電池組直接供電對電動汽車驅動性能的影響

劉平， 劉和平， 郭強， 付強

（1．重慶大學輸配電裝備及系統安全與新技術國家重點實驗室，重慶 400044;2．威斯康星大學密爾沃基分校電氣工程與計算機科學系，美國密爾沃基WI 53211）

0 引言

新能源汽車的發展基于兩個前提:環境污染和能源危機。在此形勢下，世界各國的汽車制造商紛紛投入大量資金用于電動汽車的研發［1］。我國早在2000年底就設立了863電動汽車重大專項，且近日16家央企由國資委牽頭又成立了央企電動車產業聯盟，從整車制造到電池生產以及充電站基礎配套設施建設，覆蓋了電動汽車產業鏈的各個關鍵環節。

當前最具產業化前景的零排放車輛無疑是適用于市區行駛的微型純電動汽車。這類車輛更傾向于選擇低壓系統且由鉛酸或鋰電池組直接供電。同時作為電動汽車的關鍵部件之一的電機驅動系統其性能直接決定著電動汽車運行性能的優劣［2－3］。異步電機的動力特性極為接近理想車輛驅動場，是純電動汽車驅動系統極具競爭力的選擇，能滿足電動汽車電驅動系統動靜態特性好、調速范圍寬等性能指標［4－5］。近年來，文獻［5］從整車驅動角度分析提出了電動汽車電機驅動系統的理想動力特性。文獻［6］研究了外加電壓的變化對永磁同步電動機性能的影響。文獻［7］分析了電動機機械特性對推進系統性能的影響，未對異步電機機械特性本身的影響因素進行分析。文獻［8］深入研究了鼠籠異步電動機的機械特性，為鼠籠異步電機的研究提供實用的數學模型。文獻［9］針對長期在電壓偏差條件下運行的電機，對其內部損耗變化的一般規律進行了系統研究。而分析電動汽車工況下電池組直接供電存在的問題及其對整車性能影響的文獻，尚未見報道。

本文以48V電池組直接供電的純電動汽車異步電機驅動系統為研究對象。從負載角度分析電池放電特性;根據異步電機樞機特性分析供電電壓變化對電機最大輸出轉矩的影響，并結合驅動系統特性實例分析，研究了直接供電對整車性能的影響。

1 微型純電動汽車驅動系統

電動汽車結構多樣，且他們的結構和許多性能以及技術參數都有其本身的特征［3］。本文的純電動汽車單電機驅動。其結構組成如圖1所示。

目前對于不同類型的電動汽車尚無標準的系統電壓，且電壓等級差別很大。系統電壓影響著電動汽車的匹配設計和性能等多個方面［3］。系統電壓越高，所需的電池串聯節數就越多，電池組質量就越大。低壓系統所需電池節數少（由于各單體電池的差異導致系統失效的機率會比電池節數多的系統更小）;絕緣等級要求低;更宜使用MOSFET器件降低控制器成本;可較好地實現電動汽車輕量化、低成本;以及滿足續駛里程和加速時間優化條件的電池－車輛的最優質量比。因此用于市區行駛的純電動汽車更傾向于選擇由鉛酸或磷酸鐵鋰電池組直接供電的低壓方案。但這種方案存在以下問題:在同車型配置情況下相同工況運行時低壓系統相比高壓系統的電池組輸出電流更大，端電壓波動及線路壓降更明顯。

圖1 純電動汽車驅動系統結構Fig．1 Drive system structure of pure electric vehicle

2 電動汽車用動力電池特性動態分析

關于動力電池電壓特性的一般認識如下［10］:

1）同一組電池，相同荷電狀態 （state of charge，SOC）下，電池電壓因放電電流的大小而變化，放電電流越大，電壓越低，在沒有電流的情況下電壓最高;

2）溫度越低，同等容量電池的電壓越低;在低溫條件下，電壓平臺和可用容量的下降都更明顯;

3）隨著循環的進行，電池性能劣化，放電平臺降低，相同電壓所代表的容量也相應變化。

動力電池的工作過程是一個與電流、功率、溫度和SOC等多種因素密切相關的電化學過程。以從目前的研究成果來看，很難用一個完美的電池模型來精確地描述所有的電池性能。因此人們利用各種手段和方法來建立不同類型的電池模型，從而更加具體的描述電池的各項性能，例如等效電路模型、電化學模型、有限元模型、計算流體力學模型及分段數學模型等［11－14］。各種類型的電池模型都有各自的特點，而對于本文所要研究的車載蓄電池系統特性可簡易地如圖2所示進行模擬。

圖2 電池等效電路模型Fig．2 Equivalent circuit of battery

在放電過程中，動力電池的端電壓可表達為

式中:Vo和Ri分別為動力電池的開路電壓及其內阻，它們與動力電池荷電狀態有關;RC為導線電阻;I為動力電池的放電電流。

動力電池接線端處的放電功率可表示為

當電動汽車運行于啟動和加速等工況下，動力電池需要瞬間大電流放電。然而由動力電池的放電機理和式（1）～式（4）可知，電池的放電能力有限，不能提供無限大的瞬時放電電流，而且放電電流的突然增大將導致輸出端電壓急劇下降。

以奧拓汽車為原型車改制成采用48 V磷酸鐵鋰電池組驅動系統的純電動汽車，構成本文的仿真和實驗平臺。圖3（a）所示為電動汽車運行于某工況下電池組放電特性的仿真曲線，圖3（b）為實測曲線。由這兩組曲線可知在電動汽車運行過程中動力電池的輸出端電壓變化很頻繁，且波動范圍很大，圖3（b）所示實測值在41V和50V之間波動。

圖3 電池組放電特性仿真和實測曲線Fig．3 Simulation and measured curves of battery pack’s discharge characteristics

