達(dá)州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 王明昇

電動汽車是當(dāng)前廣泛使用的新能源汽車，與傳統(tǒng)動力汽車相比，電動汽車以系統(tǒng)整合的電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)來替換傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)，驅(qū)動電機(jī)也由此成為電動汽車的核心技術(shù)，研發(fā)和推廣輪轂電機(jī)技術(shù)，對取代汽車現(xiàn)有傳動系統(tǒng)具有重要意義。近年，隨著科學(xué)技術(shù)發(fā)展以及人們環(huán)保意識的增強(qiáng)，新能源汽車得到研發(fā)和使用，其中電動汽車由于經(jīng)濟(jì)、環(huán)保、低噪音、易保養(yǎng)、政策優(yōu)惠等優(yōu)勢，日漸受到消費者青睞。輪轂電機(jī)結(jié)構(gòu)簡潔、傳動高效、差速轉(zhuǎn)向突出，可以實現(xiàn)復(fù)雜驅(qū)動方式，在純電動車、增程電動車、燃料電池電動車、混合電動車等新新能源車型中均適用，是現(xiàn)階段業(yè)界關(guān)注和研究的熱點。電氣系統(tǒng)也稱低壓配電系統(tǒng)，負(fù)責(zé)向電動汽車供給電能，其供能穩(wěn)定與否直接關(guān)系汽車的運行性能與駕駛安全，因此設(shè)計安全可靠的電氣系統(tǒng)是研發(fā)電動汽車的關(guān)鍵和重點。電動汽車所用驅(qū)動電機(jī)的機(jī)械與電氣結(jié)構(gòu)雖然相對簡單，但可以改善汽車的轉(zhuǎn)矩特性，不過仍未能從根本上改變車輛運動性能，輪轂電機(jī)驅(qū)動技術(shù)優(yōu)勢尚有待深入挖掘。對此，筆者通過分析汽車動力學(xué)與驅(qū)動電機(jī)，嘗試為輪轂電機(jī)驅(qū)動電動汽車設(shè)計電器系統(tǒng)，以更好的滿足其電氣需求，保障汽車安全高效運行。

1 輪轂電機(jī)驅(qū)動電動汽車的電氣系統(tǒng)組成

汽車工業(yè)快速發(fā)展背景下，人們對汽車性能的要求不斷提高?，F(xiàn)階段，電子控制技術(shù)飛速發(fā)展，目前已經(jīng)應(yīng)用于電動汽車工業(yè)制造領(lǐng)域，特別是在電器系統(tǒng)設(shè)備中的應(yīng)用，加速了集成化、智能化發(fā)展。電動汽車電氣系統(tǒng)設(shè)備構(gòu)成可概括為七個功能部件（見圖1），具體如下：①電源系統(tǒng)，用于向全車用電設(shè)備提供低壓直流電能；②發(fā)動系統(tǒng)，負(fù)責(zé)帶動飛輪旋轉(zhuǎn)，使曲軸達(dá)到必要的起動轉(zhuǎn)速，由起動機(jī)、繼電器、開關(guān)等組成；③儀表與報警系統(tǒng)，包括儀表、各報警指示燈及控制器等要件；④點火系統(tǒng)，負(fù)責(zé)將低壓電轉(zhuǎn)變成高壓電；⑤電子控制裝置，包括自動變速箱、制動防抱死系統(tǒng)、恒速控制等；⑥照明與信號系統(tǒng)，包括喇叭和各種車燈以及控制它們的控制繼電器和開關(guān)；⑦輔助裝置，包括電控門鎖、雨刷裝置、電控車窗升降、電動座椅等，以提高車輛安全性與舒適性，見圖1。

圖1 電動汽車電氣設(shè)備基本組成

2 輪轂電機(jī)驅(qū)動電動汽車的動力學(xué)與驅(qū)動電機(jī)分析

2.1 動力學(xué)分析

汽車的運動通常以牛頓第二定律來描述。當(dāng)汽車沿水平方向行駛時，道路阻力（Fw）是以下四種阻力之和：空氣阻力、坡度阻力、車輪滾動阻力、加速度阻力，分別以Ff、Ff、Fr、Fa表示，則Fw=Fr+Fg+Ff+Fa。其中，F(xiàn)f為0.5倍的空氣密度（ρ）、空氣阻力系數(shù)（k1）、車輛迎風(fēng)面積（S）與車速（v）和頂風(fēng)車速（v0）之和平方的積，即Fr=0.5ρk1S(v＋v0)2；Fr為滾動阻力系數(shù)（k2）、車重（W）、重力加速度（g）與坡度角余弦（cos a）的積，即Fr=k2Wg cos a。而水平行使?fàn)顟B(tài)下，坡度角a為0°，則Fa=k3Wdv/dt，其中k3為加速度系數(shù)，F(xiàn)g=Wgsin a，其中sin a為a正弦，車輛爬坡時Fg為正，反之為負(fù)。

