杜廷义
【摘 要】电动汽车的推进系统一般由高速低转矩电动机和齿轮箱、变速箱、差速器等部件组成,驱动轮与电动机的间接耦合可以使电动机工作在最大效率点附近.为减少机械部件、减轻重量和增加空间,在推进系统中可以使用轮毂电机代替单台高速低转矩电机.使用轮毂电机的推进系统可以是两轮驱动、四轮驱动或其他驱动方式.然而,轮毂电机在全速度范围内工作时,不能确保电动机一直工作于最大效率点.通过分析四轮驱动轮毂电机的特性,对比城市交通的电动汽车推进系统的效率、重量和成本,得出混合驱动方式性能更好的结论. 【期刊名称】《河南机电高等专科学校学报》 【年(卷),期】2018(026)006 【总页数】7页(P12-18)
【关键词】电动汽车;效率;重量;两轮驱动;四轮驱动;轮毂电机 【作 者】杜廷义
【作者单位】新乡医学院,河南 新乡 453003 【正文语种】中 文 【中图分类】TK05
为了减少化石燃料燃烧产生的二氧化碳排放量，在过去几年中，我国颁布了一系列严格的法规，并采取一系列措施调整产业结构，减少二氧化碳排放量，降低能源消耗强度 [1]，这些法规和措施对汽车工业有很大的影响。事实上，运输行业的二氧
化碳排放量占全球二氧化碳排放量的20%，其中，道路运输占总排放量的19%。电动汽车的能量转换（化学能到机械能）效率是内燃机（ICE）车辆的三倍以上[2-3]，随着电动汽车（EV）用户数量的日益增加，道路运输的二氧化碳排放量会逐渐减少。此外，电动汽车没有内燃机的压缩和燃烧冲程，振动和噪音的减少还可以提高驾驶汽车的舒适度。
为了增加功率-重量比，提高驱动系统的功率密度，电动汽车制造商通常采用高速低转矩电机作为驱动。这种配置需要使用离合器、变速器或变速箱向驱动车轮传递转矩，需要机械差速器在驱动轮之间分配转矩，而这些机械部件将传动效率降低了20%[4-5]。为了进一步提高电动汽车推进系统的性能，减少冗余，降低成本，可以采用在驱动轮内直接安装低速大转矩电动机（轮毂电机）的方案。该方案优点如下：
（1）去除了上述机械部件、提高电动机效率、节省空间。节省的空间可以提高乘客的舒适性或增加电池组，从而进一步提高车辆整体性能。
（2）在单电机驱动方案中，所有功率由单个推进单元提供。功率越大，电机发热越严重，因此，需要根据功率大小为电动机配置冷却系统。而使用多台轮毂电机可以减少每台电动机提供的动力，从而减少冷却系统的复杂程度，甚至可以使用空气进行冷却。
（3）增加车辆稳定性。传统的稳定控制系统通过在车轮上施加不同的制动力校正汽车的行驶轨迹，而轮毂电机驱动电动汽车各个车轮的驱动/制动力矩可以更快速、更精确地进行独立控制，因此更加有利于实现车辆的直接横摆力矩控制[6-7]。 但是，轮毂电机增大了车轮惯性。许多学者对汽车载重和汽车稳定性关系的问题进行了研究。文献[8]对汽车悬架系统和车轮进行简单分析建模后，对系统进行了频率分析和仿真，将轮毂驱动车辆的仿真结果与标准车辆的结果进行比较。结果表明，增加的车轮质量对车辆的稳定性没有影响，频率响应在公认的舒适性范围之内。
由于轮毂电动机必须放在车轮内部，所以功率密度是电动机选择的关键指标。要提高电动汽车设计的自主性，使用高效率的电机是很重要的。在文献[9][10]中，阐述了新型无刷直流电机（BLDC）在电动汽车中的应用、各种电机及其控制策略。 轮毂电机具有较好的布置灵活性，可以采用前驱、后驱以及全驱多种布置方式[11]。本文将在详细介绍了两轮驱动和四轮驱动配置的基础上，对这些配置进行比较和分析。然后阐述推进系统的效率、重量、成本与驱动轮数量和电机额定功率的关系，给出两轮驱动和四轮驱动的特性，并对这些特性进行分析，并给出BLDC不同组合（混合结构）的特性曲线。
为了减少车辆运动分析的复杂性，本文使用道路和车辆的简化模型。图1显示了车辆的作用力，其中阻碍汽车运动的力有四个，它们分别是:
（1）静态滚动阻力（），轮胎与路面之间产生的力，与汽车对路面的压力成正比； （2）动态滚动阻力（），轮胎与路面之间产生的力，大小取决于车轮转速； （3）空气阻力（），空气与汽车表面的相互作用产生的阻力；
（4）道路坡度力（），道路坡度不为零时产生的阻力，实际上是汽车重力在行驶方向上的投影。如果坡度为负，则此力实际为汽车运动的动力。
由图1所示的车辆驱动时的作用力分布模型，可以根据牛顿第二定律写出车辆的动力平衡方程，如式（1）。其中，表示推进系统的动力，由电动机提供，使汽车保持恒速或者加速运动。
其中，（单位：千克）代表汽车质量；（单位：米/平方秒）代表汽车的加速度；（单位：弧度/平方秒）为车轮角加速度；（单位：千克·平方米）为车轮转动惯量；（单位：米）为车轮半径。由于车轮质量相对较小，可以忽略车轮惯性，将式（1）进行简化后，可得式（2）。
为了获得准确的仿真结果，无刷直流轮毂电机模型考虑了铜、涡流、磁滞、机械摩擦等因素造成的损耗，仿真时使用的实际参数和模型，如表1所示。
实验车辆采用的是四座轻型汽车，具有良好的负载能力（400公斤），主要用于城市交通，最大速度为120公里/小时。为了提高推进系统的灵活性和制动时的能量回收效率，每台轮毂电机由单个磷酸铁锂电池组独立供电。图2给出了实验时使用的四轮驱动推进系统的结构。
为了分析推进系统的效率，仿真中使用的电动机模型考虑了机械和电气损耗。文献[12]提出了简化的电气等效电路和实验方法，可以对BLDC系统逆变器的损耗进行建模。根据文献[12]中定义的电路，可以得到无刷直流电动机模型。然而，该电路没有考虑逆变器的损失。由于研究目的是分析电动汽车推进系统的效率、成本、重量与轮毂电机的数量和特性的关系，因此，需要对电机模型的各个组成部分深入考虑。
图3给出了无刷直流电机的等效电路，其中，、和参数分别代表电机的输入电压、定子线圈电阻和反电动势，表示涡流电流，表示将磁滞损耗和机械摩擦损耗进行等效换算后，在电机模型电路中的等效电阻。利用无刷直流电机的标称值及其特性曲线，可计算出图3所示的电气参数。
图4给出了电动机传递的转矩与效率之间的关系。方块线为制造商给出的曲线，而三角线是使用上述电机模型得到的曲线。研究中使用的每一台BLDC的电机参数（如表2所示）都是使用该方法得到的。可以看出，得到的转矩-效率曲线都与电机制造商的曲线相差不大。
本文主要分析电动汽车推进系统的效率、重量、成本与轮毂电机的数量和特性的关系。因此，电池-逆变器系统的效率可以视为条件之一。由于功耗很大程度上取决于汽车的质量，仿真中仅考虑蓄电池-逆变器的重量和电池-逆变器的成本。电池独立充电时，假设使用的磷酸铁锂电池电压等于满额的80%，工作温度为25°C，电池电压恒等于3.2V[13]。
由于推进系统的性能、效率强烈依赖于行驶路径，因此采用一种统一的标准来比较
和分析数据是很重要的。为此，研究采用了行驶测试循环作为参考基准，它由四个城市内部行驶循环和一个城市外部行驶循环组成，总长度为11023米。速度、推进力（）与测试时间的关系如图5、图6所示。
如前所述，尽管在工作点（某一个固定转速）处，轮毂电机的效率较高，但由于轮毂电机是在全转速范围内工作的，因此，总体效率较低[14]。研究的目的之一是研究如何结合不同的电机曲线提高效率。图7显示了两个相同功率但不同转速电机的效率转速曲线。虚线是高速轮毂电机的效率曲线，实线是低速轮毂电机的效率曲线，两台电机的电阻转矩相等。由于电动机的特性不同，高速BLDC在高速时比低速BLDC的效率高，反之亦然。例如，转速为30rad/s时，低速电机的最高效率为70%左右，而高速电机的最高效率仅为45%左右；转速为43rad/s时，高速电机的最高效率为60%左右，而低速电机的效率仅为20%。此外，低速轮毂电机达不到高速电机的高转速。
