轮毂电机驱动电动汽车的电气系统设计分析

达州职业技术学院 王明昇

电动汽车是当前广泛使用的新能源汽车，与传统动力汽车相比，电动汽车以系统整合的电机驱动系统来替换传统发电机，驱动电机也由此成为电动汽车的核心技术，研发和推广轮毂电机技术，对取代汽车现有传动系统具有重要意义。近年，随着科学技术发展以及人们环保意识的增强，新能源汽车得到研发和使用，其中电动汽车由于经济、环保、低噪音、易保养、政策优惠等优势，日渐受到消费者青睐。轮毂电机结构简洁、传动高效、差速转向突出，可以实现复杂驱动方式，在纯电动车、增程电动车、燃料电池电动车、混合电动车等新新能源车型中均适用，是现阶段业界关注和研究的热点。电气系统也称低压配电系统，负责向电动汽车供给电能，其供能稳定与否直接关系汽车的运行性能与驾驶安全，因此设计安全可靠的电气系统是研发电动汽车的关键和重点。电动汽车所用驱动电机的机械与电气结构虽然相对简单，但可以改善汽车的转矩特性，不过仍未能从根本上改变车辆运动性能，轮毂电机驱动技术优势尚有待深入挖掘。对此，笔者通过分析汽车动力学与驱动电机，尝试为轮毂电机驱动电动汽车设计电器系统，以更好的满足其电气需求，保障汽车安全高效运行。

1 轮毂电机驱动电动汽车的电气系统组成

汽车工业快速发展背景下，人们对汽车性能的要求不断提高。现阶段，电子控制技术飞速发展，目前已经应用于电动汽车工业制造领域，特别是在电器系统设备中的应用，加速了集成化、智能化发展。电动汽车电气系统设备构成可概括为七个功能部件（见图1），具体如下：①电源系统，用于向全车用电设备提供低压直流电能；②发动系统，负责带动飞轮旋转，使曲轴达到必要的起动转速，由起动机、继电器、开关等组成；③仪表与报警系统，包括仪表、各报警指示灯及控制器等要件；④点火系统，负责将低压电转变成高压电；⑤电子控制装置，包括自动变速箱、制动防抱死系统、恒速控制等；⑥照明与信号系统，包括喇叭和各种车灯以及控制它们的控制继电器和开关；⑦辅助装置，包括电控门锁、雨刷装置、电控车窗升降、电动座椅等，以提高车辆安全性与舒适性，见图1。

图1 电动汽车电气设备基本组成

2 轮毂电机驱动电动汽车的动力学与驱动电机分析

2.1 动力学分析

汽车的运动通常以牛顿第二定律来描述。当汽车沿水平方向行驶时，道路阻力（Fw）是以下四种阻力之和：空气阻力、坡度阻力、车轮滚动阻力、加速度阻力，分别以Ff、Ff、Fr、Fa表示，则Fw=Fr+Fg+Ff+Fa。其中，Ff为0.5倍的空气密度（ρ）、空气阻力系数（k1）、车辆迎风面积（S）与车速（v）和顶风车速（v0）之和平方的积，即Fr=0.5ρk1S(v＋v0)2；Fr为滚动阻力系数（k2）、车重（W）、重力加速度（g）与坡度角余弦（cos a）的积，即Fr=k2Wg cos a。而水平行使状态下，坡度角a为0°，则Fa=k3Wdv/dt，其中k3为加速度系数，Fg=Wgsin a，其中sin a为a正弦，车辆爬坡时Fg为正，反之为负。

2.2 驱动电机模型分析

进步电机与直刷无流电机是两种常用的驱动电机，两者未通电状态下手旋转电机轴阻力存在差异，后者基本没有阻力，旋转平顺，无顿挫感，更具技术优势，现以三相六状态的无刷直流电机为例，对轮毂电机驱动电动汽车的驱动电机进行分析[1]。为了简化分析过程，我们不计涡流耗损和磁耗损，忽视齿槽效应，假设驱动系统逆变电路功率与续流二级管开关特性良好，同时不考虑电机铁心饱，那么电机运行电功率传递与转化的方式可视为以下两种，一种是经由气隙磁场传递给转子，另一种则是直接转化为铜耗。其中前者占比高，也称电磁功率，以Pe表示。如果不计机械耗损及其他杂散耗损，则Pe为电磁转矩（Te）和电机机械角速度（ω）之积，即Pe=Teω，表示Pe全部转为电子动能。那么基于能量守恒原理，电机输入功率（P1）由两个部分组成，一部分是Pe，另一部分是同为热耗损的电枢绕组铜耗和功率器件损耗，分别以PCu和PT表示，即P1=PCu+Pe+PT。而P1是电机经由磁场转化为机械能，考虑负载端损耗，功率传递（Pe）则等于负载转矩（TL）与空载转矩（T0）之和乘以ω，即输出功率（P2）与空载耗损（P0）之和，公式为Pe=(TL+T0)ω=P2+P0。