3 純電動汽車驅動系統特性及影響分析

3.1 異步電機理想特性分析

異步電機的等效電路如圖4所示［15］。可以得到

圖4 異步電機等效電路Fig．4 Equivalent circuit of asynchronous motor

當電機角速度不斷增加時，反電動勢和無功電壓 jωeσLss也相應增加。

另外由電機原理可知，異步電機的最大電磁轉矩Tem可以表示為

式中xs、xr和Rr分別為定子電抗、轉子電抗和轉子電阻。可以看出在某個固定轉速下，若轉差s保持恒定，則電機輸出的最大電磁轉矩與相電壓幅值的平方成正比。只改變定子電壓大小并保持異步電機其他參數不變可得到一組機械特性曲線，如圖5所示。

圖5 轉矩和定子電壓關系曲線Fig．5 Relation between torque and stator voltage

從式（7）和圖5可以看出，降電壓后的機械特性曲線峰值轉矩與起動轉矩都正比于定子電壓的平方;最高轉速和最大轉矩時的臨界轉差率都與電壓無關;定子電壓下降后，異步電機的起動轉矩和最大轉矩都明顯降低。

3.2 異步電機驅動系統特性實例分析

電動汽車電機驅動系統的性能測試方法多樣，從整車驅動特性和匹配標定角度考慮，本文搭建了異步電機驅動系統測試臺架。該臺架主要由額定48 V200 Ah的磷酸鐵鋰電池組、異步電機、電機控制器、轉矩轉速傳感器以及額定100 N·m的磁粉加載器等組成。其中電機額定電壓為33 V;額定和最大功率分別為5 kW和20 kW。采用3個具有限流功能的控制器驅動異步電機，測試得到電機輸出峰值轉矩。測試峰值與理想峰值的對比結果如圖6所示。圖6中控制器 A、B和 C分別為英國的 PG ACT465L、美國的Curtis 1236－5301和自行研制的控制器，其交流電流限制值依次為460、350、600 A。

由圖6可知，在基速區內，控制器輸出的電流越小，電機輸出的峰值轉矩就越小，即由于控制器的最大輸出電流受到了限制使得電機相繞組的灌入電流被限制，且由3個電流受限的控制器測試得到的電機峰值轉矩達不到設計值。然而，在高速區，當電機轉速不斷上升時，相繞組的反電動勢增加，而實際使用中電池電壓卻出現較大跌落，這就形成供電電壓與反電動勢之間的電壓差值越來越小，致使相繞組能夠被灌入的電流越來越小。當能被灌入的相電流值小到越來越接近控制器B的限流值（最低限流值）時，控制器A、B和C測試得到的峰值轉矩就會越來越接近。

同時從圖6又可以看出，控制器C測試得到的峰值轉矩與設計值在低速范圍內較接近，但在基速區附近（圖6陰影區）峰值轉矩卻比設計值有明顯下降，而且恒轉矩區也比設計值更窄（在1600 r/min時曲線開始下降，未到基速3000 r/min）。這也是由相繞組被灌入的電流不足所致。

圖6 異步電機最大轉矩實測值與設計值對比Fig．6 Comparison between measured maximum torque and design value of asynchronous motor

3.3 驅動系統的實際特性對電動汽車的影響

根據車輛動力學原理［16］可知，車輛在直線行駛中所受的阻力有四類:空氣阻力FW，滾動阻力Ff，坡度阻力Fi以及加速阻力Fj。總阻力為

以本純電動汽車在3個爬坡度（坡度分別為0%、10%和20%）下的阻力矩為例。圖7描述了驅動系統的峰值特性差異對整車性能的影響，可見電機驅動系統的實際輸出峰值工作特性與理想的峰值工作特性有一定的差距。這種差異明顯影響到電動汽車的爬坡能力，而且電機在高速區的峰值工作特性差異還影響整車的最高速度。圖8為電動汽車驅動轉矩－加速時間曲線，可見電機峰值驅動力的差異還影響電動汽車的加速性能，實際驅動力明顯低于理想峰值導致加速時間變長。

圖7 電機驅動系統的峰值特性差異對整車性能的影響Fig．7 Effect of the different of motor peak power charac-teristic on EV pfma

圖8 電動汽車驅動力－加速時間曲線Fig．8 EV driving force vs acceleration time curve

圖9 不同電壓波動下的驅動電機工作點及其效率Fig．9 Operation points and efficiency of traction motor under different voltage vibrations

圖9為電池電壓波動較大及較小時電機工作點及效率曲線。比較圖9（a）和圖9（c）可知，當供電電壓波動較大時電機實際工作點較多地偏離了額定工作區，電機效率低于電壓波動較小時的。又比較圖9（b）和圖（d）在80～100%效率區間內的工作點可知，圖9（b）中90%效率處的工作點較密集，而圖9（d）中80%效率處的工作點更多。因此可知圖9（b）的平均效率低于圖9（d）。可知電池組供電電壓波動較大時電機驅動系統性能更差，電機損耗更大。

4 結論

本文以48 V電池組直接供電的純電動汽車異步電機驅動系統為研究對象，討論了電池組直接供電對電動汽車驅動性能的影響，得到了以下結論:

1）電池組在頻繁加速、減速工況運行過程中電池端電壓波動范圍大。電池組直接供電引起電機控制器直流母線電壓極不穩定。

2）異步電機峰值轉矩與起動轉矩都正比于定子電壓的平方，供電電壓的波動惡化了電機驅動系統的性能。電壓波動越大驅動系統性能越差，電機損耗越大。

3）電機驅動系統的實際特性與理想特性存在差異，明顯影響電動汽車的最高車速和爬坡、加速性能。

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（編輯:張詩閣）