电池组直接供电对电动汽车驱动性能的影响

刘平， 刘和平， 郭强， 付强

（1．重庆大学输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室，重庆 400044;2．威斯康星大学密尔沃基分校电气工程与计算机科学系，美国密尔沃基WI 53211）

0 引言

新能源汽车的发展基于两个前提:环境污染和能源危机。在此形势下，世界各国的汽车制造商纷纷投入大量资金用于电动汽车的研发［1］。我国早在2000年底就设立了863电动汽车重大专项，且近日16家央企由国资委牵头又成立了央企电动车产业联盟，从整车制造到电池生产以及充电站基础配套设施建设，覆盖了电动汽车产业链的各个关键环节。

当前最具产业化前景的零排放车辆无疑是适用于市区行驶的微型纯电动汽车。这类车辆更倾向于选择低压系统且由铅酸或锂电池组直接供电。同时作为电动汽车的关键部件之一的电机驱动系统其性能直接决定着电动汽车运行性能的优劣［2－3］。异步电机的动力特性极为接近理想车辆驱动场，是纯电动汽车驱动系统极具竞争力的选择，能满足电动汽车电驱动系统动静态特性好、调速范围宽等性能指标［4－5］。近年来，文献［5］从整车驱动角度分析提出了电动汽车电机驱动系统的理想动力特性。文献［6］研究了外加电压的变化对永磁同步电动机性能的影响。文献［7］分析了电动机机械特性对推进系统性能的影响，未对异步电机机械特性本身的影响因素进行分析。文献［8］深入研究了鼠笼异步电动机的机械特性，为鼠笼异步电机的研究提供实用的数学模型。文献［9］针对长期在电压偏差条件下运行的电机，对其内部损耗变化的一般规律进行了系统研究。而分析电动汽车工况下电池组直接供电存在的问题及其对整车性能影响的文献，尚未见报道。

本文以48V电池组直接供电的纯电动汽车异步电机驱动系统为研究对象。从负载角度分析电池放电特性;根据异步电机枢机特性分析供电电压变化对电机最大输出转矩的影响，并结合驱动系统特性实例分析，研究了直接供电对整车性能的影响。

1 微型纯电动汽车驱动系统

电动汽车结构多样，且他们的结构和许多性能以及技术参数都有其本身的特征［3］。本文的纯电动汽车单电机驱动。其结构组成如图1所示。

目前对于不同类型的电动汽车尚无标准的系统电压，且电压等级差别很大。系统电压影响着电动汽车的匹配设计和性能等多个方面［3］。系统电压越高，所需的电池串联节数就越多，电池组质量就越大。低压系统所需电池节数少（由于各单体电池的差异导致系统失效的机率会比电池节数多的系统更小）;绝缘等级要求低;更宜使用MOSFET器件降低控制器成本;可较好地实现电动汽车轻量化、低成本;以及满足续驶里程和加速时间优化条件的电池－车辆的最优质量比。因此用于市区行驶的纯电动汽车更倾向于选择由铅酸或磷酸铁锂电池组直接供电的低压方案。但这种方案存在以下问题:在同车型配置情况下相同工况运行时低压系统相比高压系统的电池组输出电流更大，端电压波动及线路压降更明显。

图1 纯电动汽车驱动系统结构Fig．1 Drive system structure of pure electric vehicle

2 电动汽车用动力电池特性动态分析

关于动力电池电压特性的一般认识如下［10］:

1）同一组电池，相同荷电状态 （state of charge，SOC）下，电池电压因放电电流的大小而变化，放电电流越大，电压越低，在没有电流的情况下电压最高;

2）温度越低，同等容量电池的电压越低;在低温条件下，电压平台和可用容量的下降都更明显;

3）随着循环的进行，电池性能劣化，放电平台降低，相同电压所代表的容量也相应变化。

动力电池的工作过程是一个与电流、功率、温度和SOC等多种因素密切相关的电化学过程。以从目前的研究成果来看，很难用一个完美的电池模型来精确地描述所有的电池性能。因此人们利用各种手段和方法来建立不同类型的电池模型，从而更加具体的描述电池的各项性能，例如等效电路模型、电化学模型、有限元模型、计算流体力学模型及分段数学模型等［11－14］。各种类型的电池模型都有各自的特点，而对于本文所要研究的车载蓄电池系统特性可简易地如图2所示进行模拟。

图2 电池等效电路模型Fig．2 Equivalent circuit of battery

在放电过程中，动力电池的端电压可表达为

式中:Vo和Ri分别为动力电池的开路电压及其内阻，它们与动力电池荷电状态有关;RC为导线电阻;I为动力电池的放电电流。

动力电池接线端处的放电功率可表示为

当电动汽车运行于启动和加速等工况下，动力电池需要瞬间大电流放电。然而由动力电池的放电机理和式（1）～式（4）可知，电池的放电能力有限，不能提供无限大的瞬时放电电流，而且放电电流的突然增大将导致输出端电压急剧下降。

以奥拓汽车为原型车改制成采用48 V磷酸铁锂电池组驱动系统的纯电动汽车，构成本文的仿真和实验平台。图3（a）所示为电动汽车运行于某工况下电池组放电特性的仿真曲线，图3（b）为实测曲线。由这两组曲线可知在电动汽车运行过程中动力电池的输出端电压变化很频繁，且波动范围很大，图3（b）所示实测值在41V和50V之间波动。

图3 电池组放电特性仿真和实测曲线Fig．3 Simulation and measured curves of battery pack’s discharge characteristics

