受有限的车内空间、恶劣的工作环境及频繁的运行工况切换影响,燃料电池电动汽车用驱动电机必须具有以下特性:高功率密度,以满足布置要求;瞬时过载能力强,以满足加速和爬坡要求;宽的调速范围(包括恒转矩区和恒功率区); 转矩动态响应快;在运行的整个转矩-转速范围内具有高效率;以提高能量利用率;四象限运行;状态切换平滑;高可靠性及容错控制;成本合理。 燃料电池电动汽车用驱动电机的类型有直流电机、异步电机、永磁同步电机和开关磁阻电机。由于空间布置以及功率需求的原因,通常燃料电池客车较多采用异步电机驱动系统,而燃料电池轿车较多采用永磁同步电机驱动系统。 为保证各种行驶工况需要,满足车辆动力性要求,必须根据车辆动力性指标来确定驱动电机性能参数,即由最高车速、加速时间和最大爬坡度3个指标来评定。电机参数主要包括额定转速、最高转速、峰值转矩、峰值功率、额定功率额定转矩、工作电压等。 (1)额定转速和最高转速电机的最高转速由最高车速和机械传动系统传动比来确定。增大电机的最高转速有利于降低其体积、减轻重量,最高转速的增大导致传动比增大,从而会加大传动系统的体积、重量和传动损耗。因此应综合考虑各方面因素以决定电机的最高转速。
在电机功率一定时,若其额定转速越高,则相应的功率密度越大。电机最大转速和额定转速的比值称为扩大恒功率区系数β。在电机额定功率一定的前提下,β越大,最高转速越低,对应的电机额定转矩也越大。额定转矩越大,需要对电机的支撑要求越高,并且需要更大的电机电流和电力电子设备电流,增加了功率变换器的尺寸和损耗。但β大是车辆起步加速和稳定运行所必需的,所以额定转矩的减小,只能通过选用高速电机来解决。但这又会增加传动系统的尺寸,因此必须协调考虑最高车速和传动系统的尺寸。
电机的峰值功率取决于加速时间,并与扩大恒功率区系数有关。在最高转速定,并保证同等加速能力的情况下,电机的扩大恒功率区系数越大,其峰值功率越小,并随着扩大恒功率区系数的增大,峰值功率趋于饱和。因此,扩大恒功率区系数的取值对于降低电机系统功率需求、减小电机驱动系统重量与体积、提高整车效率有着非常重要的意义。扩大恒功率区系数的取值取决于电机驱动系统类型及控制算法,通常取2~4。
当给定汽车加速时间后,可根据式(18-3)~式(18-5)求得电机峰值功率。
(4)工作电压工作电压的选择涉及用电安全、元器件的工作条件等问题。
工作电压过低,导致电流过大,从而导致系统电阻损耗增大;而工作电压过高,对逆变器的安全性造成威胁。一般燃料电池电动汽车工作电压为280~400V,但目前工作电压的设计有增高的趋势。
