輪轂電機驅動電動汽車的電氣系統設計分析

達州職業技術學院 王明昇

電動汽車是當前廣泛使用的新能源汽車，與傳統動力汽車相比，電動汽車以系統整合的電機驅動系統來替換傳統發電機，驅動電機也由此成為電動汽車的核心技術，研發和推廣輪轂電機技術，對取代汽車現有傳動系統具有重要意義。近年，隨著科學技術發展以及人們環保意識的增強，新能源汽車得到研發和使用，其中電動汽車由于經濟、環保、低噪音、易保養、政策優惠等優勢，日漸受到消費者青睞。輪轂電機結構簡潔、傳動高效、差速轉向突出，可以實現復雜驅動方式，在純電動車、增程電動車、燃料電池電動車、混合電動車等新新能源車型中均適用，是現階段業界關注和研究的熱點。電氣系統也稱低壓配電系統，負責向電動汽車供給電能，其供能穩定與否直接關系汽車的運行性能與駕駛安全，因此設計安全可靠的電氣系統是研發電動汽車的關鍵和重點。電動汽車所用驅動電機的機械與電氣結構雖然相對簡單，但可以改善汽車的轉矩特性，不過仍未能從根本上改變車輛運動性能，輪轂電機驅動技術優勢尚有待深入挖掘。對此，筆者通過分析汽車動力學與驅動電機，嘗試為輪轂電機驅動電動汽車設計電器系統，以更好的滿足其電氣需求，保障汽車安全高效運行。

1 輪轂電機驅動電動汽車的電氣系統組成

汽車工業快速發展背景下，人們對汽車性能的要求不斷提高。現階段，電子控制技術飛速發展，目前已經應用于電動汽車工業制造領域，特別是在電器系統設備中的應用，加速了集成化、智能化發展。電動汽車電氣系統設備構成可概括為七個功能部件（見圖1），具體如下：①電源系統，用于向全車用電設備提供低壓直流電能；②發動系統，負責帶動飛輪旋轉，使曲軸達到必要的起動轉速，由起動機、繼電器、開關等組成；③儀表與報警系統，包括儀表、各報警指示燈及控制器等要件；④點火系統，負責將低壓電轉變成高壓電；⑤電子控制裝置，包括自動變速箱、制動防抱死系統、恒速控制等；⑥照明與信號系統，包括喇叭和各種車燈以及控制它們的控制繼電器和開關；⑦輔助裝置，包括電控門鎖、雨刷裝置、電控車窗升降、電動座椅等，以提高車輛安全性與舒適性，見圖1。

圖1 電動汽車電氣設備基本組成

2 輪轂電機驅動電動汽車的動力學與驅動電機分析

2.1 動力學分析

汽車的運動通常以牛頓第二定律來描述。當汽車沿水平方向行駛時，道路阻力（Fw）是以下四種阻力之和：空氣阻力、坡度阻力、車輪滾動阻力、加速度阻力，分別以Ff、Ff、Fr、Fa表示，則Fw=Fr+Fg+Ff+Fa。其中，Ff為0.5倍的空氣密度（ρ）、空氣阻力系數（k1）、車輛迎風面積（S）與車速（v）和頂風車速（v0）之和平方的積，即Fr=0.5ρk1S(v＋v0)2；Fr為滾動阻力系數（k2）、車重（W）、重力加速度（g）與坡度角余弦（cos a）的積，即Fr=k2Wg cos a。而水平行使狀態下，坡度角a為0°，則Fa=k3Wdv/dt，其中k3為加速度系數，Fg=Wgsin a，其中sin a為a正弦，車輛爬坡時Fg為正，反之為負。

2.2 驅動電機模型分析

進步電機與直刷無流電機是兩種常用的驅動電機，兩者未通電狀態下手旋轉電機軸阻力存在差異，后者基本沒有阻力，旋轉平順，無頓挫感，更具技術優勢，現以三相六狀態的無刷直流電機為例，對輪轂電機驅動電動汽車的驅動電機進行分析[1]。為了簡化分析過程，我們不計渦流耗損和磁耗損，忽視齒槽效應，假設驅動系統逆變電路功率與續流二級管開關特性良好，同時不考慮電機鐵心飽，那么電機運行電功率傳遞與轉化的方式可視為以下兩種，一種是經由氣隙磁場傳遞給轉子，另一種則是直接轉化為銅耗。其中前者占比高，也稱電磁功率，以Pe表示。如果不計機械耗損及其他雜散耗損，則Pe為電磁轉矩（Te）和電機機械角速度（ω）之積，即Pe=Teω，表示Pe全部轉為電子動能。那么基于能量守恒原理，電機輸入功率（P1）由兩個部分組成，一部分是Pe，另一部分是同為熱耗損的電樞繞組銅耗和功率器件損耗，分別以PCu和PT表示，即P1=PCu+Pe+PT。而P1是電機經由磁場轉化為機械能，考慮負載端損耗，功率傳遞（Pe）則等于負載轉矩（TL）與空載轉矩（T0）之和乘以ω，即輸出功率（P2）與空載耗損（P0）之和，公式為Pe=(TL+T0)ω=P2+P0。

