CN116923109A - 用于电动车辆的动力系统和包括其的电动车辆 - Google Patents

Abstract

本公开涉及一种用于电动车辆的动力系统，包括：永磁同步电机和电励磁同步电机，所述永磁同步电机和电励磁同步电机中的一个是用于驱动所述电动车辆的前轮的前驱电机，并且所述永磁同步电机和电励磁同步电机中的另一个是用于驱动所述电动车辆的后轮的后驱电机。所述永磁同步电机的峰值功率和峰值扭矩小于所述电励磁同步电机的峰值功率和峰值扭矩。所述永磁同步电机和所述电励磁同步电机输出的功率根据所述电动车辆的实时工况进行动态调整，使得所述动力系统承受的功率损失达到预定的最小值。本公开还涉及一种包括所述动力系统的电动车辆。

Description

用于电动车辆的动力系统和包括其的电动车辆

技术领域

本公开涉及一种用于电动车辆的动力系统。特别地，所述动力系统包括永磁同步电机和电励磁同步电机。本公开还涉及一种包括这样的动力系统的电动车辆。

背景技术

汽车电动化是交通运输行业应对气候变化，实现碳中和的重要手段。近年来，电动汽车的渗透率在各大市场都有了大幅提高。相比燃油汽车采用的内燃机，电动汽车采用的电动机在动力特性上具有独特的特点。一般来说，电动汽车的驾驶性好，可以具有较快的启动速度，并且在低速时就可具有较高的效率，从而特别适宜于需要频繁启停和相对低速的城市通勤的情况。然而，对于需要较高功率和扭矩的情形，如急加速和高速巡航等，电动汽车的优势变得不再那么突出。对此，通过双电机实现四轮驱动的四驱电动汽车是一种可行的解决方案。

四驱电动汽车的双电机通常分为主驱电机和辅驱电机，其中，在某些情况下，辅驱电机可处于非工作状态。现有的四驱电动汽车的主驱电机多采用永磁同步电机，而辅驱电机则可选择为异步感应电机或永磁同步电机。然而，永磁同步电机的成本高，且拖曳损耗大，使得其在低负载下的功率损失相对较高。若采用大功率的永磁同步电机作为主驱电机，则在低负载的日常行驶情况下无法提高效率。若采用小功率永磁同步电机作为主驱电机，则作为辅驱电机的异步感应电机需要具有较大的功率以满足总的功率需求，而大功率的异步感应电机体积较大，且在高转速下功率和扭矩下降严重，整体效率较低。如果主驱电机和辅驱电机都采用永磁同步电机，则辅驱的永磁同步电机必须在不工作时能够通过诸如离合器的脱开单元而从电动汽车的动力系统切断，否则会因为转子磁场跟随转动产生反电势，造成较大的功率损失，并可能对电机控制单元造成不利影响。这种脱开单元会造成成本上升，并且在需要辅驱的永磁同步电机工作时，需要先将转子加速到与电动汽车的速度相匹配，才可接入电动汽车的动力系统。这可造成高达500ms的动力延迟，使得电动汽车的驾驶性能劣化。

因此，由于电机的特性，现有的电动汽车的双电机方案存在多种问题，无法在较低的成本下兼顾电动汽车的驾驶性能和效率。

发明内容

本公开的目的在于提出一种用于电动车辆的动力系统来解决上述技术问题，其具有较低的成本，优良的驾驶性能和较高的效率。

根据本公开的用于电动车辆的动力系统包括永磁同步电机和电励磁同步电机。所述永磁同步电机和电励磁同步电机中的一个是用于驱动所述电动车辆的前轮的前驱电机，并且所述永磁同步电机和电励磁同步电机中的另一个是用于驱动所述电动车辆的后轮的后驱电机。所述永磁同步电机的峰值功率和峰值扭矩小于所述电励磁同步电机的峰值功率和峰值扭矩。所述永磁同步电机和所述电励磁同步电机输出的功率根据所述电动车辆的实时工况进行动态调整，使得所述动力系统承受的功率损失达到预定的最小值。

