电动汽车用电机驱动系统的电磁兼容技术研究
严永利++张国栋++周运强+刘文涛++王峻+亓新春+张强++刘振防
[摘 要]随着纯电动汽车的大量应用，对电动车设计研发过程中的动力匹配设计要求也越来越高。为保障电动汽车在行驶中具有良好的动力性和经济性，就要求对电动汽车的驱动电机进行合理的计算和匹配选型。电动车驱动电动机的匹配主要考虑转速、功率、转矩、额定电压、绝缘等级、防护等级、工作制几个因素。本文从实际出发，介绍了电动汽车驱动电机的匹配计算方法，为行业同仁在进行电动汽车驱动电机参数匹配时提供可行的思路。
[关键词]电动汽车，驱动电机，动力匹配
中图分类号：U469.72 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2018）06-0089-01
1 驱动电机的转速
电机的最高转速与电动汽车的最高车速之间的关系为：
式中，nmax为电机最高转速，r/min；vmax为电动汽车的最高车速，Km/h；it为电动汽车传动系统的传动比；r为车轮半径，m。
电动汽车最高车速是指电动汽车能够往返各持续1Km以上距离的最高平均车速。电机额定转速为；
式中，ne为电机的额定转速；β为电机扩大恒功率区系数。
β值越大，在低转速区电机就可获得越大的转矩，有利于提高车辆的加速能力和爬坡性能，稳定运行性能好；但β值太大，会增大电机的工作电流，同时功率变换器件的功率损失和尺寸也会增大，因此β值不宜过高。Β通常取值为2-4。
2 驱动电机的功率
驱动电机是纯电动汽车行驶的唯一动力源，对整车的动力性有直接的影响。电机功率的选择需要充分平衡动力性和经济性。
2.1 驱动电机的额定功率
正确选择驱动电机的额定功率很关键，如果选择功率过小，则电机会经常在过载状态下运行；相反，如果选择功率太大，则电机会经常工作在欠载状态，效率及功率因数降低，不仅浪费电能，而且为了达到预期的续航里程还要增加动力电池的容量，综合经济效益下降。电机的额定功率应使电机尽可能工作在高效率区。
电机额定功率应满足电动汽车对最高车速的要求，同时要考虑电机的过载要求。其驱动电机的额定功率为：
式中，pe为驱动电机的额定功率；λ为电机的过载系数；pemax为电机的峰值功率；pm1为电动汽车以最高车速行驶时所消耗的功率。
2.2 驱动电机的峰值功率
驱动电机的峰值功率由整车的设计目标来确定，峰值功率应该达到最高车速、最大爬坡度及加速时间分别对应的最大功率需求。
（1）根据电动汽车的设计最高车速要求确定电机的峰值功率。电动汽车以最高车速在平坦路面行驶时所需要的驱动电机功率为：
式中，pm1为电动汽车以最高车速行驶时所消耗的功率，kW；m为电动汽车试验质量，kg；f为轮胎滚动阻力系数；CD为汽车迎风阻力系数；A为电动汽车迎风面积，m2；ηt为电动汽车传动系统效率。
其中试验质量是指电动汽车整备质量与试验所需附加质量之和。附加质量，如果最大允许装载质量小于或等于180Kg，该质量为最大允许装载质量；如果最大允许装载质量大于180Kg，但小于360Kg，该质量为180Kg；如果最大允许装载质量大于360Kg，该质量为最大允许装载质量的一半。最大允许质量包括驾驶员质量。
（2）根据电动汽车最大爬坡度确定驱动电机峰值功率。电动汽车以爬坡车速爬上最大坡度时所需的电机功率为：
式中，pm2为电动汽车以爬坡车速爬上最大坡度所消耗的功率，kW；vp为电动汽车爬坡车速，km/h；αmax为最大坡角度，（°）。
爬坡车速指电动汽车在给定坡度的坡道上能持续以1km以上的平均车速爬完坡道。按国标要求，对于纯电动汽车，车辆通过4%坡度的速度不低于60Km/h；车辆通过12%坡度的速度不低于30Km/h；最大爬坡度不低于20%。
（3）根据电动汽车设计要求的加速能力确定驱动电机的峰值功率。加速能力是指电动汽车从某一速度加速到另一速度所需的最短时间，满足加速能力所需要的电机功率为：
（2-3）
式中，pm3为电动汽车满足加速能力所需要的功率，kW；vf为加速结束后的车速，m/s；vb为驱动电机额定转速对应的车速，m/s；ρa为空气密度；ta为预期的加速时间，s；δ为旋转质量转换系数。
式（2-3）的第一、二项分别代表克服轮胎滚动阻力和空气阻力的平均功率，第三项代表用来加速车辆的能力。
对于纯电动汽车，0～50Km/h和50～80km/h的加速时间应分别小于10s和15s。
驱动电机的峰值功率应能同时满足电动汽车对最高车速、最大爬坡度和加速能力的要求，所以电动汽车驱动电机的峰值功率为：
式中，为驱动电机的峰值功率。
3 驱动电机的转矩
驱动电机额定转矩和峰值转矩分别为：
，
式中，Temax为驱动电机的峰值转矩，N·m；Te为驱动电动机的额定转矩，N·m。
驱动电机初步参数确定之后，还须验证是否滿足一定速度下的最大爬坡度和最高车速要求，即：
4 驱动电机的额定电压
驱动电机电压等级的确定和动力电池组电压等级密切相关。在输出功率一样的条件下，电流会随电压变高而减小，这就降低了对开关和导线以及功率器件等元件的要求。但若电压平台过高，会增加单体电池串联的数量，布置困难。电机额定电压常由电机的参数决定，并正比于电机额定功率。即电机额定功率越大，其额定电压越高。同时，电机额定电压选择要符合标准系列规定的电压。
5 驱动电机的绝缘等级
驱动电机的绝缘等级指电动机用绝缘材料的耐热等级，不同绝缘材料耐受高温的能力对其规定了7个允许的最高温度国际标准，按照温度大小排列分别为：Y、A、E、B、F、H和C。它们的允许工作温度分别为：90、105、120、130、155、180和180℃以上。原则上，绝缘等级越高越好，一般选择H级。
6 驱动电机的防护等级
驱动电机作为电动汽车的主要部件，采用高电压工作，一旦遭遇水淹，可能会发生漏电短路问题，因此按照国标要求电动车的防护级别要达到IP67级。
7 驱动电机的工作制
电机的工作制分为：S1-S10；电动汽车驱动电机的工作性质是：负载和转速在允许的范围内变化的非周期工作制，这种工作制包括经常过载，其值可远远超过满载。因此应选用S9工作制（负载和转速非周期性变化工作制）。
8 结论
本文从电动汽车电机参数匹配分析入手、深入分析了驱动电机的功率、转矩、额定电压、绝缘等级、防护等级、工作制的确定方法，为电动汽车驱动电机的匹配选型提供了思路和方法，对于电动汽车研发从业者具有参考意义。
参考文献
[1] 崔胜民.新能源汽车技术解析[M].北京：化学工业出版社，2017.
作者简介
严永利，男，硕士，工程师，研究方向：新能源汽车。曾供职于吉利汽车、福田汽车，获新能源汽车领域9项专利，累计在国家级学术期刊上发表论文10余篇。