为了研究和比较不同推进系统方案的特点，在软件MATLAB中实现了各种动力系统的模型。该模型考虑了无刷直流电机的运动方程和车辆动力学。使用该模型对两轮驱动和四轮驱动（同质和混合）配置时驱动系统的性能进行详细分析。 在确定试验循环和车辆参数后，需要选择推进系统的电机。对于两轮驱动的解决方案，考虑到行驶测试循环施加的加速度，120V-14kW直流无刷电机是可以选择的最小功率的轮毂电机。这种配置，电机重量约86公斤，在城市行驶循环中能耗为296Wh/km，在城市外部行驶循环中为能耗193Wh/km，在全程循环测试中能耗为231Wh/km。
为了确定单电池组容量，以无刷直流电机吸收的最大功率（）作为参考标准，假设DC/DC变换器效率恒定，为提供给推进系统的功率，则电池组提供的电流可以按照式（3）进行计算。
式（3）中，是电池组可以提供的最大电流，是电池组额定电压。磷酸铁锂电池的
连续放电电流可以达到其容量的三倍，放电峰值电流可以超过其容量的10倍。每台轮毂电机都是由120V-60Ah电池组驱动的，则两电池组重175公斤，两组14kW逆变器重11公斤。为了延长电池的寿命，以作为电池可提供的最大持续电流，可以考虑将电池与超级电容器组合在一起，以提供峰值功率时的大电流。 在这种配置中，四台独立的轮毂电机构成了推进系统，有多种在车轮之间分配驱动力转矩的方案。由前面分析可知，不同配置中，如果电机的标称功率相同，则每台电机提供的驱动转矩相同，单台轮毂电机提供的转矩占总转矩的四分之一。 3.2.1 四台120V-14kW无刷直流轮毂电机
本方案中，推进系统包括四台相同的120V-14kW轮毂电机。由于四台电机协同工作，每台电机比之前单台BLDC驱动方案的输出转矩小，可以获得更高的效率。事实上，城市内部行驶循环能耗为199Wh/km，城市外部循环能耗为164 Wh/km，全程行驶循环能耗为177Wh/km。四台电动机重量大约是172公斤。显然，相对于两轮驱动方案，值的降低可以减小单个电池组容量。因此，每台电机可以配备120V-30Ah的电池组，能量存储的总重量是187公斤，四台14kW逆变器重22公斤。
3.2.2 两台120V-14kW直流无刷轮毂电机+两台72V-8kW高扭矩直流无刷轮毂电机
与“四台120V-14kW电机”方案相比，这种配置在全程行驶循环时，小功率辅助电机不能为大功率主电机提供充分的支持。这是由于8kW电机驱动能达到的最大速度大约是87公里/小时，超过这个速度，需要由两台120V-14kW电动机组成的动力系统提供驱动，类似于两轮驱动配置。采用这种配置，电动机的重量是135公斤，城市行驶循环能耗为164Wh/km，城市外部行驶循环为162Wh/km，全程行驶循环能耗为167Wh/km。
由于辅助电机的最大速度低于90公里/小时，而峰值速度要求100～120公里/小
时，因此，采用8kW的轮毂电机并不能降低值。而且，采用120V-14kW电机时，必须为两轮驱动重新设计电池组。这种配置的特点是两台14kW电机加两台8kW逆变器，总重量为16公斤；72V-8kW无刷直流电机可以使用72V-25Ah电池组供电，电池组的总重量为223公斤。
3.2.3 两台120V-14kW 直流无刷轮毂电机+两台72V-4.5kW高转矩直流无刷轮毂电机
在前文中可以看到，在全程行驶循环中，混合配置的小功率电机不能为14kW电机提供充分的支持。4.5kW直流无刷轮毂电机可以达到的最大速度约75公里/小时，两台120V-14kW直流无刷电机组成的推进系统的速度可达到75公里/小时到120公里/小时。这种配置在城市内部行驶循环中的能耗为170Wh/km，在城市外部循环中的能耗为176Wh/km，全程行驶循环中的能耗为174Wh/km，电机重量为128公斤；电池组与上述配置中的电池组类型相同；逆变器规格发生了改变，使用了两台5Kk变频器代替了上述的两台8kW变频器，逆变器总重量为14公斤。