在本公开中，用于电动车辆的动力系统采用了相对功率较小的永磁同步电机和相对功率较大的电励磁同步电机。由此，永磁同步电机的成本下降，且可以工作在高负载区间，拖曳损耗小，效率较高。与同功率的异步感应电机相比，电励磁同步电机的体积更小且效率更高。此外，电励磁同步电机可通过励磁电流的通断而控制转子是否产生磁场。这样，在不需要电励磁同步电机输出动力时，可以将励磁电流切断，转子即可跟随转动，而不会产生反电势，降低功率损耗。因此，采用电励磁同步电机的电动车辆无需配备脱开单元，从而降低了成本。由于转子跟随转动，在启用电励磁同步电机时无需再匹配转子的转速，动力延迟大幅缩短，不会造成电动汽车的驾驶性能劣化。此外，永磁同步电机和电励磁同步电机输出的功率以使得动力系统承受的功率损失达到预定的最小值为标准动态调整，电动车辆的效率可以进一步提高。因此，根据本公开的用于电动车辆的动力系统具有较低的成本，且同时具有优良的驾驶性能和较高的效率。

根据本公开的电机转子还可以单独或组合地具有以下特征中的一个或多个。

根据本公开的一个实施例，所述永磁同步电机输出第一功率P1，所述电励磁同步电机输出第二功率P2，所述第一功率P1、第二功率P2和所述电动车辆的实时工况所需求的需求功率P满足P1+P2＝P。在永磁同步电机输出第一功率P1时，所述动力系统承受与所述永磁同步电机相关联的第一功率损失PL1，并且在电励磁同步电机输出第二功率P2时，所述动力系统承受与所述电励磁同步电机相关联的第二功率损失PL2。所述第一功率P1与需求功率P的比例R根据所述电动车辆的实时工况进行动态调整，使得所述第一功率损失PL1和第二功率损失PL2之和达到预定的最小值。

根据本公开的一个实施例，所述第一功率损失PL1包括在所述永磁同步电机上产生的拖曳功率损失，以及在电动车辆的逆变器和传动系统上产生与所述永磁同步电机相关联的功率损失，并且所述第二功率损失PL2包括在所述电励磁同步电机上产生的拖曳功率损失，以及在电动车辆的逆变器和传动系统上产生的所述电励磁同步电机相关联功率损失。

根据本公开的一个实施例，所述永磁同步电机是前驱电机，并且所述电励磁同步电机是后驱电机。

根据本公开的一个实施例，在所述电动车辆处于NEDC工况、CLTC工况和/或WLTP工况时，所述电动车辆的实时工况需求的需求功率P仅由所述永磁同步电机输出，使得第一功率P1＝P，且第二功率P2＝0。

根据本公开的一个实施例，在所述电动车辆急加速或高速巡航时，所述电动车辆的实时工况需求的需求功率P由所述永磁同步电机和电励磁同步电机同时输出，使得第一功率P1、第二功率P2和需求功率P满足以下关系：0<P1<P,0<P2<P且P1+P2＝P。

根据本公开的一个实施例，所述永磁同步电机的峰值功率处于60kW至150kW之间，并且所述电励磁同步电机的峰值功率处于150kW至300kW之间。

本公开还涉及一种电动车辆，其包括控制系统和根据权利要求1至7中的任一项所述的动力系统。所述控制系统获取所述电动车辆的实时工况，并动态地调整由所述永磁同步电机和所述电励磁同步电机输出的功率。

根据本公开的一个实施例，所述控制系统包括存储器，用于储存所述电动车辆的实时工况与所述比例R之间的预先确定的映射或模型，所述控制系统通过查询所述预先确定的映射或模型而动态调整所述比例R。

附图说明

本公开的上述和其他特征以及优点将通过下面的结合附图的示例性实施例的详细描述变得更加明显，并且该描述和附图仅用于示例性目的而不是以任何方式来限制本公开的范围，图中：

图1示出了根据本公开一个实施例的用于电动车辆的动力系统的框图。

图2示出了动力系统的能量传递的示意图。

具体实施方式

为了使本公开的实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本公开实施例的附图对本公开的实施例的技术方案进行清楚、完整的描述。

