基于不同母線電壓的電動汽車驅(qū)動系統(tǒng)性能分析

0   引言

當(dāng)前，國內(nèi)外均在大力發(fā)展電動汽車。驅(qū)動系統(tǒng)作為電動汽車的核心零部件[1-2]，其性能直接影響電動汽車的動力性、經(jīng)濟性及可靠性。隨著動力電池技術(shù)的發(fā)展，電動汽車的續(xù)航里程也在不斷地提升。動力電池在不同SOC（荷電狀態(tài)，State of Charge，簡稱SOC）狀態(tài)下的輸出電壓也不同，這就導(dǎo)致驅(qū)動系統(tǒng)需要工作在不同的電壓下，且隨著電池容量的提升，電壓范圍也在不斷地擴大。

為了保證驅(qū)動系統(tǒng)在整個電壓范圍內(nèi)均能獲得較好的性能，本文基于一款55 kW的電動汽車驅(qū)動系統(tǒng)，通過對不同母線電壓下的效率進行測試分析，評估其在動力電池不同SOC狀態(tài)下的效率，為電動汽車驅(qū)動系統(tǒng)的設(shè)計、動力電池輸出電壓范圍的設(shè)計、整車電壓平臺的選擇等提供一定的參考。

作者簡介：夏榮鑫（1986—），男，工程師，主要從事新能源汽車工作，E-mail：531322781@qq.com。

1   驅(qū)動系統(tǒng)主要參數(shù)

電動汽車的驅(qū)動系統(tǒng)主要由減速器、驅(qū)動電機、MCU（電機控制器總成，Motor Controller Unit，簡稱MCU）構(gòu)成^[3]，因減速器主要為機械傳動部件，與電壓的大小無關(guān)，本文主要分析不同電壓對驅(qū)動電機和MCU的性能影響，下述電動汽車驅(qū)動系統(tǒng)均指驅(qū)動電機和MCU。

本文基于一款峰值功率為55 kW的電動汽車驅(qū)動系統(tǒng)進行分析，其具體參數(shù)如表1所示，峰值外特性曲線見圖1，驅(qū)動電機為永磁同步電機。MCU的直流母線電壓范圍為340~750 V，分別對340 V、480 V、540 V、650 V、750 V五種不同電壓進行單獨測試分析。

圖1 驅(qū)動系統(tǒng)峰值外特性曲線

2   性能分析

2.1 扭矩特性分析

圖2所示為MCU母線電壓分別為340 V、480 V、540 V、650 V、750 V下的驅(qū)動系統(tǒng)實測峰值扭矩曲線。當(dāng)母線電壓達到540 V時，其峰值扭矩性能達到設(shè)計的標(biāo)稱值，當(dāng)母線電壓低于540 V時，因電壓偏低，受永磁電機反電動勢的影響，導(dǎo)致進入高速弱磁區(qū)間后電流下降，扭矩輸出能力對應(yīng)下降。在母線電壓為340 V時，驅(qū)動系統(tǒng)處于欠壓狀態(tài)，拐點后的扭矩輸出能力下降幅度達到46%，對驅(qū)動系統(tǒng)的性能影響較大，母線電壓為480 V時，轉(zhuǎn)速在4 500 r·min-1后的深度弱磁區(qū)內(nèi)扭矩輸出能力下降，降幅約為20%。

圖2 不同母線電壓下的峰值扭矩曲線

2.2 功率特性分析

圖3所示為MCU母線電壓分別為340 V、480 V、540 V、650 V、750 V下的驅(qū)動系統(tǒng)實測峰值功率曲線。與扭矩特性一樣，當(dāng)母線電壓達到540 V時，其峰值功率性能達到設(shè)計的標(biāo)稱值，當(dāng)母線電壓低于540 V時，峰值功率輸出能力出現(xiàn)衰減。當(dāng)母線電壓為480 V時，轉(zhuǎn)速超過4 500 r·min-1后，峰值功率輸出能力降低約18%。當(dāng)母線電壓為340 V時，峰值功率輸出能力降低了約42%。

圖3 不同母線電壓下的峰值功率曲線

2.3 效率分析

表2所示為不同母線電壓下的驅(qū)動系統(tǒng)最高效率、平均效率和高效區(qū)面積（效率≥90%）的對比，除了最低電壓和最高電壓2種工況下，其它電壓下的最高效率和平均效率基本相當(dāng)。但是，隨著母線電壓的升高，高效區(qū)面積具有明顯的提升，這對整車的能耗具有較大的貢獻。

將電動汽車NEDC（新歐洲駕駛周期，New Europe Driving Cycle）循環(huán)工況[4]中的工作點分解為對應(yīng)的驅(qū)動系統(tǒng)轉(zhuǎn)速和扭矩，利用Matlab軟件插值法計算得到驅(qū)動系統(tǒng)的NEDC工作效率。圖4所示為在5種電壓下的MCU母線電壓的驅(qū)動系統(tǒng)NEDC工作效率。

圖4 不同母線電壓下的NEDC工作效率

由圖4可得，母線電壓為340 V時，驅(qū)動系統(tǒng)的NEDC工況下的平均效率為86.77%；母線電壓為480 V時，驅(qū)動系統(tǒng)的NEDC工況下的平均效率為88.59%；母線電壓為540 V時，驅(qū)動系統(tǒng)的NEDC工況下的平均效率為88.71%；母線電壓為650 V時，驅(qū)動系統(tǒng)的NEDC工況下的平均效率為89.27%；母線電壓為750 V時，驅(qū)動系統(tǒng)的NEDC工況下的平均效率為87.37%。由此可見母線電壓為340 V時的效率最低，母線電壓為650 V時的效率最高，與驅(qū)動系統(tǒng)單體的效率表現(xiàn)一致。

3   結(jié)論

本文基于一款峰值功率為55 kW的電動汽車驅(qū)動系統(tǒng)，在母線電壓為340~750 V的范圍內(nèi)，進行了不同電壓下對應(yīng)的扭矩特性、功率特性、效率等性能特性的對比測試和分析，得出如下結(jié)論：①當(dāng)驅(qū)動系統(tǒng)的母線電壓過低處于欠壓狀態(tài)時，進入高速弱磁后電機的輸出能

力大幅降低，當(dāng)電壓滿足要求時，繼續(xù)提升電壓不影響電機的輸出能力。②母線電壓的提升對驅(qū)動系統(tǒng)的最高效率和平均效率無明顯改善，但會提升電機的高效去面積，同時也會提升整車NEDC工況下的平均效率，實現(xiàn)整車能耗的降低。

參考文獻：

[1] 李超.電動汽車電機驅(qū)動系統(tǒng)的現(xiàn)狀與趨勢淺談[J].內(nèi)燃機與配件, 2020(6):96-98.

[2] 劉建春,王吉全.純電動汽車驅(qū)動系統(tǒng)工作效率優(yōu)化分析[J].汽車工程師, 2019(7):45-47.

[3] 姚學(xué)松.一種增程式電動汽車動力系統(tǒng)能耗分析[J].電子產(chǎn)品世界, 2020,27(3):82-84.

[4] 姚學(xué)松,沙文瀚,杭孟荀,等.NEDC工況下電動汽車雙電機驅(qū)動系統(tǒng)能耗分析[J].寧夏工程技術(shù), 2018,17(3):235-238.

（本文來源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2020年8月期）