以轮毂电机驱动的电动汽车，我们可以视轮毂电机输出的功率和电动汽车驱动的功率基本相等，那么根据方程式，道路阻力与车速之积为驱动功率（P），也是轮毂电机驱动的总功率，而一辆电动汽车有4个电动机，设单个功率为P2，则P=4×P2。汽车在行使过程中，由于道路变化的原因，遇到的阻力会有所不同，那么基于上述公式，驱动电机输出功率也是动态变化的。而在电动汽车中，动力回路负责传递输出功率，因此动力回路的电流也是动态变化的，如何维持动力电流的动态稳定性至关重要，是确保电机系统工作的重要因素。我们基于上述分析设计了驱动电机，见图2。汽车行驶过程中输出功率（Pout）为4个驱动电机输出总功率（P）、与动力回路热损耗（P3）之和，即动力电池两端电压（U）与输出回路总电流（I）之积，公式为Pout=P+P3=UI。

图2 电动汽车驱动电机分布方案

3 轮毂电机驱动电动汽车的电气系统设计

基于前文的汽车动力学分析及驱动电机模型分析结果设计轮毂电机电气系统，系统使用无刷直流轮毂电机和无刷直流电机控制器，组成动力回路与辅助回路两部分，主要参数如下：①电机型号DDCLM80001205，额定转速每分钟800转，最高转速每分钟1200转；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，最大电流100安；③电机功率800瓦，额定电压72伏，空载电流0.5安，峰值功率1.2千瓦；④控制器为冷风式结构，总量0.5千克，额定功率1千瓦，额定电压72伏；效率90%-96%。电池及整车主要参数：①无刷直流电机驱动，单体容量20毫安，数量4个；②电子加速，使用12伏铅蓄电池，最高续航40千米；③外形尺寸2.3米×1.7米×1.2米，总量280千克；④轮距1.43毫米，轴距1.335毫米，最高时速60千米，最大爬坡20°。

基于上述电机与控制器的设计参数，结合前文计算公式，计算电气系统动力回路瞬时放电情况，发现安培值较高，可能给动力回路安全造成威胁。对此，我们设计了一个高压绝缘箱，利用电控技术调控绝缘箱在动力回路出现故障时可以进行绝缘，然后将动力回路元件置于箱内，使故障时可以与电池组断开，防止电路系统意外风险。高压系统是轮毂电机驱动电动汽车潜在危险因素，为了保证高压电器安全，需确保直流正负极母线与底盘绝缘。电池箱内安装传感器与报警器，同样利用电控技术，当汽车出现意外情况时，可以发挥被动防范功能[2]。例如：当电池温度过高或汽车行驶过程中侧翻时，传感器接受危险信号后，自动切断动力回路与电池的连接，确保车辆及行驶安全。另外，我们还为电动汽车设置了自动闭锁电机控制器，用于限制车载插座使用状态下的车辆开动，以确保车辆安全使用。基于上述考虑，设计了整车动力回路与辅助电源回路，见图3和图4。

图3 轮毂电机驱动电动汽车整车动力电气系统示意图

图4 轮毂电机驱动电动汽车辅助电源回路示意图

为了满足电器系统过流能力强的要求，同时确保使用寿命，我们选用MZJ-100A直流接触器作为主继电器（K12），为了保证正常使用状态下线路不熔断，而在出现短路时可实现毫秒级熔断，我们使用RS95B 100A为主熔断器，使用TRV4-L-24V-2F为辅继电器，使用横截面积16 mm2的铜芯电缆。CAN总线负责信号传输，检测到异常时能够通过控制接触器切断电源。考虑电流电阻等因素影响，其他回路视情况选用横截面 积 为4.0、1.5或0.5mm2的导线。电池串联采用编织线，CAN总线采用双绞线。将本研究设计的电器系统用于轮毂电机驱动电动汽车，经实际路况测试，元件运行正常，汽车行驶稳定，系统基本可以满足汽车行驶要求，但电器系统参数及整车结构有待优化，以进一步提高车辆整体性能[3]。

4 结语

本文介绍了轮毂电机驱动电动汽车电气系统的组成，遵循电动汽车电器系统基本设计方法，通过分析电动汽车动力学与驱动电机，为轮毂电机驱动电动汽车设计电气系统，系统分为动力回路与辅助回路两个部分，可以满足汽车电气需求，同时设有充电保护、绝缘检测、被动防范等功能，以保障汽车有效安全运行。不过由于条件有限，目前仍需大量试验对本次电气系统设计结果进行验证，并据此优化电气系统参数及性能，以进一步提高设计的稳定性与实用性。