除非另作定义，本文使用的技术术语或者科学术语应当为本公开所属领域内普通技术人员所理解的通常意义。本公开专利申请说明书以及权利要求书中使用的“一个”、“一”或者“该”等类似词语也不表示数量限制，而是表示存在至少一个。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同物，而不排除其他元件或者物件。“效率”指的是动力系统及其各部件所输出的功率与其所消耗的功率之间的比值，而消耗功率＝输出功率+功率损失，即效率＝输出功率/(输出功率+功率损失)。特别地，对于整个动力系统而言，输出功率即为电动车辆在对应工况下所需求的功率，即动力系统的效率＝需求功率/(需求功率+功率损失)。图1示出了根据本公开一个实施例的用于电动车辆的动力系统的框图。动力系统包括用于驱动电动车辆的前轮的前驱电机和用于驱动电动车辆的后轮的后驱电机。前驱电机和后驱电机分别是从永磁同步电机和电励磁同步电机中选出的一个。

永磁同步电机的转子通过装配的永磁体产生磁场，因而无需损耗能量产生转子磁场，具有很高的效率。但是，增大永磁同步电机的峰值功率和峰值扭矩需要增加转子上的永磁体，成本较高。此外，在永磁同步电机的转子转动时，永磁体的磁场会产生拖曳阻力，阻碍转子转动。由于转子的永磁体的磁场恒定，即使是在低负载时，所述拖曳阻力造成的拖曳损耗也不能同比例降低，由此造成永磁同步电机在低负载下拖曳功率损失相对较高，效率下降。同时，由于转子的永磁体的磁场恒定，即使永磁同步电机不工作时，转动转子仍可产生拖曳阻力，并在定子线圈中产生反电势。这种拖曳阻力可用作电动车辆的制动力，所述反电势则可对电动车辆的电池充电，实现电动车辆的能量回收。

电励磁同步电机的转子则不包括磁体或仅包括极少的磁体，因而需要通过励磁电流产生磁场。这样，增大电励磁同步电机的峰值功率和峰值扭矩可通过增加励磁线圈和增大励磁电流实现，所需要成本相对较低，并且增加的体积也比异步感应电机小。在低负载时，转子的磁场可通过减小励磁电流而减小，拖曳功率损失可由此减少，效率不会出现明显下降。在电励磁同步电机不工作时，可通过切断励磁电流而使得转子无磁场，转子即可跟随转动，而不会由转子磁场产生阻力。因此，采用电励磁同步电机的电动车辆无需配备诸如离合器的脱开单元，降低了成本。此外，由于电励磁同步电机的转子跟随转动，其转速与电动车辆的实时速度匹配，在需要重新启用电励磁同步电机时无需再加速转子，缩短了动力延迟时间。

考虑到永磁同步电机和电励磁同步电机的上述特性，根据本公开的动力系统采用了相对小的永磁同步电机和相对大的电励磁同步电机，其中，永磁同步电机的峰值功率和峰值扭矩严格地小于电励磁同步电机的峰值功率和峰值扭矩。这种布置可以使得永磁同步电机尽可能地工作在高负载下，降低拖曳功率损失对效率的影响，同时降低了永磁同步电机的成本。峰值功率和峰值扭矩较大的电励磁同步电机则可满足电动车辆在急加速或高速巡航时的功率需求。特别地，所述永磁同步电机的峰值功率处于60kW至150kW之间，并且所述电励磁同步电机的峰值功率处于150kW至300kW之间。此外，考虑到在日常行车中的驾驶需求和需要永磁同步电机执行电动车辆的能量回收，优选地是永磁同步电机作为前驱电机，电励磁同步电机作为后驱电机。可以设想地，根据不同的需求，也可以由电励磁同步电机作为前驱电机，而永磁同步电机作为后驱电机。

本申请发明人针对两种电机布置进行了仿真模拟。电机布置1采用峰值功率80kW的永磁同步电机和峰值功率150kW的电励磁同步电机的组合，电机布置2采用峰值功率80kW的永磁同步电机和峰值功率150kW的永磁同步电机的组合。仿真模拟的结果见下面列出的表1。可以看出，通过采用永磁同步电机和电励磁同步电机的组合，不论是在城市工况，还是在高速工况，相比双永磁同步电机的组合，动力系统上所产生的功率损失都减小了，在高速工况下则尤为显著。

