基于轻型混合动力车不同行驶模式的电机驱动系统研究*

夏 琦 韩志强 田 维 韩伟强 薛光明

（1-温州大学瓯江学院浙江温州3250352-西华大学汽车与交通学院）

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基于轻型混合动力车不同行驶模式的电机驱动系统研究*

夏 琦1韩志强2田 维2韩伟强2薛光明1

（1-温州大学瓯江学院浙江温州3250352-西华大学汽车与交通学院）

在混合动力车上采用平顺行驶模式和急速行驶模式进行道路工况试验，对两种行驶模式下驱动电机的转速、扭矩、电流和温度等相关参数进行对比分析。结果表明：采用平顺行驶模式时电机实际电流相对比较平稳，且驱动电机绕线温度和逆变器温度均低于急速行驶模式，因此在平顺行驶模式下，驱动电机的性能相对比较稳定。

混合动力车行驶模式驱动电机

引言

随着石油资源的日益匮乏和排放法规的日趋严格，新能源汽车逐渐成为汽车发展的重要研究方向，其中混合动力汽车是具有广阔应用前景的新能源汽车。为确保混合动力车在道路工况中发挥良好的经济性和排放性能，除了良好匹配的驱动系统和蓄电池组，以及优化控制策略以外[1-2]，不同行驶模式对混合动力系统产生的影响也是关键因素之一。

本文研究的混合动力车采用混联方式，在平顺行驶和急速行驶两种模式下分别进行道路工况试验研究，通过对两种行驶模式下电机的转速、扭矩、电流和温度等相关参数对比分析，将混合动力车的瞬时行驶状态与电机驱动系统各参数紧密联系起来，以便更真实地反映不同行驶模式对驱动系统的影响。

1 试验装置和试验方法

1.1 试验装置

在一辆轻型混联式混合动力车上进行道路试验，通过安装一套采集系统对相关参数数据进行采集。试验用轻型混合动力车所选用的发动机为本田WH125-6风冷单缸四冲程汽油发动机，发动机主要参数如表1所示，试验用驱动电机为无刷轮毂电机，电机参数如表2所示。

表1 试验用发动机主要技术参数

表2 试验用驱动电机参数

在该轻型混合动力车中，采用混联方式将发动机、电机和蓄电池等部件组合成混合动力车的主要驱动系统。根据整车能量管理策略的需要，分别由发动机和电机为车辆提供相应的动力[3]。电机通过控制器控制，可以工作在驱动状态和发电状态。蓄电池通过放电为驱动电机提供电流，通过吸收发电电流和电机制动电流进行充电。

1.2 试验方法

采集系统每隔0.1 s对所有数据采集记录一次，共记录600次，即60 s。分别对平顺行驶和急速行驶两种模式下实时车速和实际行驶距离进行记录，同时对驱动电机的转速、扭矩、电流和温度等相关数据进行采集记录。通过对两种行驶模式下各相关参数进行对比分析，研究混合动力车的瞬时行驶状态与驱动系统之间紧密相关性，以便更真实地反映不同行驶模式对驱动系统的影响。

2 试验结果分析

2.1 行驶距离

图1为不同行驶模式下的行驶距离，从图1可以看出，平顺行驶模式下，从起步到停车整个过程相比均较平稳；急速行驶模式下，从起步到停车整个过程，急加速急减速比较明显。在急速行驶模式下，混合动力车从起步到停车共用时43 s，行驶距离为220.5 m，平均速度达到18.46 km/h；在平顺行驶模式下，混合动力车从起步到停车共用时55.6 s，行驶距离为216.6，平均速度为14.02 km/h。

图1 不同行驶模式下的行驶距离

2.2 实时车速

图2为不同行驶模式下的实时车速，从图2可以看出，在平顺行驶模式下，从车速0加速到最大车速33 km/h，用时30 s，平均加速度为0.31 m/s2，但在急速行驶模式下，从车速0加速到最大车速，仅仅用时23.6 s，平均加速度达到0.41 m/s2。在平顺行驶模式下，从最大车速33 km/h到车速降为0，用时23.1 s，平均减速度为0.39 m/s2，但在急速行驶模式下，从车速33 km/h降到0，所用时间仅为5.4 s，平均减速度为1.69 m/s2。与平顺行驶模式相比，急速行驶模式有更大的急加速和急减速。

