺寸,特别是可降低逆变器的尺寸。

(2)高转速。高转速电动机体积小、质量轻,有利于降低电动汽车的整车整备质量。

(3)质量轻。电动机采用铝合金外壳,以降低电动机质量,各种控制器装备的质量和冷却系统的质量等也要求尽可能轻。

(4)较大的起动转矩和较大范围的调速性能。这样使电动汽车有良好的启动性能和加速性能。电动机有自动调速功能,因此可以减轻驾驶员的操纵强度,提高驾驶的舒适性,并且能达到与内燃机汽车加速踏板同样的控制响应。

(5)效率高、损耗少,并具有制动能量回收功能。电动汽车应具有最优化的能量利用,以在车载总能量不变的情况下最大限度地增加续驶里程,再生制动回收的能量一般可达到总能量的10%~20%,这在内燃机汽车上是不能实现的。

(6)必须有高压保护设备。

(7)可靠性好、耐温耐潮性能强及运行时噪卢低。

(8)结构简单、维修方便及价格便宜。

纯电动汽车用电动机性能参数初步确定原则

设计内燃机为动力的汽车时,一般先根据汽车预期的最高车速来初步选择内燃机的功率。作为纯电动汽车的动力源——电机,其速度一扭矩特性与内燃机截然不同,同时电机又有过载和“堵转”特性,所以合理选择电机的功率和传动比,将对纯电动汽车的动力性及整车续驶里程产生重大影响。下面是确定电机重要基本参数的数学模型。

(1)以最高车速确定电机额定功率

电动机性能必须分为连续工作性能和短时工作性能,其连续工作特性曲线由电机的额定值来确定,短时工作特性曲线是电机过载一定倍数之后的转矩功率特性曲线。由公式(1)~(5)计算后所得的参数便可满足以下基本原则:

(1)用电机的额定工况计算电动汽车的最高车速;

(2)用电机的短时工作性能曲线计算车辆的最大爬坡度;

(3)电动汽车的常规车速应落在电机的基频上:

(4)电动汽车最高车速功率平衡点应落在电机连续工作性能曲线的等功率段上。

计算实例

以目前正在开发的一辆纯电动汽车为例,根据它的基本参数和目标性能要求(见表1~4),以上面所述计算原则为基础,可初步绘出所需电机的特性曲线,并以此为参考选择电机。

满足要求的电机特性曲线如图2所示。

说明:可以图2为参考选择电动机。图2中要着重控制电机的连续工作特性曲线,对短时工作曲线要控制电机在622r/min转速时扭矩要达到100Nm。

结 语

电机驱动系统是纯电动汽车的核心组成部分,所以对电动机的选型就显得非常重要。南于电机的低速恒扭矩高速恒功率的特性,以及一般电机在基速、低转矩范围内效率和功率因数比较高,故常把车辆的常规车速放在基速上,把最高车速放在等功率线上。可根据本文所介绍方法计算出电机的性能参数,绘出车用电机所应具有的特性曲线图,可用于生产电机或初步快速选定电机,然后根据所选电机实际性能,确定出车辆实际的最高车速、最大爬坡度及加速性能等。

本文的计算实例采用了固定速比的传动系统,这是对传动系统的一种简化形式,在实际应用中要综合考虑变速器所能承受的最大扭矩以及所允许的最大转速等;另外,虽然通常来说高转速电机效率较高,综合性能也较好,但高转速会带来电机控制系统实现的难度,因此这对矛盾也是需要统筹考虑的。

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