表1：不同电机布置的动力系统在城市工况和高速工况下的功率损失

图2示出了动力系统的能量传递的示意图。参考图2，电动车辆的储能系统(例如，动力电池或燃料电池等)以直流的方式输出电功率，经逆变器转换后输出至动力系统并为永磁同步电机和电励磁同步电机供电。永磁同步电机输出第一功率P1，电励磁同步电机输出第二功率P2，二者的和满足电动车辆的实时工况所需求的需求功率P，即P1+P2＝P。

在永磁同步电机输出第一功率P1时，所述动力系统承受与其相关联的第一功率损失PL1，例如，逆变器上与永磁同步电机相关联的功率损失，在永磁同步电机上产生的拖曳功率损失、在传动系统上产生的与永磁同步电机相关联的功率损失等。类似地，电励磁同步电机输出第二功率P2时，所述动力系统承受与其相关联的第二功率损失PL2，例如逆变器上与电励磁同步电机相关联的功率损失，在电励磁同步电机上产生的拖曳功率损失、在传动系统上产生的与电励磁同步电机相关联的功率损失等。这种功率损失造成电动车辆的能耗上升，续航里程下降。因此，期望的是尽量减少这种功率损失。

为此，永磁同步电机和电励磁同步电机输出的功率可由电动车辆的控制系统进行动态调整。这种动态调整的判据是使得电动车辆的动力系统所承受的功率损失达到预定的最小值。具体地，所述控制系统可持续获取所述电动车辆的实时工况，例如车辆行驶速度、路况、电机扭矩等。基于所述实时工况，所述控制系统可确认电动车辆当前的需求功率P，控制永磁同步电机输出第一功率P1，电励磁同步电机输出第二功率P2，使得P1+P2＝P，并调整所述第一功率P1与需求功率P之间的比例R，使得第一功率损失PL1和第二功率损失PL2之和达到预定的最小值。

由于永磁同步电机的效率一般高于电励磁同步电机，在一些情况下，特别是在永磁同步电机的功率和扭矩即可满足电动车辆的实时工况的需求时，所述需求功率P可仅由所述永磁同步电机输出，而电励磁同步电机跟随转动，即第一功率P1＝P，且第二功率P2＝0。例如，在电动车辆处于NEDC工况、CLTC工况和/或WLTP工况时，需求功率P仅由永磁同步电机输出，并可以获得较高的续航里程。

当电动车辆的实时工况的需求超过了永磁同步电机的峰值功率和峰值扭矩时，例如在电动车辆急加速或高速巡航时，电励磁同步电机被启用，电动车辆的实时工况需求的需求功率P由永磁同步电机和电励磁同步电机同时输出。此时，第一功率P1、第二功率P2和需求功率P满足以下关系：0<P1<P,0<P2<P且P1+P2＝P。第一功率P1与需求功率P之间的比例R通过控制系统动态调整，使得第一功率损失PL1和第二功率损失PL2之和达到预定的最小值。

对于电动车辆的某个特定工况，可以通过测试确定满足第一功率损失PL1和第二功率损失PL2之和达到预定的最小值的第一功率P1与需求功率P之间的比例R。下面列出的表2和表3示出了在特定的城市工况和特定的高速工况下不同的比例R所产生的功率损失(kW)。

比例R	P1(kW)	P2(kW)	PL1(kW)	PL2(kW)	PL1+PL2(kW)
						0	0	40	2	16	18
0.2	8	32	4.8	11.2	16
						0.4	16	24	6.8	7.2	14
0.6	24	16	8.48	4.32	12.8
						0.8	32	8	11.28	2.32	13.6
1	40	0	14.4	0.5	14.9

表2：在特定城市工况下不同比例R产生的功率损失

表3：在特定高速工况下不同比例R产生的功率损失

通过上述表2和表3，可以确定在其对应的特定工况下满足第一功率损失PL1和第二功率损失PL2之和达到预定的最小值的比例R分别是0.6和1.0。类似地，可以为电动车辆所可能经历的各种工况确定上述比例R。也就是说，电动车辆的实时工况与所述比例R之间的映射可以预先确定。电动车辆的控制系统包括存储器，预先确定的映射可存储在所述存储器中。在电动车辆的行驶过程中，所述控制系统通过查询所述预先确定的映射而动态调整所述比例R。可选地，也可以预先确定所述电动车辆的实时工况与所述比例R之间的模型，并将其存储在控制系统的存储器中。在电动车辆的行驶过程中，所述控制系统通过查询所述预先确定的模型而动态调整所述比例R。本公开的一个或多个实施例中的某些特征、结构或特点可以进行适当的组合。