3.2.4 两台120V-14kW直流无刷轮毂电机+两台48V-3kW高转矩直流无刷轮毂电机
由于48V-3kW电机可以达到的最高速度为53公里/小时，因此，此配置的小功率辅助电机在城市外部行驶循环中几乎不能为主电机提供支持。在城市内部行驶循环期间，推进系统表现了最低的能源消耗（160Wh/km），城市外部行驶循环能耗（186Wh/km）类似于两轮驱动配置，全程行驶循环能耗为177Wh/km。四台电动机的重量为130公斤，3kW电机的电池组为120V-60Ah，14kw电机的电池组为48V-25Ah，总重量为206公斤。此配置使用两台14kW逆变器和两台3kW逆变器，总重量13.5公斤。
仿真得到的结果如表3所示，表中显示了每种推进器配置的总重量和成本，由于
成本不是绝对的，为了进行比较，使用参考配置（两轮驱动）对它们进行了归一化。 表4是指城市内部行驶循环中每个推进配置的能源消耗，表中的“变化”是相对于基准（两轮驱动）的能耗变化的百分比例。表5和表6给出了与表4相同的参数，它们的值分别对应城市外部行驶循环和全程行驶循环。
在所有的配置中，“两轮驱动”方案是最便宜和最轻的，很明显，这是由于“两轮驱动”只使用两台电机和两组电池。然而，它的能源消耗情况也是最糟糕的。 与四轮驱动相比，“四台120V-14kW电机”的配置价格最高、重量最大。但在能源消耗方面，“四台120V-14kW电机”的配置在城市内部行驶循环中是较好的，同时，在城市外部行驶循环方面的消耗也是最低的。
与14kW直流无刷电机相比，辅助电机低转速时表现出更好的效率，可以减少能源消耗。然而，在高速情况下，小功率电动机不能为主电机提供支持。因此，在高速四驱动配置中，采用了两轮驱动配置。相对于同质方案，在整个城市外部行驶循环中，四轮混合配置推进系统的驱动力几乎全部由两台120V-14kW直流无刷电机提供，这种情况同样出现在“两台120V-14kW电机+两台48V-3kW电机”的配置方案中。事实上，在城市外部行驶循环中，后者和两轮驱动配置的能量消耗类似。
从自主设计的角度进行比较，需要使用相同的标准进行衡量。测试中采用最大全程行驶循环，约为107公里，专用于“两台120V-14kW+两台72V-8kW”的测试，作为本次分析的参考标准。显然，为了延长驱动距离，必须增加每种配置的电池组容量。表7给出了每种配置的电池容量和重量，以及每种解决方案的总成本。 由表7可知，相对于参考成本，“两轮驱动”方案的成本有轻微的增加，且总重较大；在所有的四轮驱动配置方案中，“四台120V-14kW电机”的配置是最不经济的；其他混合方案在成本和重量方面相差不大。
本文对不同轮毂电机推进系统尤其是两轮驱动和四轮驱动的推进系统进行了对比和
分析，并对不同额定功率的无刷直流电机进行了仿真。对于每种配置，设计了专用的电池和逆变器系统，并考虑了它们的重量和价格，从能耗、总重量和成本等方面进行了比较和分析。研究表明，两轮驱动的动力系统是最廉价、最轻的动力系统，但在能耗方面最差。四轮驱动降低了能源消耗，但增加了成本和重量。利用两组不同电机的不同特性曲线，可以改善四轮电机推进系统的能量消耗。混合配置方案可以降低推进系统的成本和重量。此外，两轮驱动和四轮驱动在混合动力推进系统同质配置的情况下，采用自主设计方式在成本和重量方面增加的成本较多。 因此，与两轮驱动或四轮驱动配置相比，混合动力推进系统的性能最佳。此外，配合电机特性曲线进行设计可以进一步提升其优势。
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