新能源車型轉(zhuǎn)向油泵高壓電機(jī)的匹配和應(yīng)用

謝琨　韓波波　劉俊榮　李紅艷

摘 要：在新能源輕型商用車上，轉(zhuǎn)向油泵帶電機(jī)總成是轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的一個(gè)重要零部件;對于轉(zhuǎn)向油泵帶電機(jī)總成來說高壓電機(jī)的匹配是該總成開發(fā)的一個(gè)關(guān)鍵步驟。文章通過對轉(zhuǎn)向油泵、高壓電機(jī)的關(guān)鍵參數(shù)分析，提出了高壓電機(jī)相關(guān)參數(shù)匹配的步驟和方法;并通過實(shí)例應(yīng)用進(jìn)行檢驗(yàn)，為高壓電機(jī)的匹配和選型提供一個(gè)可供參考的方法和經(jīng)驗(yàn)。關(guān)鍵詞：新能源;輕型商用車;轉(zhuǎn)向系統(tǒng);高壓電機(jī);匹配應(yīng)用中圖分類號(hào)：U463.46? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? 文章編號(hào)：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

在當(dāng)前現(xiàn)代專業(yè)化物流發(fā)展趨勢下，客戶多元化產(chǎn)品需求對商用車市場提出了更高的要求。同時(shí)由于國家政策及地方法規(guī)對環(huán)保意識(shí)的提升，新能源車型在輕型商用車市場占比越來越重。因此適用于新能源車型的汽車各個(gè)系統(tǒng)技術(shù)方案是接下來的發(fā)展趨勢。

對于輕型商用車的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，由于車輛整備質(zhì)量、載荷等方面的限制，目前在轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中EPS配置尚不能在輕型商用車上實(shí)現(xiàn)大批量推廣。因此在新能源車型上由高壓電機(jī)帶動(dòng)轉(zhuǎn)向油泵的方案仍然是一個(gè)主流技術(shù)路線。本文針對新能源的車型上使用的高壓電機(jī)帶轉(zhuǎn)向油泵方案（以下稱轉(zhuǎn)向油泵帶電機(jī)總成）中的高壓電機(jī)的選擇和匹配進(jìn)行分析討論;為后續(xù)新能源車型轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的開發(fā)提供參照。

1 電機(jī)基本參數(shù)選擇

高壓電機(jī)的選擇涉及到以下參數(shù)：額定電壓、額定功率、額定電流、峰值功率、峰值電流、額定頻率、額定轉(zhuǎn)速、額定轉(zhuǎn)矩、峰值轉(zhuǎn)矩等;其中電機(jī)與油泵的匹配中，額定功率、額定轉(zhuǎn)速、額定轉(zhuǎn)矩是關(guān)鍵參數(shù)。

1.1 額定功率、轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速的選擇

高壓電機(jī)的額定功率一般是以轉(zhuǎn)向油泵的功率作為基準(zhǔn)來進(jìn)行選擇;對于轉(zhuǎn)向油泵，其功率和油泵的壓力、流量有關(guān);下圖為某新能源車型轉(zhuǎn)向油泵的壓力流量曲線。

如上圖1所示，油泵本身流量隨壓力的增大而減小;根據(jù)上圖的數(shù)據(jù)，可以計(jì)算出油泵在各壓力流量下的功率。在實(shí)際工作中為了方便，我們通常使用如下公式來進(jìn)行粗略估計(jì)油泵功率：

Pe=P*Q/60?????????????????????????????????? （1）

以上公式中，Pe表示油泵功率，單位kW;P表示油泵最大壓力，單位Mpa;Q表示油泵最大流量，單位L/min。本公式計(jì)算結(jié)果較實(shí)際功率略大。

通過以上公式完成轉(zhuǎn)向油泵功率計(jì)算后，下一步就是考慮電機(jī)的額定功率選擇。在考慮電機(jī)額定功率選擇之前，我們需要了解常用高壓電機(jī)的特性。目前常用的高壓電機(jī)為高壓永磁電機(jī);電機(jī)的功率有額定功率和峰值功率兩個(gè)參數(shù)，額定功率是電機(jī)效率高、能夠長時(shí)間穩(wěn)定工作的功率點(diǎn);其和額定轉(zhuǎn)速、額定轉(zhuǎn)矩有一定的關(guān)系。峰值功率是該電機(jī)可以達(dá)到的、并可以短時(shí)間工作而不發(fā)生故障的最大功率;對應(yīng)的是峰值轉(zhuǎn)速、峰值轉(zhuǎn)矩。

通過對汽車不同行駛狀況下的統(tǒng)計(jì)分析，可以得到轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角、助力大小隨車速的分布曲線，如圖2所示[1]。在選擇高壓電機(jī)的額定功率時(shí)，可以考慮轉(zhuǎn)向油泵最大功率可以短時(shí)間內(nèi)超出電機(jī)額定功率值。

