串聯式混合動力電動汽車電動機設計

田寶春

(浙江交通技師學院汽車技術系，浙江 金華 321015)

串聯式混合動力電動汽車的驅動完全依賴于電動機，要求起步或爬坡時低速恒轉矩，高速時恒功率，這正好利用了電動機低速扭矩大、調速方便、超載能力強、效率高以及其回饋制動的特點來驅動車輛，并實現制動能量回收。

電動機參數應由所設計汽車整車參數和整車性能要求決定，參數選擇包括：轉速、額定功率，峰值功率以及額定電壓的選擇。

1 串聯式混合動力汽車電動機設計基本要求

電動機驅動系統包括電動機、功率電子電路及控制部分組成，混合動力電動汽車對電動機驅動系統的基本要求為：

（1）電動機驅動系統具有寬廣的調速范圍，有著與汽車行駛一致的動力特性。在同樣的額定輸出功率下，轉速越高，電動機尺寸、重量越小。

（2）動態性能好。電動機驅動系統要能夠頻繁地起動/停車、加速/減速。

（3）為了減少汽車的非有效載荷，要求電動機驅動系統體積小、重量輕，功率密度大，在短時間內具有較高的過載能力。

（4）高效率。

（5）電氣系統安全性和控制系統安全性較好。抗振動、耐腐蝕、低噪音、抗干擾，具有較好的電磁兼容性。

（6）能夠四象限運行，實現正反轉和再生制動。

（7）高電壓。電壓越高，電動機尺寸、重量越小，功率轉換器成本越低。

（8）適合批量生產，價格便宜，便于維修。

2 常見電動機的類型

目前常用的電動機有直流電動機、交流感應式電動機、永磁電動機、開關磁阻電動機等。

在功率電子元件出現以前，電動汽車中所采用的電動機主要是直流電動機，它的優點在于調速較為方便。20 世紀60～80年代初電動汽車大多采用直流串激有刷電機，80年代直流他激有刷電機也得到廣泛應用。這兩種電機由于有電刷的限制，轉速不能太高，因而質量大，尺寸大，效率較低，還需要對電刷進行維護。

20 世紀80年代后期和90年代，由于電力電子技術的飛速進步，功率電子元件以及變頻器的問世，再加上一些新的控制算法的出現，滑差控制、矢量控制、直接轉矩控制等交流電機的調速技術日趨成熟，交流電機驅動系統在電動汽車中己成為主流，交流電機的效率和功率密度都較直流電機高，而且交流電機結構牢固，維護起來十分方便。

性能優良的永磁材料的出現使得永磁電機獲得了人們的青睞，該電機沒有激磁銅耗、效率較高（最大效率可達95%）、體積小、功率密度大（可以遠大于1kW/kg）使它在混合動力汽車和純電動汽車中廣泛應用。但其主要不足是永磁材料昂貴，制造工藝復雜，性能受溫度影響較大(易退磁)，大功率輸出困難。

開關磁阻電機具有結構十分簡單、成本低、可靠性高、起動性能好、調速性能好，控制裝置也比較簡單等優點，但也有轉矩脈動大、噪聲大、必須使用位置檢測器、按照定子的凸極數來確定逆變器和電機的引出線等缺點。隨著技術的成熟也有著較好的應用前景。

3 電動機轉速選擇的原則

電動機的轉速設計包括額定轉速和最高轉速。電動機的最高轉速對電動汽車的動力系統的尺寸、電動機的額定扭矩都有影響。電動機的最高轉速與額定轉速的比值，稱為電動機擴大恒功率區系數β。隨著β 值的增大，額定轉速越低，對應的電動機額定功率越高，對電動機的支撐要求越高，此外，高轉矩需較大的電動機電流，增大了功率變換器的尺寸和損耗，但大β 又是車輛起步加速和穩定行駛所必需的，所以電機傳動軸額定轉矩的減少只能通過選用高速電機來解決。但這又影響到傳動比，所以必須協調考慮電機最高轉速和傳動系尺寸。另一方面，增大β 值也會使驅動軸轉矩和齒輪應力增大，選擇時還要考慮β 值和齒輪應力。目前，永磁交流電機其最高轉速一般在8 000～10 000 r/min，擴大恒功率區系數β一般選擇在3～5 之間，電機額定轉速見公式（1）：

式中：Nmr為電機額定轉速，r/min；Nmmax為電機最高轉速，r/min；β 為電機擴大恒功率區系數。

4 電動機峰值功率選擇的原則

在串聯式混合動力電動汽車中，電動機直接驅動車輪，所以必須能滿足汽車的功率需求。電動機的峰值功率要大于或等于車輛所需最大功率，同時要保證各部件質量總和最小，以利于提高電動機效率和減輕尺寸，降低整車成本。所以，選擇電動機的峰值功率時，能夠滿足車輛最大需求功率即可。其功率要滿足車輛在水平道路上以最高車速勻速行駛，同時要滿足加速性能和最大爬坡性能的要求。

