夏 琦 韓志強(qiáng) 田 維 韓偉強(qiáng) 薛光明

（1-溫州大學(xué)甌江學(xué)院浙江溫州3250352-西華大學(xué)汽車與交通學(xué)院）

·新能源·

基于輕型混合動(dòng)力車不同行駛模式的電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)研究*

夏 琦1韓志強(qiáng)2田 維2韓偉強(qiáng)2薛光明1

（1-溫州大學(xué)甌江學(xué)院浙江溫州3250352-西華大學(xué)汽車與交通學(xué)院）

在混合動(dòng)力車上采用平順行駛模式和急速行駛模式進(jìn)行道路工況試驗(yàn)，對(duì)兩種行駛模式下驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速、扭矩、電流和溫度等相關(guān)參數(shù)進(jìn)行對(duì)比分析。結(jié)果表明：采用平順行駛模式時(shí)電機(jī)實(shí)際電流相對(duì)比較平穩(wěn)，且驅(qū)動(dòng)電機(jī)繞線溫度和逆變器溫度均低于急速行駛模式，因此在平順行駛模式下，驅(qū)動(dòng)電機(jī)的性能相對(duì)比較穩(wěn)定。

混合動(dòng)力車行駛模式驅(qū)動(dòng)電機(jī)

引言

隨著石油資源的日益匱乏和排放法規(guī)的日趨嚴(yán)格，新能源汽車逐漸成為汽車發(fā)展的重要研究方向，其中混合動(dòng)力汽車是具有廣闊應(yīng)用前景的新能源汽車。為確?；旌蟿?dòng)力車在道路工況中發(fā)揮良好的經(jīng)濟(jì)性和排放性能，除了良好匹配的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和蓄電池組，以及優(yōu)化控制策略以外[1-2]，不同行駛模式對(duì)混合動(dòng)力系統(tǒng)產(chǎn)生的影響也是關(guān)鍵因素之一。

本文研究的混合動(dòng)力車采用混聯(lián)方式，在平順行駛和急速行駛兩種模式下分別進(jìn)行道路工況試驗(yàn)研究，通過(guò)對(duì)兩種行駛模式下電機(jī)的轉(zhuǎn)速、扭矩、電流和溫度等相關(guān)參數(shù)對(duì)比分析，將混合動(dòng)力車的瞬時(shí)行駛狀態(tài)與電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)各參數(shù)緊密聯(lián)系起來(lái)，以便更真實(shí)地反映不同行駛模式對(duì)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的影響。

1 試驗(yàn)裝置和試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)裝置

在一輛輕型混聯(lián)式混合動(dòng)力車上進(jìn)行道路試驗(yàn)，通過(guò)安裝一套采集系統(tǒng)對(duì)相關(guān)參數(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。試驗(yàn)用輕型混合動(dòng)力車所選用的發(fā)動(dòng)機(jī)為本田WH125-6風(fēng)冷單缸四沖程汽油發(fā)動(dòng)機(jī)，發(fā)動(dòng)機(jī)主要參數(shù)如表1所示，試驗(yàn)用驅(qū)動(dòng)電機(jī)為無(wú)刷輪轂電機(jī)，電機(jī)參數(shù)如表2所示。

表1 試驗(yàn)用發(fā)動(dòng)機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

表2 試驗(yàn)用驅(qū)動(dòng)電機(jī)參數(shù)

在該輕型混合動(dòng)力車中，采用混聯(lián)方式將發(fā)動(dòng)機(jī)、電機(jī)和蓄電池等部件組合成混合動(dòng)力車的主要驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。根據(jù)整車能量管理策略的需要，分別由發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)為車輛提供相應(yīng)的動(dòng)力[3]。電機(jī)通過(guò)控制器控制，可以工作在驅(qū)動(dòng)狀態(tài)和發(fā)電狀態(tài)。蓄電池通過(guò)放電為驅(qū)動(dòng)電機(jī)提供電流，通過(guò)吸收發(fā)電電流和電機(jī)制動(dòng)電流進(jìn)行充電。