2.2 驅(qū)動電機(jī)模型分析

進(jìn)步電機(jī)與直刷無流電機(jī)是兩種常用的驅(qū)動電機(jī)，兩者未通電狀態(tài)下手旋轉(zhuǎn)電機(jī)軸阻力存在差異，后者基本沒有阻力，旋轉(zhuǎn)平順，無頓挫感，更具技術(shù)優(yōu)勢，現(xiàn)以三相六狀態(tài)的無刷直流電機(jī)為例，對輪轂電機(jī)驅(qū)動電動汽車的驅(qū)動電機(jī)進(jìn)行分析[1]。為了簡化分析過程，我們不計渦流耗損和磁耗損，忽視齒槽效應(yīng)，假設(shè)驅(qū)動系統(tǒng)逆變電路功率與續(xù)流二級管開關(guān)特性良好，同時不考慮電機(jī)鐵心飽，那么電機(jī)運行電功率傳遞與轉(zhuǎn)化的方式可視為以下兩種，一種是經(jīng)由氣隙磁場傳遞給轉(zhuǎn)子，另一種則是直接轉(zhuǎn)化為銅耗。其中前者占比高，也稱電磁功率，以Pe表示。如果不計機(jī)械耗損及其他雜散耗損，則Pe為電磁轉(zhuǎn)矩（Te）和電機(jī)機(jī)械角速度（ω）之積，即Pe=Teω，表示Pe全部轉(zhuǎn)為電子動能。那么基于能量守恒原理，電機(jī)輸入功率（P1）由兩個部分組成，一部分是Pe，另一部分是同為熱耗損的電樞繞組銅耗和功率器件損耗，分別以PCu和PT表示，即P1=PCu+Pe+PT。而P1是電機(jī)經(jīng)由磁場轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，考慮負(fù)載端損耗，功率傳遞（Pe）則等于負(fù)載轉(zhuǎn)矩（TL）與空載轉(zhuǎn)矩（T0）之和乘以ω，即輸出功率（P2）與空載耗損（P0）之和，公式為Pe=(TL+T0)ω=P2+P0。

以輪轂電機(jī)驅(qū)動的電動汽車，我們可以視輪轂電機(jī)輸出的功率和電動汽車驅(qū)動的功率基本相等，那么根據(jù)方程式，道路阻力與車速之積為驅(qū)動功率（P），也是輪轂電機(jī)驅(qū)動的總功率，而一輛電動汽車有4個電動機(jī)，設(shè)單個功率為P2，則P=4×P2。汽車在行使過程中，由于道路變化的原因，遇到的阻力會有所不同，那么基于上述公式，驅(qū)動電機(jī)輸出功率也是動態(tài)變化的。而在電動汽車中，動力回路負(fù)責(zé)傳遞輸出功率，因此動力回路的電流也是動態(tài)變化的，如何維持動力電流的動態(tài)穩(wěn)定性至關(guān)重要，是確保電機(jī)系統(tǒng)工作的重要因素。我們基于上述分析設(shè)計了驅(qū)動電機(jī)，見圖2。汽車行駛過程中輸出功率（Pout）為4個驅(qū)動電機(jī)輸出總功率（P）、與動力回路熱損耗（P3）之和，即動力電池兩端電壓（U）與輸出回路總電流（I）之積，公式為Pout=P+P3=UI。