3 纯电动汽车驱动系统特性及影响分析

3.1 异步电机理想特性分析

异步电机的等效电路如图4所示［15］。可以得到

图4 异步电机等效电路Fig．4 Equivalent circuit of asynchronous motor

当电机角速度不断增加时，反电动势和无功电压 jωeσLss也相应增加。

另外由电机原理可知，异步电机的最大电磁转矩Tem可以表示为

式中xs、xr和Rr分别为定子电抗、转子电抗和转子电阻。可以看出在某个固定转速下，若转差s保持恒定，则电机输出的最大电磁转矩与相电压幅值的平方成正比。只改变定子电压大小并保持异步电机其他参数不变可得到一组机械特性曲线，如图5所示。

图5 转矩和定子电压关系曲线Fig．5 Relation between torque and stator voltage

从式（7）和图5可以看出，降电压后的机械特性曲线峰值转矩与起动转矩都正比于定子电压的平方;最高转速和最大转矩时的临界转差率都与电压无关;定子电压下降后，异步电机的起动转矩和最大转矩都明显降低。

3.2 异步电机驱动系统特性实例分析

电动汽车电机驱动系统的性能测试方法多样，从整车驱动特性和匹配标定角度考虑，本文搭建了异步电机驱动系统测试台架。该台架主要由额定48 V200 Ah的磷酸铁锂电池组、异步电机、电机控制器、转矩转速传感器以及额定100 N·m的磁粉加载器等组成。其中电机额定电压为33 V;额定和最大功率分别为5 kW和20 kW。采用3个具有限流功能的控制器驱动异步电机，测试得到电机输出峰值转矩。测试峰值与理想峰值的对比结果如图6所示。图6中控制器 A、B和 C分别为英国的 PG ACT465L、美国的Curtis 1236－5301和自行研制的控制器，其交流电流限制值依次为460、350、600 A。

由图6可知，在基速区内，控制器输出的电流越小，电机输出的峰值转矩就越小，即由于控制器的最大输出电流受到了限制使得电机相绕组的灌入电流被限制，且由3个电流受限的控制器测试得到的电机峰值转矩达不到设计值。然而，在高速区，当电机转速不断上升时，相绕组的反电动势增加，而实际使用中电池电压却出现较大跌落，这就形成供电电压与反电动势之间的电压差值越来越小，致使相绕组能够被灌入的电流越来越小。当能被灌入的相电流值小到越来越接近控制器B的限流值（最低限流值）时，控制器A、B和C测试得到的峰值转矩就会越来越接近。

同时从图6又可以看出，控制器C测试得到的峰值转矩与设计值在低速范围内较接近，但在基速区附近（图6阴影区）峰值转矩却比设计值有明显下降，而且恒转矩区也比设计值更窄（在1600 r/min时曲线开始下降，未到基速3000 r/min）。这也是由相绕组被灌入的电流不足所致。

图6 异步电机最大转矩实测值与设计值对比Fig．6 Comparison between measured maximum torque and design value of asynchronous motor

3.3 驱动系统的实际特性对电动汽车的影响

根据车辆动力学原理［16］可知，车辆在直线行驶中所受的阻力有四类:空气阻力FW，滚动阻力Ff，坡度阻力Fi以及加速阻力Fj。总阻力为

以本纯电动汽车在3个爬坡度（坡度分别为0%、10%和20%）下的阻力矩为例。图7描述了驱动系统的峰值特性差异对整车性能的影响，可见电机驱动系统的实际输出峰值工作特性与理想的峰值工作特性有一定的差距。这种差异明显影响到电动汽车的爬坡能力，而且电机在高速区的峰值工作特性差异还影响整车的最高速度。图8为电动汽车驱动转矩－加速时间曲线，可见电机峰值驱动力的差异还影响电动汽车的加速性能，实际驱动力明显低于理想峰值导致加速时间变长。

图7 电机驱动系统的峰值特性差异对整车性能的影响Fig．7 Effect of the different of motor peak power charac-teristic on EV pfma

图8 电动汽车驱动力－加速时间曲线Fig．8 EV driving force vs acceleration time curve

图9 不同电压波动下的驱动电机工作点及其效率Fig．9 Operation points and efficiency of traction motor under different voltage vibrations

图9为电池电压波动较大及较小时电机工作点及效率曲线。比较图9（a）和图9（c）可知，当供电电压波动较大时电机实际工作点较多地偏离了额定工作区，电机效率低于电压波动较小时的。又比较图9（b）和图（d）在80～100%效率区间内的工作点可知，图9（b）中90%效率处的工作点较密集，而图9（d）中80%效率处的工作点更多。因此可知图9（b）的平均效率低于图9（d）。可知电池组供电电压波动较大时电机驱动系统性能更差，电机损耗更大。

4 结论

本文以48 V电池组直接供电的纯电动汽车异步电机驱动系统为研究对象，讨论了电池组直接供电对电动汽车驱动性能的影响，得到了以下结论:

1）电池组在频繁加速、减速工况运行过程中电池端电压波动范围大。电池组直接供电引起电机控制器直流母线电压极不稳定。

2）异步电机峰值转矩与起动转矩都正比于定子电压的平方，供电电压的波动恶化了电机驱动系统的性能。电压波动越大驱动系统性能越差，电机损耗越大。

3）电机驱动系统的实际特性与理想特性存在差异，明显影响电动汽车的最高车速和爬坡、加速性能。

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（编辑:张诗阁）