基于不同母線(xiàn)電壓的電動(dòng)汽車(chē)驅動(dòng)系統性能分析

0   引言

當前，國內外均在大力發(fā)展電動(dòng)汽車(chē)。驅動(dòng)系統作為電動(dòng)汽車(chē)的核心零部件[1-2]，其性能直接影響電動(dòng)汽車(chē)的動(dòng)力性、經(jīng)濟性及可靠性。隨著(zhù)動(dòng)力電池技術(shù)的發(fā)展，電動(dòng)汽車(chē)的續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(chēng)SOC）狀態(tài)下的輸出電壓也不同，這就導致驅動(dòng)系統需要工作在不同的電壓下，且隨著(zhù)電池容量的提升，電壓范圍也在不斷地擴大。

為了保證驅動(dòng)系統在整個(gè)電壓范圍內均能獲得較好的性能，本文基于一款55 kW的電動(dòng)汽車(chē)驅動(dòng)系統，通過(guò)對不同母線(xiàn)電壓下的效率進(jìn)行測試分析，評估其在動(dòng)力電池不同SOC狀態(tài)下的效率，為電動(dòng)汽車(chē)驅動(dòng)系統的設計、動(dòng)力電池輸出電壓范圍的設計、整車(chē)電壓平臺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(chē)工作，E-mail：531322781@qq.com。

1   驅動(dòng)系統主要參數

電動(dòng)汽車(chē)的驅動(dòng)系統主要由減速器、驅動(dòng)電機、MCU（電機控制器總成，Motor Controller Unit，簡(jiǎn)稱(chēng)MCU）構成^[3]，因減速器主要為機械傳動(dòng)部件，與電壓的大小無(wú)關(guān)，本文主要分析不同電壓對驅動(dòng)電機和MCU的性能影響，下述電動(dòng)汽車(chē)驅動(dòng)系統均指驅動(dòng)電機和MCU。

本文基于一款峰值功率為55 kW的電動(dòng)汽車(chē)驅動(dòng)系統進(jìn)行分析，其具體參數如表1所示，峰值外特性曲線(xiàn)見(jiàn)圖1，驅動(dòng)電機為永磁同步電機。MCU的直流母線(xiàn)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(jìn)行單獨測試分析。

圖1 驅動(dòng)系統峰值外特性曲線(xiàn)

2   性能分析

2.1 扭矩特性分析

圖2所示為MCU母線(xiàn)電壓分別為340 V、480 V、540 V、650 V、750 V下的驅動(dòng)系統實(shí)測峰值扭矩曲線(xiàn)。當母線(xiàn)電壓達到540 V時(shí)，其峰值扭矩性能達到設計的標稱(chēng)值，當母線(xiàn)電壓低于540 V時(shí)，因電壓偏低，受永磁電機反電動(dòng)勢的影響，導致進(jìn)入高速弱磁區間后電流下降，扭矩輸出能力對應下降。在母線(xiàn)電壓為340 V時(shí)，驅動(dòng)系統處于欠壓狀態(tài)，拐點(diǎn)后的扭矩輸出能力下降幅度達到46%，對驅動(dòng)系統的性能影響較大，母線(xiàn)電壓為480 V時(shí)，轉速在4 500 r·min-1后的深度弱磁區內扭矩輸出能力下降，降幅約為20%。

圖2 不同母線(xiàn)電壓下的峰值扭矩曲線(xiàn)

2.2 功率特性分析

圖3所示為MCU母線(xiàn)電壓分別為340 V、480 V、540 V、650 V、750 V下的驅動(dòng)系統實(shí)測峰值功率曲線(xiàn)。與扭矩特性一樣，當母線(xiàn)電壓達到540 V時(shí)，其峰值功率性能達到設計的標稱(chēng)值，當母線(xiàn)電壓低于540 V時(shí)，峰值功率輸出能力出現衰減。當母線(xiàn)電壓為480 V時(shí)，轉速超過(guò)4 500 r·min-1后，峰值功率輸出能力降低約18%。當母線(xiàn)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(xiàn)電壓下的峰值功率曲線(xiàn)

2.3 效率分析

表2所示為不同母線(xiàn)電壓下的驅動(dòng)系統最高效率、平均效率和高效區面積（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。但是，隨著(zhù)母線(xiàn)電壓的升高，高效區面積具有明顯的提升，這對整車(chē)的能耗具有較大的貢獻。

將電動(dòng)汽車(chē)NEDC（新歐洲駕駛周期，New Europe Driving Cycle）循環(huán)工況[4]中的工作點(diǎn)分解為對應的驅動(dòng)系統轉速和扭矩，利用Matlab軟件插值法計算得到驅動(dòng)系統的NEDC工作效率。圖4所示為在5種電壓下的MCU母線(xiàn)電壓的驅動(dòng)系統NEDC工作效率。

圖4 不同母線(xiàn)電壓下的NEDC工作效率

由圖4可得，母線(xiàn)電壓為340 V時(shí)，驅動(dòng)系統的NEDC工況下的平均效率為86.77%；母線(xiàn)電壓為480 V時(shí)，驅動(dòng)系統的NEDC工況下的平均效率為88.59%；母線(xiàn)電壓為540 V時(shí)，驅動(dòng)系統的NEDC工況下的平均效率為88.71%；母線(xiàn)電壓為650 V時(shí)，驅動(dòng)系統的NEDC工況下的平均效率為89.27%；母線(xiàn)電壓為750 V時(shí)，驅動(dòng)系統的NEDC工況下的平均效率為87.37%。由此可見(jiàn)母線(xiàn)電壓為340 V時(shí)的效率最低，母線(xiàn)電壓為650 V時(shí)的效率最高，與驅動(dòng)系統單體的效率表現一致。

3   結論

本文基于一款峰值功率為55 kW的電動(dòng)汽車(chē)驅動(dòng)系統，在母線(xiàn)電壓為340~750 V的范圍內，進(jìn)行了不同電壓下對應的扭矩特性、功率特性、效率等性能特性的對比測試和分析，得出如下結論：①當驅動(dòng)系統的母線(xiàn)電壓過(guò)低處于欠壓狀態(tài)時(shí)，進(jìn)入高速弱磁后電機的輸出能

力大幅降低，當電壓滿(mǎn)足要求時(shí)，繼續提升電壓不影響電機的輸出能力。②母線(xiàn)電壓的提升對驅動(dòng)系統的最高效率和平均效率無(wú)明顯改善，但會(huì )提升電機的高效去面積，同時(shí)也會(huì )提升整車(chē)NEDC工況下的平均效率，實(shí)現整車(chē)能耗的降低。

參考文獻：

[1] 李超.電動(dòng)汽車(chē)電機驅動(dòng)系統的現狀與趨勢淺談[J].內燃機與配件, 2020(6):96-98.

[2] 劉建春,王吉全.純電動(dòng)汽車(chē)驅動(dòng)系統工作效率優(yōu)化分析[J].汽車(chē)工程師, 2019(7):45-47.

[3] 姚學(xué)松.一種增程式電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力系統能耗分析[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(chē)雙電機驅動(dòng)系統能耗分析[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）