符敏利， 李益豐， 李 蓉， 史文波， 彭 俊

(1. 湖南南車時代電動汽車股份有限公司，湖南 株洲 412007；2. 南車株洲電力機車研究所有限公司，湖南 株洲 412001)

0 引 言

電動汽車驅(qū)動電機運行特點與傳統(tǒng)工業(yè)電動機運行特點截然不同。傳統(tǒng)工業(yè)電動機運行時的負荷和轉(zhuǎn)速基本保持不變。電動汽車驅(qū)動電機的運行負荷隨時間不斷變化，是典型的斷續(xù)周期工作制。通常為了試驗方便，可以將變化的負荷等效為一個確定的負荷，即以額定功率進行試驗。

根據(jù)電機學(xué)原理[1]，驅(qū)動電機的有效體積與額定轉(zhuǎn)矩和工作時間密切相關(guān)，因此額定功率的確定和溫升驗證方法對保證電動汽車動力性、驅(qū)動電機的可靠性，及避免過度設(shè)計非常重要。

目前，已有文獻提出了電動汽車用驅(qū)動電機額定功率的確定方法，主要有3種方式： (1) 將峰值功率除以過載系數(shù)即為額定功率[2]；(2) 將電動汽車最高車速驅(qū)動電機所需要的功率作為額定功率[3]；(3) 基于工況分析法確定電機額定功率[4]。其中，方法(1)和(2)沒有考慮具體運行線路情況；方法(3)盡管考慮了運行工況，但沒有考慮驅(qū)動電機的具體特性和參數(shù)。

驗證驅(qū)動電機能否輸出規(guī)定功率的考核方法是在試驗臺上對驅(qū)動電機進行溫升試驗。目前，通用的試驗有額定工況和峰值工況的溫升試驗。

本文在介紹電動汽車對驅(qū)動電機動力需求和驅(qū)動電機運行特點的基礎(chǔ)上，提出基于等效溫升法和等效電流法兩種方法確定額定功率，并探討了驅(qū)動電機輸出能力的驗證方法。

1 電動汽車對驅(qū)動電機的動力需求

驅(qū)動電機作為電動汽車的動力，其作用： (1) 在牽引工況，將儲能系統(tǒng)的電能轉(zhuǎn)換成機械能，以保證驅(qū)動電機動力性能；(2) 在制動工況，將車輛的動能轉(zhuǎn)換成電能給儲能系統(tǒng)充電。

電動汽車對驅(qū)動電機的動力需求集中體現(xiàn)在驅(qū)動電機的轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速特性。

驅(qū)動電機保證電動汽車達到所規(guī)定的動力性能。對于牽引工況，動力性能包括爬坡性能、加速性能以及最高速度下的剩余加速度性能，所需要的轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速特性的最大外包絡(luò)線，即為驅(qū)動電機轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速特性，如圖1所示。已有比較成熟的分析方法計算該特性。

圖1 驅(qū)動電機轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速特性(牽引工況)

對于牽引工況，該曲線包括3段： (1) 低速恒轉(zhuǎn)矩階段，其作用是保證車輛的爬坡度和加速性能；(2) 恒功率階段，其作用是保證車輛到一定速度下的加速時間；(3) 自然特性，即功率與轉(zhuǎn)速成反比，其作用是保證車輛在最高車速下的性能。

該曲線包括了目前最常用的峰值轉(zhuǎn)矩Mmax、峰值功率Pmax兩個典型參數(shù)。

2 驅(qū)動電機的運行特點

電動汽車在實際運行中，并不是經(jīng)常運行在最大包絡(luò)線特性上。對于純電驅(qū)動電機，其運行狀態(tài)一般包括起動加速、恒速、制動減速和停車等階段；對于混合動力汽車，運行狀態(tài)類似。運行工況為典型的斷續(xù)周期工作制，即GB 755—2008[5]規(guī)定的S9。針對不同的線路特點，各國規(guī)定了電動汽車不同的典型運行工況，中國典型城市運行工況、中國典型市郊運行工況[6]分別如圖2、圖3所示。對于純電驅(qū)動電機，將速度折算為驅(qū)動電機的轉(zhuǎn)速，即為驅(qū)動電機的速度-時間特性。

