新能源车型转向油泵高压电机的匹配和应用

谢琨　韩波波　刘俊荣　李红艳

摘 要：在新能源輕型商用车上，转向油泵带电机总成是转向系统的一个重要零部件;对于转向油泵带电机总成来说高压电机的匹配是该总成开发的一个关键步骤。文章通过对转向油泵、高压电机的关键参数分析，提出了高压电机相关参数匹配的步骤和方法;并通过实例应用进行检验，为高压电机的匹配和选型提供一个可供参考的方法和经验。关键词：新能源;轻型商用车;转向系统;高压电机;匹配应用中图分类号：U463.46  文献标识码：A  文章编号：1671-7988（2020）01-33-03

Abstract： The steering pump with high voltage motor is an important part for new energy light commercial vehicles; How to matching a high voltage motor with the steering oil pump is key steps. This article puts forward the steps and methods of matching the relevant parameters of high voltage motor through analyzing of the key parameters of steering oil pump and high voltage motor. Verification by a practical application， which provides a reference experience and method of matching a suitable high voltage motor.Keywords： New energy; Light commercial vehicles; Steering system; High voltage motor; Matching and applicationCLC NO.： U463.46  Document Code： A  Article ID： 1671-7988（2020）01-33-03

引言

在当前现代专业化物流发展趋势下，客户多元化产品需求对商用车市场提出了更高的要求。同时由于国家政策及地方法规对环保意识的提升，新能源车型在轻型商用车市场占比越来越重。因此适用于新能源车型的汽车各个系统技术方案是接下来的发展趋势。

对于轻型商用车的转向系统，由于车辆整备质量、载荷等方面的限制，目前在转向系统中EPS配置尚不能在轻型商用车上实现大批量推广。因此在新能源车型上由高压电机带动转向油泵的方案仍然是一个主流技术路线。本文针对新能源的车型上使用的高压电机带转向油泵方案（以下称转向油泵带电机总成）中的高压电机的选择和匹配进行分析讨论;为后续新能源车型转向系统的开发提供参照。

1 电机基本参数选择

高压电机的选择涉及到以下参数：额定电压、额定功率、额定电流、峰值功率、峰值电流、额定频率、额定转速、额定转矩、峰值转矩等;其中电机与油泵的匹配中，额定功率、额定转速、额定转矩是关键参数。

1.1 额定功率、转矩、转速的选择

高压电机的额定功率一般是以转向油泵的功率作为基准来进行选择;对于转向油泵，其功率和油泵的压力、流量有关;下图为某新能源车型转向油泵的压力流量曲线。

如上图1所示，油泵本身流量随压力的增大而减小;根据上图的数据，可以计算出油泵在各压力流量下的功率。在实际工作中为了方便，我们通常使用如下公式来进行粗略估计油泵功率：

Pe=P*Q/60                                   （1）

以上公式中，Pe表示油泵功率，单位kW;P表示油泵最大压力，单位Mpa;Q表示油泵最大流量，单位L/min。本公式计算结果较实际功率略大。

通过以上公式完成转向油泵功率计算后，下一步就是考虑电机的额定功率选择。在考虑电机额定功率选择之前，我们需要了解常用高压电机的特性。目前常用的高压电机为高压永磁电机;电机的功率有额定功率和峰值功率两个参数，额定功率是电机效率高、能够长时间稳定工作的功率点;其和额定转速、额定转矩有一定的关系。峰值功率是该电机可以达到的、并可以短时间工作而不发生故障的最大功率;对应的是峰值转速、峰值转矩。

通过对汽车不同行驶状况下的统计分析，可以得到转向盘转角、助力大小随车速的分布曲线，如图2所示[1]。在选择高压电机的额定功率时，可以考虑转向油泵最大功率可以短时间内超出电机额定功率值。

综合以上数据以及在实际车型道路试验、台架试验等结果，高压电机推荐额定功率的选择：Pz=Pe*80%。电机额定扭矩的选择与功率类似，在此就不再赘述。

高压电机的额定转速的選择和油泵的排量有关;一般情况下，电机在各个车速下的转速要满足各车速下转向油泵输出流量的需求。在新能源车型中，高压电机的控制是通过一个逆变器（以下简称为SDCAC）来进行的;这种逆变器是通过调整高压电机的工作频率来改变电机转速，从而达到改变油泵流量的目的。高压电机工作频率、转速和电机的极对数有关;其三者之间的换算关系如下：

1.2 电机其他参数

高压电机除了以上功率、扭矩和转速等参数外，电机总成还包括以下性能参数：反电动势、D轴电感、Q轴电感、相电阻等;这些参数主要影响SDCAC对高压电机的控制。

高压电机的控制是个复杂过程，SDCAC常用的控制方法为无速度传感器（有无速度传感器和电机结构有关，目前主要采用的是无速度传感器的电机）下的矢量控制;该方法是基于电机本身在没有速度传感器的情况下执行的开环估计方法。数学模型表示如下[2]：

（电机的电磁转矩方程）

以上公式中，μq，μd分别表示DQ轴电压;id，iq表示DQ轴电流;Ld，Lq表示DQ轴电感，ωe表示转子电角速度;Rs为相电阻;Ψf为永磁体的磁链;Te为电磁转矩;Pn为极对数。

通过以上公式可知，在高压永磁电机的控制中，D轴电感、Q轴电感、相电阻等参数是主要影响因子。在电机的实际匹配调试时，通常DQ轴电感是比较重要而且容易忽略的参数。

2 应用实例

针对前文的方法和计算公式，下面以某已量产车型的实际设计方案为例。

2.1 车型输入信息

2.2 转向高压电机的功率和扭矩计算

步骤一：转向油泵功率和扭矩计算：

Pe=P*Q/60=11*10.5/60=1.925（kW）;

Ne=P*q=12.6（N.m）。

转向电机的功率是油泵功率的80%，因此：

Pz=1.925*0.8=1.54（kW）                         （5）

步骤二：通过排量选择电机转速：

电机转速=控制流量/排量=1458.3（r/min）

通过以上参数以及整车其他信息，选择的高压电机参数如下：

3 实车验证

该新能源车型经过两次样车试装调试及道路试验，转向

油泵带电机总成表现良好;能够很好的实现设计目标。

4 结语

在新能源车型的转向系统开发中，对于现有的转向油泵如何匹配合适的高压电机是工作重点之一。本文通过对转向油泵基本参数的分析计算，以及转向盘转角和转向助力的使用概率分布情况的分析，提出了一个高压电机的匹配方法。该方法既能保证转向系统的基本性能和耐久寿命，同时也尽量对零件的成本及重量进行优化。本文通过某厂新能源轻型商用车的实际应用检验，给后续转向系统高压电机的选择提供一个可以借鉴的方法。

参考文献

[1] 赵万忠，王春燕主编.汽车动力转向技术[M].清华大学出版社，2018， 63.

[2] 黄玉平，郑再平，仲悦，吴红星.永磁同步电机伺服系统电流环控制技术综述[J].微电机，2015.4.