綜合以上數(shù)據(jù)以及在實(shí)際車型道路試驗(yàn)、臺(tái)架試驗(yàn)等結(jié)果，高壓電機(jī)推薦額定功率的選擇：Pz=Pe*80%。電機(jī)額定扭矩的選擇與功率類似，在此就不再贅述。

高壓電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速的選擇和油泵的排量有關(guān);一般情況下，電機(jī)在各個(gè)車速下的轉(zhuǎn)速要滿足各車速下轉(zhuǎn)向油泵輸出流量的需求。在新能源車型中，高壓電機(jī)的控制是通過一個(gè)逆變器（以下簡稱為SDCAC）來進(jìn)行的;這種逆變器是通過調(diào)整高壓電機(jī)的工作頻率來改變電機(jī)轉(zhuǎn)速，從而達(dá)到改變油泵流量的目的。高壓電機(jī)工作頻率、轉(zhuǎn)速和電機(jī)的極對數(shù)有關(guān);其三者之間的換算關(guān)系如下：

1.2 電機(jī)其他參數(shù)

高壓電機(jī)除了以上功率、扭矩和轉(zhuǎn)速等參數(shù)外，電機(jī)總成還包括以下性能參數(shù)：反電動(dòng)勢、D軸電感、Q軸電感、相電阻等;這些參數(shù)主要影響SDCAC對高壓電機(jī)的控制。

高壓電機(jī)的控制是個(gè)復(fù)雜過程，SDCAC常用的控制方法為無速度傳感器（有無速度傳感器和電機(jī)結(jié)構(gòu)有關(guān)，目前主要采用的是無速度傳感器的電機(jī)）下的矢量控制;該方法是基于電機(jī)本身在沒有速度傳感器的情況下執(zhí)行的開環(huán)估計(jì)方法。數(shù)學(xué)模型表示如下[2]：

（電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩方程）

以上公式中，μq，μd分別表示DQ軸電壓;id，iq表示DQ軸電流;Ld，Lq表示DQ軸電感，ωe表示轉(zhuǎn)子電角速度;Rs為相電阻;Ψf為永磁體的磁鏈;Te為電磁轉(zhuǎn)矩;Pn為極對數(shù)。

通過以上公式可知，在高壓永磁電機(jī)的控制中，D軸電感、Q軸電感、相電阻等參數(shù)是主要影響因子。在電機(jī)的實(shí)際匹配調(diào)試時(shí)，通常DQ軸電感是比較重要而且容易忽略的參數(shù)。

2 應(yīng)用實(shí)例

針對前文的方法和計(jì)算公式，下面以某已量產(chǎn)車型的實(shí)際設(shè)計(jì)方案為例。

2.1 車型輸入信息

2.2 轉(zhuǎn)向高壓電機(jī)的功率和扭矩計(jì)算

步驟一：轉(zhuǎn)向油泵功率和扭矩計(jì)算：

Pe=P*Q/60=11*10.5/60=1.925（kW）;

Ne=P*q=12.6（N.m）。

轉(zhuǎn)向電機(jī)的功率是油泵功率的80%，因此：

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

步驟二：通過排量選擇電機(jī)轉(zhuǎn)速：

電機(jī)轉(zhuǎn)速=控制流量/排量=1458.3（r/min）

通過以上參數(shù)以及整車其他信息，選擇的高壓電機(jī)參數(shù)如下：

3 實(shí)車驗(yàn)證

該新能源車型經(jīng)過兩次樣車試裝調(diào)試及道路試驗(yàn)，轉(zhuǎn)向

油泵帶電機(jī)總成表現(xiàn)良好;能夠很好的實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)目標(biāo)。

4 結(jié)語

在新能源車型的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)開發(fā)中，對于現(xiàn)有的轉(zhuǎn)向油泵如何匹配合適的高壓電機(jī)是工作重點(diǎn)之一。本文通過對轉(zhuǎn)向油泵基本參數(shù)的分析計(jì)算，以及轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角和轉(zhuǎn)向助力的使用概率分布情況的分析，提出了一個(gè)高壓電機(jī)的匹配方法。該方法既能保證轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的基本性能和耐久壽命，同時(shí)也盡量對零件的成本及重量進(jìn)行優(yōu)化。本文通過某廠新能源輕型商用車的實(shí)際應(yīng)用檢驗(yàn)，給后續(xù)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)高壓電機(jī)的選擇提供一個(gè)可以借鑒的方法。

參考文獻(xiàn)

[1] 趙萬忠，王春燕主編.汽車動(dòng)力轉(zhuǎn)向技術(shù)[M].清華大學(xué)出版社，2018， 63.

[2] 黃玉平，鄭再平，仲悅，吳紅星.永磁同步電機(jī)伺服系統(tǒng)電流環(huán)控制技術(shù)綜述[J].微電機(jī)，2015.4.