四輪輪式驅動電動汽車電氣系統設計

張莉

(煙臺汽車工程職業學院 車輛運用工程系， 煙臺 264000)

0 引言

四輪輪式驅動電動汽車具備整車結構簡單，傳動高效等優勢，且各車輪差速轉向通過微機實時控制即可實現，因此在電動汽車發展中已成為重要的研究方向，其中安全可靠的電氣系統設計至關重要，電動汽車的能源供給與傳輸需由電氣系統負責完成，電氣系統是實現電動汽車安全穩定行駛的前提，在電氣系統中，動力回路的主要特點便是高電壓大電流，正常工作時動力回路的電流可至數十(甚至上百)安培，其瞬間放電的電流甚至會成倍增加 ，而整車控制系統回路等要求電源具有高穩定性，因此在對整車電氣系統進行設計和規劃時，需滿足電動車輛的驅動要求，并且能夠保障車輛及車內人員在運行過程中的安全[1]。

1 動力學分析和驅動電機分析

1.1 動力學分析

本文以四輪輪式驅動電動汽車為依據對象，四輪輪式驅動電動汽車在沿水平方向行駛時，道路阻力由Fw表示，空氣阻力由Ff表示，加速度阻力由Fa表示，坡度阻力由Fg表示，車輪滾動阻力由Fr表示，則其動力學方程表達式可表示如下：

Fw=Ff+Fr+Fa+Fg

空氣密度由ξ表示，車輛迎風面積由A表示，空氣阻力系數由k1表示，由v表示車速，頂風速度由v0表示，則空氣阻力的表達式為：

Ff=0.5ξk1A(v+v0)2

滾動阻力是由于輪胎變形所導致的，車輛的重量由m表示，g表示重力加速度，滾動阻力系數會受到車速影響由k2表示，坡度角由α表示(水平行駛時則α=0)，滾動阻力通常可由以下公式表示：

Fr=k2mgcosα

加速度系數由k3表示，坡度角由α表示，Fg在車輛爬坡時為正，在車輛下坡時為負，加速度阻力及坡度阻力的表示式如下[2]：

Fa=k3mdv/dt

Fg=mgsinα

1.2 驅動電機模型

無刷直流電機(三相六狀態)的原理如圖1所示。

假設：齒槽效應、電機鐵心飽和、電樞反應、渦流損耗和磁損耗忽略不計；氣隙磁場分布近似為梯形波[3]。

電機運行時的電功率從電源獲取使轉子實現永磁體的力矩的接收(在氣隙磁場作用下)，電磁功率的大小為三相繞組的相反電動勢乘以相電流再分別相加，具體表達式如下：

Pe=eAiA+eBiB+eCiC

全部的電磁功率轉換為轉子動能時(忽略機械及雜散損耗情況下)，電機機械角速度由ω表示，電磁轉矩由Te表示，

圖1 無刷直流電機等效模型

可得：

Pe=Teω

Te=(eAiA+eBiB+eCiC)/ω

電機在工作過程中根據能量守恒可知，電機的輸入功率由電磁功率(由Pe表示)和熱損耗(由PT+PCu表示)兩部分組成，其中電樞繞組的銅耗表達式為：PCu=raI2；電磁功率的表達式為：Pe=keω；逆變橋功率器件的損耗為：PT=ΔUI。其輸入功率的表達式為：

P1=PCu+Pe+PT

空載損耗由P0表示，TL為負載轉矩由，T0為空載轉矩，輸出功率由P2表示，電磁功率(電機克服反電動勢所用功率)傳遞考慮負載端損耗時的表達式如下：

Pe=(TL+T0)ω=P2+P0

電機的輸出功率近似為汽車的驅動功率(驅動安裝在車輪內的輪轂電機完成驅動過程)，道路阻力由Fw表示，單個電機輸出功率由P2表示，根據Fw=Ff+Fr+Fa+Fg可知，四輪輪式獨立驅動電動汽車的驅動功率表達式如下：

P=Fwv=4P2

在行駛過程中，電動汽車的阻力功率一直處在動態變化中，驅動電機的輸出功率也會隨之變化，驅動電機通過動力回路傳遞其輸出功率，動力回路中的電流在電動汽車運行過程中隨時都在變化，系統的散熱及正常工作與否都會受到該回路電流大小的影響，同時該回路電流的大小也會對電池組的放電性能產生影響，本文所研究的四輪輪式驅動電動汽車的驅動電機分布方案如圖2所示[4]。

圖2 電動汽車動力布置方式

對測控電路的保護可利用金屬殼，通過讓金屬殼接地實現，從而有效避免驅動電機不受控制輻射的干擾。通過光隔離技術的使用實現測控電路與電動機的驅動回路間保持相互獨立的狀態，從而避免四輪速度不完全一致時電網負載突變產生或驅動電路制造的干擾信號通過線路對測控線路的正常工作產生直接影響。假設P為驅動電機輸出總功率，U、I分別表示電壓和電流，P3為動力回路熱損耗，動力電池的輸出功率為(在行駛過程中)：

Pout=P+P3=UI

考慮到車重、迎風面積、電機參數，根據以上公式能夠分別完成車輛在行駛過程中(爬坡、加速等)的電流大小的計算。

2 電動汽車電氣系統設計

以使電動汽車的電氣要求得到更好的滿足，針對四輪輪式驅動電動汽車本文在設計時將其電氣系統分為動力回路(為無刷直流驅動電機供電)和輔助回路(為其他功能模塊供電)，驅動電機、電機控制器及電池及整車的參數如表1—表3所示。