1.2 試驗(yàn)方法

采集系統(tǒng)每隔0.1 s對(duì)所有數(shù)據(jù)采集記錄一次，共記錄600次，即60 s。分別對(duì)平順行駛和急速行駛兩種模式下實(shí)時(shí)車速和實(shí)際行駛距離進(jìn)行記錄，同時(shí)對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速、扭矩、電流和溫度等相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集記錄。通過(guò)對(duì)兩種行駛模式下各相關(guān)參數(shù)進(jìn)行對(duì)比分析，研究混合動(dòng)力車的瞬時(shí)行駛狀態(tài)與驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)之間緊密相關(guān)性，以便更真實(shí)地反映不同行駛模式對(duì)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的影響。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 行駛距離

圖1為不同行駛模式下的行駛距離，從圖1可以看出，平順行駛模式下，從起步到停車整個(gè)過(guò)程相比均較平穩(wěn)；急速行駛模式下，從起步到停車整個(gè)過(guò)程，急加速急減速比較明顯。在急速行駛模式下，混合動(dòng)力車從起步到停車共用時(shí)43 s，行駛距離為220.5 m，平均速度達(dá)到18.46 km/h；在平順行駛模式下，混合動(dòng)力車從起步到停車共用時(shí)55.6 s，行駛距離為216.6，平均速度為14.02 km/h。

圖1 不同行駛模式下的行駛距離

2.2 實(shí)時(shí)車速

圖2為不同行駛模式下的實(shí)時(shí)車速，從圖2可以看出，在平順行駛模式下，從車速0加速到最大車速33 km/h，用時(shí)30 s，平均加速度為0.31 m/s2，但在急速行駛模式下，從車速0加速到最大車速，僅僅用時(shí)23.6 s，平均加速度達(dá)到0.41 m/s2。在平順行駛模式下，從最大車速33 km/h到車速降為0，用時(shí)23.1 s，平均減速度為0.39 m/s2，但在急速行駛模式下，從車速33 km/h降到0，所用時(shí)間僅為5.4 s，平均減速度為1.69 m/s2。與平順行駛模式相比，急速行駛模式有更大的急加速和急減速。

圖2 不同行駛模式下的實(shí)時(shí)車速

2.3 電機(jī)轉(zhuǎn)速

圖3為不同行駛模式下的電機(jī)轉(zhuǎn)速，從圖3可以看出，在平順行駛模式下，電機(jī)通過(guò)三次速度提升，共用時(shí)31.3 s，才使電機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到最高值965 r/min；但在急速行駛模式下，驅(qū)動(dòng)電機(jī)僅通過(guò)一次速度提升就使轉(zhuǎn)速達(dá)到1 024 r/min，不僅最高轉(zhuǎn)速超過(guò)平順行駛模式，而且用時(shí)僅11.6 s。在行駛25 s以后，兩種行駛模式都進(jìn)入驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速下降的過(guò)程，在這過(guò)程中，平順行駛模式共通過(guò)三次減速，用時(shí)23.3 s，將轉(zhuǎn)速降為0，而急速行駛模式僅用一次減速，用時(shí)僅19.6 s。因此，在急速行駛模式下，驅(qū)動(dòng)電機(jī)經(jīng)歷了急加速和急減速狀態(tài)。

圖3 不同行駛模式下的電機(jī)轉(zhuǎn)速

2.4 電機(jī)扭矩

電機(jī)驅(qū)動(dòng)的核心是電機(jī)轉(zhuǎn)速控制，而轉(zhuǎn)速控制的本質(zhì)是扭矩控制，是提高電機(jī)系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)性能、行駛里程及可靠性的根本保證[4-5]。

圖4為不同行駛模式下的電機(jī)扭矩，從圖4可以看出，在加速過(guò)程中，急速行駛模式下，驅(qū)動(dòng)電機(jī)啟動(dòng)和輸出扭矩較為頻繁，且持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，達(dá)到25.6 s，而平順行駛模式的持續(xù)時(shí)間為10.4 s。相反，在減速過(guò)程中，平順行駛模式下，驅(qū)動(dòng)電機(jī)反轉(zhuǎn)頻率較高，且持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，達(dá)到14.4 s，而急速行駛模式的持續(xù)時(shí)間為6.1 s。說(shuō)明平順行駛模式在減速過(guò)程中對(duì)于能量的回收更多更有效。