汽車行駛時，不僅驅動力和行駛阻力相互平衡，即驅動力和各種行駛阻力(包括滾動阻力、空氣阻力、坡度阻力和加速阻力)之間相互平衡，而且電動機的功率和汽車行駛阻力功率也總是平衡的，其功率平衡方程式如公式（2）：

式中：P 為動力系統發出的總功率，kW；m 為汽車總重量，kg；g 為重力加速度，m/s2；f 為滾動阻力系數，取0.01；a 為坡度角；νa為車速，km/h；CD為空氣阻力系數，取0.6；A 為迎風面積，m2；δ 為旋轉質量換算系數；dv/dt 為行駛加速度，m/s2；ηT為從電動機到車輪的機械效率。

（1）滿足最高車速的功率需求

在串聯式混合動力電動汽車傳動中，電動機為汽車提供動力，起步時低速運轉，輸出恒轉矩，高速運轉時輸出恒功率，因此，其功率參數的選擇要由汽車性能要求決定。所謂汽車的最高車速是指汽車在良好路面上直線行駛時能達到的最高行駛車速，此時汽車應以最高檔行駛，且坡度阻力和加速阻力皆為零。因此，作為動力源的電動機要能夠提供足夠的力來克服其行駛阻力，包括滾動阻力、空氣阻力等。因此，當電機滿足最高車速時，其輸出功率見公式（3）：

式中：νmax為車輛的最高車速，km/h。

由式（3）可以計算得到滿足最高車速要求的功率，即此功率滿足汽車在水平道路上以最高車速勻速行駛。

（2）滿足最大爬坡度要求的功率

汽車最大爬坡度指汽車滿載時在良好路面上等速行駛能爬過的最大坡度。此時，汽車驅動力除克服滾動阻力和空氣阻力外的剩余驅動力全部用來克服坡度阻力。所以，其加速度為零，當汽車上坡時，只有電動機提供的汽車牽引力大于滾動阻力、空氣阻力和坡度阻力時，汽車才能爬上坡。電動機的峰值功率一定要滿足最大爬坡度的功率要求，即滿足本文設計的動力性能指標中的最大爬坡度要求。因此，當電動機滿足最大爬坡度要求時，其輸出功率如公式（4）：

式中參數代表的意義同上，由式(4)可以得到滿足最大爬坡度要求的功率。

（3）滿足加速時間的功率需求

汽車的加速時間通常包括原地起步加速時間和超車加速時間。現已原地起步加速時間進行分析。根據研究，電動機的峰值功率與串聯式混合動力汽車的加速時間關系密切，電動機的峰值功率越大，整車加速時間越短，動力性越好。但隨著電動機峰值功率的增加，加速時間減少越來越不明顯，而且電動機峰值功率的增加也會導致整車成本的上升。因此，電動機的峰值功率只需滿足該車設計的動力性能指標即可。在良好水平路面上，汽車由起步加速到Va所用的時間t 由公式（5）可算出：

式中：Ft為汽車牽引力，N；Fw為空氣阻力，N；Ff為滾動阻力，N；車輛在一定速度下能夠爬上的坡度反映了車輛的爬坡性能如公式（6）所示

5 電動機額定功率選擇的原則

我國一般城市公交車的車速為20～45 km/h，一些大中城市中的立交橋路面坡度一般為4～6%，因此，本文設計電動機的額定功率時可選擇車輛以40 km/h的平均速度在6%的道路上持續運行所需的功率作為確定電動機額定功率的重要參考量。把相關參數帶入公式（4）計算出的功率可以當做電動機的額定功率。

此外，混合動力串聯電動汽車完全由電動機驅動，要求電動機必須能夠為車輛提供充足的加速功率和爬坡功率，因此電動機功率參數還要根據車輛加速和爬坡性能的要求進行綜合考慮確定。

6 電動機額定電壓的選擇

電機電壓也是非常重要的參數，確定了電機電壓也就確定了電池組端電壓。電機功率一定時，電壓越高，電流就越小。電流減小，線路上的功率損耗就小，而且電池在以小電流放電時，可以發揮較大的容量，同時電壓越高，電機的轉速范圍就會越寬廣。但若電壓選的過高，則勢必需要更多的電池串聯工作，造成整車質量的增加和布局難度的加大，同時對電力電子器件的安全性和可靠性都提出了更高的要求。此外電流過小，造成蓄電池輸出功率明顯下降，電機電樞電流減小，扭矩隨之下降，造成整體驅動力降低，影響整車的動力性能等等。就目前而言，混合動力客車及純電動客車的電壓一般為350～650 V。

7 總結

混合動力動力總成系統設計是混合動力汽車關鍵技術之一，涉及多學科理論和技術。由于我國混合動力汽車研究與開發尚處于起步階段，存在許多技術問題需要解決。本文提出的混合動力電動汽車動力系統元件電動機的結構方案、參數的匹配比較符合實際，對開發出高水平的混合動力汽車有很好的實用價值。

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