表1 單個無刷直流輪轂電機參數

表2 單個無刷直流電機控制器參數

表3 電池及其整車主要參數

計算系統動力回路瞬時放電電流，電流計算結果可達百安培，因此需在高壓絕緣箱內完成動力回路中所有元器件的安放以提高該動力回路的安全性和可靠性，同時確保車體與該回路中的所有母線的正負極均處于絕緣狀態；此外為使系統在出現故障時能夠實現動力回路同電池組的自動斷開，還需在箱體中設置斷路器；通過對直流正、負極母線與底盤的絕緣性進行檢測，以消除對人員和車輛產生威脅的高壓系統中的潛在危險，從而為純電動汽車的高壓電氣的安全性提供保障。在自動閉鎖電機控制器的作用下，只要在車載處于充電狀態，車輛便不能開動，進一步提高充電過程的安全性能。除此之外還需將紅外傳感器、煙霧報警器及加速度傳感器安裝在電池箱內，通過動力回路與電池組的自動斷開，確保一旦出現溫度過高或煙霧過大時實現被動防范功能，而一旦車輛發生碰撞、側翻時的情況被檢測到，則通過加速度傳感器實現動力回路與電池組的自動斷開[5]。

基于上述設計上的考慮，整車動力回路如圖3所示。

圖3 整車動力電氣系統

在電氣系統中為使過流能力強和使用壽命的需求得到有效滿足，直流接觸器(主繼電器)采用了MZJ—100A，由k12表示；采用TRV4—L—24v—2F作為輔繼電器，采用RS95B 100A作為主熔斷器(由F0表示)，為確保在非短路時不熔斷，并且在短路時做到毫秒級的快速熔斷，將額定電流(由I表示)設定為100 A；電池組內部熔斷器主要起到過流保護的作用，F1表示輔助回路主熔斷器，其額定電流為30 A；接觸器控制回路的熔斷器額定電流為1 A；F3為整車控制器的熔斷器(I=5 A)；F4為組合開關控制用的熔斷器(I=3 A)；前后左右四個驅動電機由無刷直流電機 1～4分別表示，動力電池組內部回路的斷開則由開關S1完成，方便維修調試，主回路正負極通過接觸器K12(型號功能相同)的使用，實現對主回流通斷的控制；充電控制的顯示過程由儀表和接觸器K10，K11，K13負責；二極管D負責預防反接導致的電氣事故。系統的核心便是能源管理系統，需對充放電進行控制，及檢測電池SOC，當不正常情況(過流、欠壓、高溫等)被檢測到時，通過控制接觸器(K10，K11，K13)的功能引腳，能源管理系統實現控制主回路同動力電池組通斷的功能；號通過CAN總線實現紅外及煙霧檢測信號、充電安全信號、絕緣檢測信號及其他信號的傳輸；本文在對導體直流電阻、質量及載流量等因素進行充分考慮的基礎上，在主回路中的銅芯電纜導線通過的持續電流(30 ℃時)可達到100 A；使用編織線實現單塊電池間的串聯；對于其他回路的導線截面積可選用4 mm2，0.5 mm2，1.5 mm2，0.35 mm2；CAN總線采用雙絞線(截面積為2×1.0 mm2)[6]。

3 系統檢測

為檢測本文所設計的電動汽車電氣系統的有效性及實用性，在四輪輪式驅動電動汽車上應用本研究設計的電氣系統，該車完成裝配后的總質量為350千克，具備72VDC的電壓等級以及20 Ah的單體電池容量，采取在標準路況下進行試驗，試驗車輛通過長達15 km的實際路況測試，最高車速可達到每小時80千米，0～40 km/h的加速時間為30秒，續航里程為80千米，經實際路況下測試的結果表明應用該電氣系統的車輛行駛狀況較為穩定，并且各元器件皆處于正常運行狀態，各功能模塊運行正常，該系統具備過流、欠壓保護功能，能夠實現絕緣檢測及充電保護的功能，可滿足車輛在行駛狀態中的電氣需求，證明了電動汽車行駛要求在應用本文所研究設計的整車電氣系統時可到店有效滿足，但仍存在優化的空間，需對電氣系統的參數和整車結構進一步優化，進一步提高整車性能[7]。

4 總結

在行駛過程中電動汽車(四輪輪式驅動)需協調控制四個輪轂電機，其動力回路中的電壓和電流較大，行駛工況受到電機輸出功率的影響較大，因此在電氣系統設計上需具備較高的安全性和可靠性，本文在對電動汽車的驅動電機及其動力學分析的基礎上，完成了車輛行駛動力學方程的構建，據此獲取主電路的負載電流及電壓同電機功率、轉速、扭矩，車速間的匹配關系，并完成系統動力回路中關鍵元器件(繼電器、熔斷絲和接觸器等)的電氣參數的計算，在此基礎上完成了四輪輪式驅動電動汽車的電氣系統的設計。將系統應用到四輪輪式驅動電動汽車中的測試結果表明，該系統能有效的滿足此類電動汽車的電氣需求，具有較高的穩定性和實用性。但仍存在優化的空間，需對電氣系統的參數和整車結構進一步優化，進一步提高整車性能。