圖4 不同行駛模式下的電機(jī)扭矩

2.5 電機(jī)繞線溫度

電機(jī)繞線通上電流后，電機(jī)鐵芯在磁場(chǎng)中產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)，使電機(jī)繞線溫度升高。電機(jī)繞線溫度升高是電機(jī)設(shè)計(jì)及運(yùn)行中的一項(xiàng)重要指標(biāo)，標(biāo)志著電機(jī)的發(fā)熱程度。

圖5為不同行駛模式下的電機(jī)繞線溫度，從圖5可以看出，在平順行駛模式中，電機(jī)繞線溫度恒定在56℃，在整個(gè)行駛過(guò)程中電機(jī)繞線溫度均比較穩(wěn)定。但急速行駛模式下，在急加速過(guò)程中，電機(jī)繞線溫度從56℃到57℃有明顯的躍升，并且電機(jī)繞線溫度提升后持續(xù)的時(shí)間高達(dá)20.1 s。表明，驅(qū)動(dòng)電機(jī)的急加速過(guò)程能引起電機(jī)繞線溫度的躍升，主要原因是急加速需要更多能量，流過(guò)電機(jī)繞組的電流增大，引起驅(qū)動(dòng)電機(jī)繞線溫度過(guò)快升高。

圖5 不同行駛模式下的電機(jī)繞線溫度

2.6 電機(jī)逆變器溫度

無(wú)刷直流電機(jī)是一種自控變頻的永磁同步電機(jī)，就其基本結(jié)構(gòu)而言，逆變器與永磁同步電動(dòng)機(jī)和磁位置檢測(cè)電路三者組成了“電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)”[6-7]。逆變器是驅(qū)動(dòng)電機(jī)的重要組成部分，逆變器的溫度變化能反映電機(jī)的溫度狀態(tài)和運(yùn)行情況。逆變器的工作溫度與驅(qū)動(dòng)電機(jī)的失效率密切相關(guān)。圖6為不同行駛模式下的電機(jī)逆變器溫度，從圖6可以看出，兩種行駛模式中，電機(jī)逆變器溫度的整體趨勢(shì)基本相同，都經(jīng)歷了由高到低后又有所回升的過(guò)程。但平順行駛模式的電機(jī)逆變器平均溫度為28℃，而急速行駛模式下的電機(jī)逆變器平均溫度高達(dá)32℃，比平順行駛模式平均高4℃。因此，急速行駛模式對(duì)電機(jī)逆變器的影響遠(yuǎn)大于平順行駛模式，增大了電機(jī)逆變器失效概率。

圖6 不同行駛模式下的電機(jī)逆變器溫度

2.7 電機(jī)電壓

在電壓變化范圍不大的情況下，由于電壓降低，電機(jī)電流升高；電壓升高，電機(jī)電流降低。在一定范圍內(nèi)，鐵耗和銅耗可以相互補(bǔ)償，溫度基本保持在容許范圍內(nèi)。但電壓過(guò)低時(shí)，電機(jī)電流升得過(guò)高，會(huì)引起電機(jī)繞線組溫度過(guò)熱。圖7為不同行駛模式下的電機(jī)電壓，從圖7可以看出，急速行駛模式下，電機(jī)電壓下降的趨勢(shì)比平順行駛模式明顯。

圖7 不同行駛模式下的電機(jī)電壓

2.8 電機(jī)電流

電機(jī)電流增大，會(huì)使電機(jī)發(fā)熱，電機(jī)溫度過(guò)高會(huì)導(dǎo)致電機(jī)熱退磁現(xiàn)象，嚴(yán)重的會(huì)影響電機(jī)的驅(qū)動(dòng)運(yùn)行性能和使用壽命[8-10]。圖8為不同行駛模式下的電機(jī)電流，從圖8可以看出，在加速過(guò)程中，急速行駛模式的電機(jī)電流三次達(dá)到較高值，且持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，平順行駛模式下的電機(jī)電流達(dá)到較高值僅一次，且持續(xù)時(shí)間較短。在電機(jī)電流反向充電過(guò)程中，平順行駛模式的電機(jī)電流反向充電效果明顯高于急速行駛模式。