以輪轂電機驅動的電動汽車，我們可以視輪轂電機輸出的功率和電動汽車驅動的功率基本相等，那么根據方程式，道路阻力與車速之積為驅動功率（P），也是輪轂電機驅動的總功率，而一輛電動汽車有4個電動機，設單個功率為P2，則P=4×P2。汽車在行使過程中，由于道路變化的原因，遇到的阻力會有所不同，那么基于上述公式，驅動電機輸出功率也是動態變化的。而在電動汽車中，動力回路負責傳遞輸出功率，因此動力回路的電流也是動態變化的，如何維持動力電流的動態穩定性至關重要，是確保電機系統工作的重要因素。我們基于上述分析設計了驅動電機，見圖2。汽車行駛過程中輸出功率（Pout）為4個驅動電機輸出總功率（P）、與動力回路熱損耗（P3）之和，即動力電池兩端電壓（U）與輸出回路總電流（I）之積，公式為Pout=P+P3=UI。

圖2 電動汽車驅動電機分布方案

3 輪轂電機驅動電動汽車的電氣系統設計

基于前文的汽車動力學分析及驅動電機模型分析結果設計輪轂電機電氣系統，系統使用無刷直流輪轂電機和無刷直流電機控制器，組成動力回路與輔助回路兩部分，主要參數如下：①電機型號DDCLM80001205，額定轉速每分鐘800轉，最高轉速每分鐘1200轉；②控制器外形尺寸18厘米×9.7厘米×4厘米，最大功率1.5千瓦，最大電流100安；③電機功率800瓦，額定電壓72伏，空載電流0.5安，峰值功率1.2千瓦；④控制器為冷風式結構，總量0.5千克，額定功率1千瓦，額定電壓72伏；效率90%-96%。電池及整車主要參數：①無刷直流電機驅動，單體容量20毫安，數量4個；②電子加速，使用12伏鉛蓄電池，最高續航40千米；③外形尺寸2.3米×1.7米×1.2米，總量280千克；④輪距1.43毫米，軸距1.335毫米，最高時速60千米，最大爬坡20°。

基于上述電機與控制器的設計參數，結合前文計算公式，計算電氣系統動力回路瞬時放電情況，發現安培值較高，可能給動力回路安全造成威脅。對此，我們設計了一個高壓絕緣箱，利用電控技術調控絕緣箱在動力回路出現故障時可以進行絕緣，然后將動力回路元件置于箱內，使故障時可以與電池組斷開，防止電路系統意外風險。高壓系統是輪轂電機驅動電動汽車潛在危險因素，為了保證高壓電器安全，需確保直流正負極母線與底盤絕緣。電池箱內安裝傳感器與報警器，同樣利用電控技術，當汽車出現意外情況時，可以發揮被動防范功能[2]。例如：當電池溫度過高或汽車行駛過程中側翻時，傳感器接受危險信號后，自動切斷動力回路與電池的連接，確保車輛及行駛安全。另外，我們還為電動汽車設置了自動閉鎖電機控制器，用于限制車載插座使用狀態下的車輛開動，以確保車輛安全使用。基于上述考慮，設計了整車動力回路與輔助電源回路，見圖3和圖4。

圖3 輪轂電機驅動電動汽車整車動力電氣系統示意圖

圖4 輪轂電機驅動電動汽車輔助電源回路示意圖

為了滿足電器系統過流能力強的要求，同時確保使用壽命，我們選用MZJ-100A直流接觸器作為主繼電器（K12），為了保證正常使用狀態下線路不熔斷，而在出現短路時可實現毫秒級熔斷，我們使用RS95B 100A為主熔斷器，使用TRV4-L-24V-2F為輔繼電器，使用橫截面積16 mm2的銅芯電纜。CAN總線負責信號傳輸，檢測到異常時能夠通過控制接觸器切斷電源。考慮電流電阻等因素影響，其他回路視情況選用橫截面 積 為4.0、1.5或0.5mm2的導線。電池串聯采用編織線，CAN總線采用雙絞線。將本研究設計的電器系統用于輪轂電機驅動電動汽車，經實際路況測試，元件運行正常，汽車行駛穩定，系統基本可以滿足汽車行駛要求，但電器系統參數及整車結構有待優化，以進一步提高車輛整體性能[3]。

4 結語

本文介紹了輪轂電機驅動電動汽車電氣系統的組成，遵循電動汽車電器系統基本設計方法，通過分析電動汽車動力學與驅動電機，為輪轂電機驅動電動汽車設計電氣系統，系統分為動力回路與輔助回路兩個部分，可以滿足汽車電氣需求，同時設有充電保護、絕緣檢測、被動防范等功能，以保障汽車有效安全運行。不過由于條件有限，目前仍需大量試驗對本次電氣系統設計結果進行驗證，并據此優化電氣系統參數及性能，以進一步提高設計的穩定性與實用性。