圖2 電動汽車驅(qū)動電機(jī)分布方案

3 輪轂電機(jī)驅(qū)動電動汽車的電氣系統(tǒng)設(shè)計

基于前文的汽車動力學(xué)分析及驅(qū)動電機(jī)模型分析結(jié)果設(shè)計輪轂電機(jī)電氣系統(tǒng)，系統(tǒng)使用無刷直流輪轂電機(jī)和無刷直流電機(jī)控制器，組成動力回路與輔助回路兩部分，主要參數(shù)如下：①電機(jī)型號DDCLM80001205，額定轉(zhuǎn)速每分鐘800轉(zhuǎn)，最高轉(zhuǎn)速每分鐘1200轉(zhuǎn)；②控制器外形尺寸18厘米×9.7厘米×4厘米，最大功率1.5千瓦，最大電流100安；③電機(jī)功率800瓦，額定電壓72伏，空載電流0.5安，峰值功率1.2千瓦；④控制器為冷風(fēng)式結(jié)構(gòu)，總量0.5千克，額定功率1千瓦，額定電壓72伏；效率90%-96%。電池及整車主要參數(shù)：①無刷直流電機(jī)驅(qū)動，單體容量20毫安，數(shù)量4個；②電子加速，使用12伏鉛蓄電池，最高續(xù)航40千米；③外形尺寸2.3米×1.7米×1.2米，總量280千克；④輪距1.43毫米，軸距1.335毫米，最高時速60千米，最大爬坡20°。

基于上述電機(jī)與控制器的設(shè)計參數(shù)，結(jié)合前文計算公式，計算電氣系統(tǒng)動力回路瞬時放電情況，發(fā)現(xiàn)安培值較高，可能給動力回路安全造成威脅。對此，我們設(shè)計了一個高壓絕緣箱，利用電控技術(shù)調(diào)控絕緣箱在動力回路出現(xiàn)故障時可以進(jìn)行絕緣，然后將動力回路元件置于箱內(nèi)，使故障時可以與電池組斷開，防止電路系統(tǒng)意外風(fēng)險。高壓系統(tǒng)是輪轂電機(jī)驅(qū)動電動汽車潛在危險因素，為了保證高壓電器安全，需確保直流正負(fù)極母線與底盤絕緣。電池箱內(nèi)安裝傳感器與報警器，同樣利用電控技術(shù)，當(dāng)汽車出現(xiàn)意外情況時，可以發(fā)揮被動防范功能[2]。例如：當(dāng)電池溫度過高或汽車行駛過程中側(cè)翻時，傳感器接受危險信號后，自動切斷動力回路與電池的連接，確保車輛及行駛安全。另外，我們還為電動汽車設(shè)置了自動閉鎖電機(jī)控制器，用于限制車載插座使用狀態(tài)下的車輛開動，以確保車輛安全使用?；谏鲜隹紤]，設(shè)計了整車動力回路與輔助電源回路，見圖3和圖4。

圖3 輪轂電機(jī)驅(qū)動電動汽車整車動力電氣系統(tǒng)示意圖

圖4 輪轂電機(jī)驅(qū)動電動汽車輔助電源回路示意圖

為了滿足電器系統(tǒng)過流能力強(qiáng)的要求，同時確保使用壽命，我們選用MZJ-100A直流接觸器作為主繼電器（K12），為了保證正常使用狀態(tài)下線路不熔斷，而在出現(xiàn)短路時可實現(xiàn)毫秒級熔斷，我們使用RS95B 100A為主熔斷器，使用TRV4-L-24V-2F為輔繼電器，使用橫截面積16 mm2的銅芯電纜。CAN總線負(fù)責(zé)信號傳輸，檢測到異常時能夠通過控制接觸器切斷電源?？紤]電流電阻等因素影響，其他回路視情況選用橫截面 積 為4.0、1.5或0.5mm2的導(dǎo)線。電池串聯(lián)采用編織線，CAN總線采用雙絞線。將本研究設(shè)計的電器系統(tǒng)用于輪轂電機(jī)驅(qū)動電動汽車，經(jīng)實際路況測試，元件運行正常，汽車行駛穩(wěn)定，系統(tǒng)基本可以滿足汽車行駛要求，但電器系統(tǒng)參數(shù)及整車結(jié)構(gòu)有待優(yōu)化，以進(jìn)一步提高車輛整體性能[3]。

4 結(jié)語

本文介紹了輪轂電機(jī)驅(qū)動電動汽車電氣系統(tǒng)的組成，遵循電動汽車電器系統(tǒng)基本設(shè)計方法，通過分析電動汽車動力學(xué)與驅(qū)動電機(jī)，為輪轂電機(jī)驅(qū)動電動汽車設(shè)計電氣系統(tǒng)，系統(tǒng)分為動力回路與輔助回路兩個部分，可以滿足汽車電氣需求，同時設(shè)有充電保護(hù)、絕緣檢測、被動防范等功能，以保障汽車有效安全運行。不過由于條件有限，目前仍需大量試驗對本次電氣系統(tǒng)設(shè)計結(jié)果進(jìn)行驗證，并據(jù)此優(yōu)化電氣系統(tǒng)參數(shù)及性能，以進(jìn)一步提高設(shè)計的穩(wěn)定性與實用性。