基于不同母線電壓的電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)性能分析

0   引言

當(dāng)前，國(guó)內(nèi)外均在大力發(fā)展電動(dòng)汽車。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)作為電動(dòng)汽車的核心零部件[1-2]，其性能直接影響電動(dòng)汽車的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性及可靠性。隨著動(dòng)力電池技術(shù)的發(fā)展，電動(dòng)汽車的續(xù)航里程也在不斷地提升。動(dòng)力電池在不同SOC（荷電狀態(tài)，State of Charge，簡(jiǎn)稱SOC）狀態(tài)下的輸出電壓也不同，這就導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)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?cái)U(kuò)大。

為了保證驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在整個(gè)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(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)不同母線電壓下的效率進(jìn)行測(cè)試分析，評(píng)估其在動(dòng)力電池不同SOC狀態(tài)下的效率，為電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、動(dòng)力電池輸出電壓范圍的設(shè)計(jì)、整車電壓平臺(tái)的選擇等提供一定的參考。

作者簡(jiǎn)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(dòng)系統(tǒng)主要參數(shù)

電動(dòng)汽車的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)主要由減速器、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、MCU（電機(jī)控制器總成，Motor Controller Unit，簡(jiǎn)稱MCU）構(gòu)成^[3]，因減速器主要為機(jī)械傳動(dòng)部件，與電壓的大小無(wú)關(guān)，本文主要分析不同電壓對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)和MCU的性能影響，下述電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)均指驅(qū)動(dòng)電機(jī)和MCU。

本文基于一款峰值功率為55 kW的電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)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(dòng)電機(jī)為永磁同步電機(jī)。MCU的直流母線電壓范圍為340~750 V，分別對(duì)340 V、480 V、540 V、650 V、750 V五種不同電壓進(jìn)行單獨(dú)測(cè)試分析。

圖1 驅(qū)動(dòng)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(dòng)系統(tǒng)實(shí)測(cè)峰值扭矩曲線。當(dāng)母線電壓達(dá)到540 V時(shí)，其峰值扭矩性能達(dá)到設(shè)計(jì)的標(biāo)稱值，當(dāng)母線電壓低于540 V時(shí)，因電壓偏低，受永磁電機(jī)反電動(dòng)勢(shì)的影響，導(dǎo)致進(jìn)入高速弱磁區(qū)間后電流下降，扭矩輸出能力對(duì)應(yīng)下降。在母線電壓為340 V時(shí)，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)處于欠壓狀態(tài)，拐點(diǎn)后的扭矩輸出能力下降幅度達(dá)到46%，對(duì)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的性能影響較大，母線電壓為480 V時(shí)，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(dòng)系統(tǒng)實(shí)測(cè)峰值功率曲線。與扭矩特性一樣，當(dāng)母線電壓達(dá)到540 V時(shí)，其峰值功率性能達(dá)到設(shè)計(jì)的標(biāo)稱值，當(dāng)母線電壓低于540 V時(shí)，峰值功率輸出能力出現(xiàn)衰減。當(dāng)母線電壓為480 V時(shí)，轉(zhuǎn)速超過(guò)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(shí)，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(dòng)系統(tǒng)最高效率、平均效率和高效區(qū)面積（效率≥90%）的對(duì)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(duì)整車的能耗具有較大的貢獻(xiàn)。

將電動(dòng)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(diǎn)分解為對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)轉(zhuǎn)速和扭矩，利用Matlab軟件插值法計(jì)算得到驅(qū)動(dòng)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(dòng)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(shí)，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的NEDC工況下的平均效率為86.77%；母線電壓為480 V時(shí)，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的NEDC工況下的平均效率為88.59%；母線電壓為540 V時(shí)，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的NEDC工況下的平均效率為88.71%；母線電壓為650 V時(shí)，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的NEDC工況下的平均效率為89.27%；母線電壓為750 V時(shí)，驅(qū)動(dòng)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(shí)的效率最低，母線電壓為650 V時(shí)的效率最高，與驅(qū)動(dòng)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(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，在母線電壓為340~750 V的范圍內(nèi)，進(jìn)行了不同電壓下對(duì)應(yīng)的扭矩特性、功率特性、效率等性能特性的對(duì)比測(cè)試和分析，得出如下結(jié)論：①當(dāng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的母線電壓過(guò)低處于欠壓狀態(tài)時(shí)，進(jìn)入高速弱磁后電機(jī)的輸出能

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

參考文獻(xiàn)：

[1] 李超.電動(dòng)汽車電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的現(xiàn)狀與趨勢(shì)淺談[J].內(nèi)燃機(jī)與配件, 2020(6):96-98.

[2] 劉建春,王吉全.純電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)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(dòng)汽車動(dòng)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(dòng)汽車雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)能耗分析[J].寧夏工程技術(shù), 2018,17(3):235-238.

（本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2020年8月期）