图2 不同行驶模式下的实时车速

2.3 电机转速

图3为不同行驶模式下的电机转速，从图3可以看出，在平顺行驶模式下，电机通过三次速度提升，共用时31.3 s，才使电机转速达到最高值965 r/min；但在急速行驶模式下，驱动电机仅通过一次速度提升就使转速达到1 024 r/min，不仅最高转速超过平顺行驶模式，而且用时仅11.6 s。在行驶25 s以后，两种行驶模式都进入驱动电机转速下降的过程，在这过程中，平顺行驶模式共通过三次减速，用时23.3 s，将转速降为0，而急速行驶模式仅用一次减速，用时仅19.6 s。因此，在急速行驶模式下，驱动电机经历了急加速和急减速状态。

图3 不同行驶模式下的电机转速

2.4 电机扭矩

电机驱动的核心是电机转速控制，而转速控制的本质是扭矩控制，是提高电机系统的驱动性能、行驶里程及可靠性的根本保证[4-5]。

图4为不同行驶模式下的电机扭矩，从图4可以看出，在加速过程中，急速行驶模式下，驱动电机启动和输出扭矩较为频繁，且持续时间较长，达到25.6 s，而平顺行驶模式的持续时间为10.4 s。相反，在减速过程中，平顺行驶模式下，驱动电机反转频率较高，且持续时间较长，达到14.4 s，而急速行驶模式的持续时间为6.1 s。说明平顺行驶模式在减速过程中对于能量的回收更多更有效。

图4 不同行驶模式下的电机扭矩

2.5 电机绕线温度

电机绕线通上电流后，电机铁芯在磁场中产生运动，使电机绕线温度升高。电机绕线温度升高是电机设计及运行中的一项重要指标，标志着电机的发热程度。

图5为不同行驶模式下的电机绕线温度，从图5可以看出，在平顺行驶模式中，电机绕线温度恒定在56℃，在整个行驶过程中电机绕线温度均比较稳定。但急速行驶模式下，在急加速过程中，电机绕线温度从56℃到57℃有明显的跃升，并且电机绕线温度提升后持续的时间高达20.1 s。表明，驱动电机的急加速过程能引起电机绕线温度的跃升，主要原因是急加速需要更多能量，流过电机绕组的电流增大，引起驱动电机绕线温度过快升高。

图5 不同行驶模式下的电机绕线温度

2.6 电机逆变器温度

无刷直流电机是一种自控变频的永磁同步电机，就其基本结构而言，逆变器与永磁同步电动机和磁位置检测电路三者组成了“电动机系统”[6-7]。逆变器是驱动电机的重要组成部分，逆变器的温度变化能反映电机的温度状态和运行情况。逆变器的工作温度与驱动电机的失效率密切相关。图6为不同行驶模式下的电机逆变器温度，从图6可以看出，两种行驶模式中，电机逆变器温度的整体趋势基本相同，都经历了由高到低后又有所回升的过程。但平顺行驶模式的电机逆变器平均温度为28℃，而急速行驶模式下的电机逆变器平均温度高达32℃，比平顺行驶模式平均高4℃。因此，急速行驶模式对电机逆变器的影响远大于平顺行驶模式，增大了电机逆变器失效概率。

图6 不同行驶模式下的电机逆变器温度

2.7 电机电压

在电压变化范围不大的情况下，由于电压降低，电机电流升高；电压升高，电机电流降低。在一定范围内，铁耗和铜耗可以相互补偿，温度基本保持在容许范围内。但电压过低时，电机电流升得过高，会引起电机绕线组温度过热。图7为不同行驶模式下的电机电压，从图7可以看出，急速行驶模式下，电机电压下降的趋势比平顺行驶模式明显。