上面是对本公开的说明，而不应被认为是对其的限制。尽管描述了本公开的若干示例性实施例，但本领域技术人员将容易地理解，在不背离本公开的新颖教学和优点的前提下可以对示例性实施例进行许多修改。因此，所有这些修改都意图包含在权利要求书所限定的本公开范围内。应当理解，上面是对本公开的说明，而本公开不应被认为是限于所公开的特定实施例，并且对所公开的实施例以及其他实施例的修改意图包含在本公开的范围内。

Claims (9)

1.一种用于电动车辆的动力系统，包括：永磁同步电机和电励磁同步电机，所述永磁同步电机和电励磁同步电机中的一个是用于驱动所述电动车辆的前轮的前驱电机，并且所述永磁同步电机和电励磁同步电机中的另一个是用于驱动所述电动车辆的后轮的后驱电机，

其中，所述永磁同步电机的峰值功率和峰值扭矩小于所述电励磁同步电机的峰值功率和峰值扭矩，并且

其中，所述永磁同步电机和所述电励磁同步电机输出的功率根据所述电动车辆的实时工况进行动态调整，使得所述动力系统承受的功率损失达到预定的最小值。

2.根据权利要求1所述的动力系统，其中，

所述永磁同步电机输出第一功率P1，所述电励磁同步电机输出第二功率P2，所述第一功率P1、第二功率P2和所述电动车辆的实时工况所需求的需求功率P满足P1+P2＝P，

在永磁同步电机输出第一功率P1时，所述动力系统承受与所述永磁同步电机相关联的第一功率损失PL1，并且在电励磁同步电机输出第二功率P2时，所述动力系统承受与所述电励磁同步电机相关联的第二功率损失PL2，

其中，所述第一功率P1与需求功率P的比例R根据所述电动车辆的实时工况进行动态调整，使得所述第一功率损失PL1和第二功率损失PL2之和达到预定的最小值。

3.根据权利要求2所述的动力系统，其中，所述第一功率损失PL1包括在所述永磁同步电机上产生的拖曳功率损失，以及在电动车辆的逆变器和传动系统上产生与所述永磁同步电机相关联的功率损失，并且

所述第二功率损失PL2包括在所述电励磁同步电机上产生的拖曳功率损失，以及在电动车辆的逆变器和传动系统上产生的所述电励磁同步电机相关联功率损失。

4.根据权利要求1所述的动力系统，其中，所述永磁同步电机是前驱电机，并且所述电励磁同步电机是后驱电机。

5.根据权利要求2所述的动力系统，其中，在所述电动车辆处于NEDC工况、CLTC工况和/或WLTP工况时，所述电动车辆的实时工况需求的需求功率P仅由所述永磁同步电机输出，使得第一功率P1＝P，且第二功率P2＝0。

6.根据权利要求2所述的动力系统，其中，在所述电动车辆急加速或高速巡航时，所述电动车辆的实时工况需求的需求功率P由所述永磁同步电机和电励磁同步电机同时输出，使得第一功率P1、第二功率P2和需求功率P满足以下关系：0<P1<P,0<P2<P且P1+P2＝P。

7.根据权利要求1所述的动力系统，其中，所述永磁同步电机的峰值功率处于60kW至150kW之间，并且所述电励磁同步电机的峰值功率处于150kW至300kW之间。

8.一种电动车辆，包括控制系统和根据权利要求1至7中的任一项所述的动力系统，

其中，所述控制系统获取所述电动车辆的实时工况，并动态地调整由所述永磁同步电机和所述电励磁同步电机输出的功率。

9.根据权利要求8所述的电动车辆，其中，所述控制系统包括存储器，用于储存所述电动车辆的实时工况与所述比例R之间的预先确定的映射或模型，所述控制系统通过查询所述预先确定的映射或模型而动态调整所述比例R。