圖2 中國典型城市運行工況

圖3 中國典型市郊運行工況

根據(jù)驅(qū)動電機的轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速特性及運行工況，可計算出驅(qū)動電機在不同運行條件下的功率。

3 額定功率和額定轉(zhuǎn)速的確定

由于驅(qū)動電機運行特點為典型的S9制，因此為了試驗臺溫升試驗的方便，引入了額定功率。電機的額定功率僅僅是為了方便在試驗臺上考核電機的溫升而通過計算得出的功率。當(dāng)電動汽車運行線路和電動機特性確定后，根據(jù)線路運行要求來確定驅(qū)動電動機的額定功率。本文通過基于等效溫升法和等效電流法兩種方法確定其額定功率。

3.1 基于等效溫升法確定額定功率

額定功率實際上是等效功率，即驅(qū)動電機在該功率運行規(guī)定時間的溫升與其實際運行時承受的斷續(xù)周期負載產(chǎn)生的溫升等效。其基本計算方法如下。

(1) 根據(jù)驅(qū)動電機在實際運行中每一個較小時間段的損耗和冷卻條件，采用不穩(wěn)定溫升的計算方法計算出驅(qū)動電機運行在規(guī)定的運行區(qū)間后的定子繞組的最高溫升ΔT1。

(2) 按照假定的額定功率P2、額定轉(zhuǎn)速下的損耗和冷卻條件，計算在規(guī)定時間t內(nèi)的定子繞組的溫升ΔT2。

(3) 若ΔT1=ΔT2，則所選擇的額定功率適當(dāng)；若不相等，則須按調(diào)整的額定功率，重復(fù)上述步驟。

為得到同樣的溫升ΔT，可以采用較大的P2和較小的t，或者采用較小的P2和較長的t。當(dāng)t為無窮大時，P2即為持續(xù)功率，當(dāng)t為1h，P2即為小時功率。

3.2 基于等效電流法確定額定功率[7]

盡管基于等效溫升法來確定驅(qū)動電機的額定功率是較為精確的一種方法，但計算方法非常復(fù)雜。因此，一般采用等效電流法確定額定功率。其基本思路如下。

根據(jù)驅(qū)動電機轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速特性、線路斷面圖、運行要求可以計算出任意時刻的電流曲線i=f(t)。等效電流IN為

式中：T——驅(qū)動電機工作周期。

根據(jù)等效電流，可以計算出對應(yīng)的額定功率。

等效電流法與等效溫升法相比，存在假設(shè)： ① 不考慮驅(qū)動電機的鐵耗、附加損耗等對溫升的影響；② 不考慮不同轉(zhuǎn)速下驅(qū)動電機冷卻條件的變化對溫升的影響。

4 溫升試驗方法的探討

為驗證所開發(fā)的驅(qū)動電機能否滿足所規(guī)定的運行工況，須在試驗臺上進行溫升試驗。驅(qū)動電機按照所規(guī)定的運行工況運行，電機各部分的允許溫升不得超過各部分的允許溫升限值。

目前，溫升考核試驗方法有兩種： (1) 循環(huán)工況下的溫升試驗；(2) 恒定負載的溫升試驗。

4.1 循環(huán)工況下的溫升試驗

將驅(qū)動電機放在溫度為最高工作溫度的恒溫箱內(nèi)，按運行工況(如中國典型城市運行工況)計算出來的功率-時間關(guān)系給驅(qū)動電機施加負荷，冷卻條件與驅(qū)動電機在車上實際運行的冷卻條件相同。要求試驗的任一時刻，驅(qū)動電機的溫升不得超過驅(qū)動電機各部分的允許溫升。

該方法能真實反映驅(qū)動電機的運行特點，是一種準(zhǔn)確的驗證方法。但該方法要求有動態(tài)試驗臺，試驗條件要求苛刻，且試驗較麻煩。另外，由于電動汽車運行線路的不確定性，無論是采用實際路況還是采用中國典型城市運行工況，均不能把所有的情況包含在內(nèi)。