圖8 不同行駛模式下的電機(jī)電流

3 結(jié)論

1）在加速過(guò)程中，急速行駛模式下，驅(qū)動(dòng)電機(jī)啟動(dòng)和輸出扭矩較為頻繁，且持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)；在減速過(guò)程中，平順行駛模式下，驅(qū)動(dòng)電機(jī)反轉(zhuǎn)頻率較高，且持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)。

2）平順行駛模式下的電機(jī)繞線溫度和逆變器溫度均低于急速行駛模式，平順行駛模式下的機(jī)電穩(wěn)定性優(yōu)于急速行駛模式。

3）平順行駛模式下的電機(jī)電流達(dá)到高值的次數(shù)明顯少于急速行駛模式，且電機(jī)電流反向充電效果明顯高于急速行駛模式。

1Yoshitaka Deguchi,Kouichi Kuroda,Makoto Shouji,et al. HEV charge/discharge control system based on navigation information[C].SAE Paper 2004-21-0028

2Johnson V H,Wipke K B,Rausen D J.HEV control strategy for real-time optimazation of fuel economy and emissions[C]. Futrue Car Congress.Crystal,USA:2000-01-1543

3MILLER J M.Propulsion systems for hybrid vehicles[R].IEE Power and Energy Series 45,2004

4Diallo D.,Benbouzid,M.E.H,Makouf,A.A fault-tolerant control architecture for induction motor drives in automotive applications[J].IEEE Transactions on Vehicular Technology, 2004,53(6):1847-1855

5Mehrdad Ehsani,Khwaja M..Evaluation of soft switching for EV and HEV motor drives[J].IEEE Trans on Industrial Electronics,2001,48(1):.82-90

6姜衛(wèi)東.混合動(dòng)力電動(dòng)汽車用無(wú)刷直流電機(jī)動(dòng)態(tài)性能及控制策略的研究[D].合肥：合肥工業(yè)大學(xué)，2004

7譚徽.應(yīng)用于兩輪電動(dòng)車輛的永磁無(wú)刷直流電機(jī)的研究[D].上海：上海大學(xué)，2000

8Ruiwu Cao,ChrisMi,Ming Cheng.Quantitative comparison of flux-switching permanent-magnet motors with interior permanent magnet motor for EV,HEV,and PHEV application[J]. IEEE Transactions on Magnetics,2012,48(8):2374-2384

9Jinxin.Fan,Chengning Zhang,Zhifu Wang,et al.Thermal analysis of water cooled surface mount permanent magnet electric motor for electric vehicle[C].Conference on ICEMS, 2010:1024-1028

10 G.Airoldi,G.L.Ingraml,K.Mahkamov,et al.Computations on heat transfer in axial flux permanent magnet machines[C]. Conference on ICEM,2008:1-6

Investigation on the Motor Drive System of Hybrid Electric Vehicle in Various Driving Modes

Xia Qi1,Han Zhiqiang2,Tian Wei2,Han Weiqiang2,Xue Guangming1
1-Oujiang College,Wenzhou University(Wenzhou,Zhejiang,325035,China) 2-School of Automobile&Transportation,Xihua University

In this paper,the road test of hybrid electric vehicle(HEV)has been experimentally investigated when using various driving modes,the motor performance has been demonstrated through comparing the smooth driving mode and the rapid driving mode,which including the related parameters such as speed, torque,current and temperature.The results show that,the actual current of motor is relatively stable using the smooth driving mode,meanwhile,the temperature of winding coils and inverter was lower than those of the rapid driving mode.Through comparing,the motor performance has been relatively stable using the smooth driving mode.

Hybrid electric vehicle(HEV),Driving mode,Motor

U469.72

A

2095-8234（2016）05-0070-04

2016-08-18）

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51406137），溫州市公益技術(shù)研究工業(yè)項(xiàng)目（G20140053），內(nèi)燃機(jī)燃燒學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金資助項(xiàng)目（K2015-06）。

夏琦（1982—），男，副教授，主要研究方向?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)燃燒理論。

韓偉強(qiáng)（1985—），男，碩士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)閮?nèi)燃機(jī)清潔燃燒技術(shù)。