新能源汽車電驅系統標準解讀與拓展:饋電特性

2020-12-06 臭皮匠試驗室

本文為臭皮匠試驗室觀點。轉載請請註明出處。

導語:文章封面是MINI Cooper SE電動汽車,去年秋季在紐北賽道進行了一場別開生面的表演,然而本次的重點並不是速度,而是其優秀的制動能量回收表現,在沒有踩踏制動踏板的前提下,完成了整個賽道的駕駛。這得益於其靈活多變的能量回收策略,駕駛員可以根據需求選擇能量回收模式,調節回收程度和對應的減速效果,一旦駕駛員將腳從踏板上移開,汽車行駛的動能帶動電機將汽車動能轉化為的電能並儲存在儲能設備中。作為動力總成服務商,如何穩定、高效的提供制動能量,是我們關注的重點。

我們已經討論過電驅動扭矩控制和轉速控制的相關標準和應用(轉矩響應時間、轉矩控制精度、轉速控制),標準中測試都是在電機電動狀態下進行的的,電動汽車節能不僅僅是因為行駛中使用電能,更是因為汽車在減速或者制動時,電機工作在發電狀態,汽車行駛的動能帶動發電機將汽車動能轉化為的電能並儲存在儲能設備中("饋電"過程),如電池和超級電容,汽車起步或加速時,電機再將儲能元件中的電能轉化為機械能給汽車。這次我們結合標準,談一下電驅動的饋電特性。

我們會結合相關標準從以下進行解讀:

1. 饋電特性關鍵指標

2. 饋電特性的測試

3. 反電動勢

4. 展望

1. 饋電特性關鍵指標

在《GB/T 18488.1-2015-電動汽車用電機及其控制器第1部分-技術條件》5.4.13中給出了饋電特性的相關指標:

解讀:饋電狀態時,按照定義,我們主要關注三點:1). 饋電電壓、2). 饋電電流 3). 饋電效率。

饋電的目的,是給儲能裝置充電,如電動車蓄電池的充電策略,要考慮到蓄電池的SOC值、蓄電池溫度、充電電流的影響。充電電流過大時,會使蓄電池溫度快速升高,從而導致不能回收能量。出於充電的考慮,我們要關注充電電壓、電流和效率的問題。

饋電電壓,也就是電機在發電狀態下的輸出電壓,也稱作反電動勢,會在第三節重點討論;有了饋電電壓,如果能形成饋電迴路,就會有饋電電流;饋電效率,同電動效率一樣,同樣對續航裡程產生重要影響,也是整車比較關注的指標。

2. 饋電特性的測試

《GB/T 18488.2-2015-電動汽車用電機及其控制器第2部分-實驗方法》7.6 中已經具體地寫明了饋電特性的測試方法:

解讀:標準中對所要記錄的數據有具體的要求。值得注意的是,由於純電動車較大饋電需求,對於減速器反向齒面的強度和修型要重點關注,這些在NVH、耐久等具體的單體測試規範中要有體現。

3. 反電動勢

法拉第發現了磁能生電,並以此發明了電機。在最常用的永磁同步電機中,這個「磁」來自兩個部分,一部分是線圈,另一部分是永磁體,永磁體生成的"電",在電機中就是反電動勢。以最常用的永磁同步電機為例,先看下電機一相的示意圖:

電機輸入交流電Us,在線圈中形成電流is,線圈電阻Rs消耗一部分電能,自身產生感應電勢,永磁體磁場在線圈中產生反電勢E,這一相寫成電壓方程為:

其中,ω_e為電角速度,φ_f為永磁體的磁鏈。可以看出,反電動勢的大小與電機的轉速與永磁體的特性相關。永磁體的特性又與轉子的溫度相關,應用時,估算反電動勢:

這裡,c2為轉子溫度修正係數,c1為反電動勢修正係數,需要根據在不同轉速溫度的測試結果進行修正。

當is=0時,E=|Us|,以此方法來測量電機反電動勢。

轉子溫度固定時,磁鏈反電動勢的大小隻與轉速相關,當轉速越大,反電動勢越大。當E大於|Us|時,電驅動進入饋電狀態,若是負載不斷拖動使電機轉速升高,能量反饋到母線上,可能會造成母線或者電池電壓過高,損壞IGBT。

4. 展望

電動車在減速和制動時,可以進行能量回收,在GB/T 18488中重點考慮了饋電電壓、電流和效率。在制定整車制動能量回收策略時,饋電扭矩也是關注的重要指標,影響了制動時的駕駛性,這屬於整車策略範疇,不僅要關注電驅動特性,還要關注整車行駛的工況、儲能元件的特點等,這會在以後詳述。

對於CLTC續航考核工況而言,由於其較NEDC和WLTP表現出多的能量回收需求。因此,無論是整車廠,或者動力總成供貨商,都需要將系統的饋電特性的提升至一個新的水平。(詳見文章《朝氣蓬勃的CLTC循環工況,你可知"多少"》)

對於整車級別能耗和續航的考核,可以參考標準《GBT 18386-2017 電動汽車能量消耗率和續駛裡程試驗方法》中的定義。

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