4.2 恒定負載的溫升試驗

按照GB/T 18488.1[6]在試驗臺上進行以下兩種恒定負載工況下的溫升試驗。

(1) 按等效溫升法計算得到的額定功率、額定轉(zhuǎn)速進行規(guī)定時間(根據(jù)工作制不同)的溫升試驗。

(2) 峰值功率下的短時溫升試驗。

4.3 幾種溫升試驗方法的評價

嚴格上講，額定工況下的溫升試驗與循環(huán)工況下的溫升試驗的結(jié)果應(yīng)相同。如這樣，也證明額定功率的計算準(zhǔn)確。

額定功率下的溫升試驗實際上考慮了驅(qū)動電機運行在峰值工況出現(xiàn)的較大功率和作用時間，但為了考核驅(qū)動電機的過載能力，一般要求進行峰值工況下的溫升試驗。按上述原則，峰值功率下的溫升比額定工況下的溫升要低。但由于工作時間難以確定，兩個溫升試驗結(jié)果可能不相等。

5 輸出能力的試驗驗證方法的探討

為有效評判驅(qū)動電機的輸出能力，必須對驅(qū)動電機進行溫升試驗。建議的方法： (1) 優(yōu)先采用循環(huán)工況法的溫升試驗；(2) 其次采用恒定負荷的溫升試驗。

在恒定負荷的溫升試驗中，必須在GB/T 18488.1規(guī)定的基礎(chǔ)上，進行如下明確規(guī)定：

(1) 由于驅(qū)動電機的最高環(huán)境工作溫度比GB 755約定的最高環(huán)境溫度高，因此需根據(jù)工作溫度的不同，對溫升限值進行相應(yīng)的修正；

(2) 明確規(guī)定峰值功率的具體轉(zhuǎn)速點，即恒轉(zhuǎn)矩與恒功率交匯點，且峰值工況下的溫升試驗從冷態(tài)開始；

(3) 增加短時過載功率試驗。當(dāng)電動汽車掉進某一坑時，為爬過該坑，要求驅(qū)動電機的功率可能比峰值功率要高，但此時驅(qū)動電機為熱態(tài)。具體試驗方法： 驅(qū)動電機處于熱態(tài)，施加一個短時過載功率運行規(guī)定的時間，要求驅(qū)動電機的溫升不超過其溫升限值。

6 結(jié) 語

本文根據(jù)驅(qū)動電機運行特點，提出確定驅(qū)動電機額定功率的具體方法，并對驗證驅(qū)動電機輸出能力的溫升試驗具體方法進行了探討。由于電動汽車運行線路的不確定性，因此建議比較驅(qū)動電機在試驗臺上的溫升和不同運行場合的實際溫升，以統(tǒng)計出該場合運行的驅(qū)動電機的實際額定功率。其目的是設(shè)計出可靠且不過度設(shè)計的驅(qū)動電機。

【參考文獻】

[1] 陳世坤.電機設(shè)計[M].北京： 機械工業(yè)出版社，1982.

[2] 劉靈芝,張炳力，湯仁禮.某型純電動汽車動力系統(tǒng)參數(shù)匹配研究[J].合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2007，30(5)： 69-71.

[3] 楊祖元,秦大同，孫東野.電動汽車動力傳動系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計及動力性仿真[J].重慶大學(xué)學(xué)報，2002，25(6)： 21-24.

[4] 李紅朋，胡明輝，謝紅軍，等.基于工況分析法的電動汽車參數(shù)匹配[J].重慶大學(xué)學(xué)報，2013，27(1)： 17-21.

[5] GB 755—2008旋轉(zhuǎn)電機定額和性能[S].

[6] GB/T 18488.1—2006電動汽車用電機和控制器 第1部分： 技術(shù)條件[S].

[7] 李益豐.電動汽車用異步驅(qū)動電機的設(shè)計[J].變流技術(shù)與電力牽引,2003(6)： 35-38.