图7 不同行驶模式下的电机电压

2.8 电机电流

电机电流增大，会使电机发热，电机温度过高会导致电机热退磁现象，严重的会影响电机的驱动运行性能和使用寿命[8-10]。图8为不同行驶模式下的电机电流，从图8可以看出，在加速过程中，急速行驶模式的电机电流三次达到较高值，且持续时间较长，平顺行驶模式下的电机电流达到较高值仅一次，且持续时间较短。在电机电流反向充电过程中，平顺行驶模式的电机电流反向充电效果明显高于急速行驶模式。

图8 不同行驶模式下的电机电流

3 结论

1）在加速过程中，急速行驶模式下，驱动电机启动和输出扭矩较为频繁，且持续时间较长；在减速过程中，平顺行驶模式下，驱动电机反转频率较高，且持续时间较长。

2）平顺行驶模式下的电机绕线温度和逆变器温度均低于急速行驶模式，平顺行驶模式下的机电稳定性优于急速行驶模式。

3）平顺行驶模式下的电机电流达到高值的次数明显少于急速行驶模式，且电机电流反向充电效果明显高于急速行驶模式。

1Yoshitaka Deguchi,Kouichi Kuroda,Makoto Shouji,et al. HEV charge/discharge control system based on navigation information[C].SAE Paper 2004-21-0028

2Johnson V H,Wipke K B,Rausen D J.HEV control strategy for real-time optimazation of fuel economy and emissions[C]. Futrue Car Congress.Crystal,USA:2000-01-1543

3MILLER J M.Propulsion systems for hybrid vehicles[R].IEE Power and Energy Series 45,2004

4Diallo D.,Benbouzid,M.E.H,Makouf,A.A fault-tolerant control architecture for induction motor drives in automotive applications[J].IEEE Transactions on Vehicular Technology, 2004,53(6):1847-1855

5Mehrdad Ehsani,Khwaja M..Evaluation of soft switching for EV and HEV motor drives[J].IEEE Trans on Industrial Electronics,2001,48(1):.82-90

6姜卫东.混合动力电动汽车用无刷直流电机动态性能及控制策略的研究[D].合肥：合肥工业大学，2004

7谭徽.应用于两轮电动车辆的永磁无刷直流电机的研究[D].上海：上海大学，2000

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9Jinxin.Fan,Chengning Zhang,Zhifu Wang,et al.Thermal analysis of water cooled surface mount permanent magnet electric motor for electric vehicle[C].Conference on ICEMS, 2010:1024-1028

10 G.Airoldi,G.L.Ingraml,K.Mahkamov,et al.Computations on heat transfer in axial flux permanent magnet machines[C]. Conference on ICEM,2008:1-6

Investigation on the Motor Drive System of Hybrid Electric Vehicle in Various Driving Modes

Xia Qi1,Han Zhiqiang2,Tian Wei2,Han Weiqiang2,Xue Guangming1
1-Oujiang College,Wenzhou University(Wenzhou,Zhejiang,325035,China) 2-School of Automobile&Transportation,Xihua University

In this paper,the road test of hybrid electric vehicle(HEV)has been experimentally investigated when using various driving modes,the motor performance has been demonstrated through comparing the smooth driving mode and the rapid driving mode,which including the related parameters such as speed, torque,current and temperature.The results show that,the actual current of motor is relatively stable using the smooth driving mode,meanwhile,the temperature of winding coils and inverter was lower than those of the rapid driving mode.Through comparing,the motor performance has been relatively stable using the smooth driving mode.

Hybrid electric vehicle(HEV),Driving mode,Motor

U469.72

A

2095-8234（2016）05-0070-04

2016-08-18）

国家自然科学基金资助项目（51406137），温州市公益技术研究工业项目（G20140053），内燃机燃烧学国家重点实验室开放基金资助项目（K2015-06）。

夏琦（1982—），男，副教授，主要研究方向为发动机燃烧理论。

韩伟强（1985—），男，硕士生导师，主要研究方向为内燃机清洁燃烧技术。