電動車驅(qū)動電機選型匹配

汽車作為一種運輸工具，運輸效率的高低在很大程度上取決于汽車的動力性。動力性是各種性能中最基本、最重要的性能之一。動力性的好壞，直接影到汽車在城市和城際公路上的使用情況。電驅(qū)動系統(tǒng)是電動汽車的心臟，是電動汽車的唯一動力來源。電機的性能直接影響到整車的最高車速、加速性能及爬坡性能等。因此在新車開發(fā)階段，必須進行驅(qū)動電機性能匹配，以判斷設(shè)計方案是否滿足設(shè)計目標(biāo)和使用要求。

2電驅(qū)動系統(tǒng)的基本要求

2.1電驅(qū)動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

通常電驅(qū)動系統(tǒng)從功能角度可分為電氣和機械兩大部分，由于驅(qū)動電機低速大扭矩的特性， 其中機械傳動部分的結(jié)構(gòu)是可選的。電氣部分包括電機和電功率控制轉(zhuǎn)化部分。系統(tǒng)原理簡示如下圖：

圖 1 電驅(qū)動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖

2.2電機的基本性能要求

電動汽車運行工況復(fù)雜，對驅(qū)動電機要求能夠頻繁的啟動/停止、加速/減速，低速和爬坡的時候要求轉(zhuǎn)矩高，高速時轉(zhuǎn)矩低，并要求寬廣的調(diào)速范圍。電機的選型要素通常包括： 電機的類型、額定電壓、機械特性、效率、尺寸參數(shù)、可靠性和成本等。在基本物理參數(shù)定型的基礎(chǔ)上通過匹配驅(qū)動系統(tǒng)和電子控制系統(tǒng)是電機工作在最佳的性能區(qū)間。

對電機基本性能指標(biāo)有以下要求：

1) 高電壓。

在允許的范圍內(nèi)采用高電壓可以減小電機尺寸，較小損耗。

2) 高轉(zhuǎn)速。

高轉(zhuǎn)速電機體積更小、質(zhì)量輕，可降低整車整備質(zhì)量。

3)質(zhì)量輕。

輕量化設(shè)計可以降低整備質(zhì)量，節(jié)省寶貴的能量。

4)較大的啟動轉(zhuǎn)矩和較大的調(diào)速范圍。這樣匹配的電動車具有較好的啟動性能、加速性能，并可以提高駕駛舒適性，減低駕駛員操作強度，達到與傳統(tǒng)駕駛習(xí)慣的適應(yīng)。

5) 效率高、損耗小，能實現(xiàn)制動能量回收。在車載能源系統(tǒng)不變的情況下，最大限度的增加續(xù)航里程，突出能源利用優(yōu)勢。

6) 良好的安全性。必須具備高壓絕緣、保護設(shè)備。

7)可靠性好，適應(yīng)汽車運行的各種惡劣環(huán)境。

8)結(jié)構(gòu)簡單、維修方便，維護成本低。

3電動客車動力性能匹配計算基本方法

進行電機動力匹配計算需首先按確定整車基本參數(shù)和性能目標(biāo)，詳細精確的基本參數(shù)是保證計算結(jié)果精度的基礎(chǔ)。

3.1術(shù)語

1)迎風(fēng)面積

迎風(fēng)面積定義為車輛行駛方向的投影面積，可以通過通過三維數(shù)模的測量得到，三維數(shù)據(jù)不健全則通過設(shè)計總布置圖測得?？蛙囓囆陀L(fēng)面積為 A一般取值 4-7 m2 。

2)動力傳動系統(tǒng)機械效率

根據(jù)客車車型動力傳動系統(tǒng)的具體結(jié)構(gòu)，傳動系統(tǒng)的機械效率nT主要由變速器傳動效率、 傳動軸萬向節(jié)傳動效率、 主減速器傳動效率等部分串聯(lián)組成。

根據(jù)電機的性能匹配情況可以選擇有或沒有裝置，通常變速裝置每增加一對齒輪摩擦副，整體傳動效率降低 1%；傳動軸的一個十字節(jié)效率降低 1%；主加速部分的齒輪副同樣降低效率 1%。

例如：根據(jù)實際情況，無變速器電機+傳動軸直驅(qū)的方案傳動效率為：

nT＝99％×99％×99％×99％＝96.1%

3)滾動阻力系數(shù)f

滾動阻力系數(shù)采用推薦的客車輪胎在良好路面上的滾動阻力系數(shù)經(jīng)驗公式進行 匹配計算：

其中：f0 —0.0072~0.0120 以上，取 0.012；

f1 —0.00025~0.00280，取 0.0027；

f4—0.00065~0.002 以上，取 0.002；

ua—汽車行駛速度， 單位為km/h；

c—對于良好瀝青路面，c=1.2。

3.2電機的機械特性曲線

以直流永磁無刷電機的機械特性為例，電機動力輸出特性通?？蓜澐譃楹闩ぞ貐^(qū)和恒功率區(qū)。恒扭矩區(qū)決定了整車起動性能、爬坡性能和低速加速性能， 恒功率區(qū)決定了整車的最高車速。

選型匹配時通過最高車速設(shè)計指標(biāo)驗證電機的功率特性；加速和最大爬坡度指標(biāo)驗證電機扭矩特性。在下文的選型匹配計算方法中將詳述驗證計算方法。

圖 2直流永磁無刷驅(qū)動電機的機械特性曲線

3.3電機動力選型匹配計算方法

汽車動力性能匹配計算的主要依據(jù)是汽車的驅(qū)動力和行駛阻力之間的平衡關(guān)

系，汽車的驅(qū)動力－行駛阻力平衡方程為

Ft=Ff+Fw+Fi+Fj

其中Ft—驅(qū)動力；

Ff—滾動阻力；

Fw—空氣阻力；

Fi—坡道阻力；

Fj—加速阻力。

下面對上述驅(qū)動力和行駛阻力的匹配計算方法以及各個曲線的匹配計算方法簡要說明如下。

3.3.1驅(qū)動力、行駛阻力及其平衡圖

在發(fā)動機轉(zhuǎn)速特性、傳動系統(tǒng)傳動比及效率、車輪半徑、空氣阻力系數(shù)、迎風(fēng)面積以及汽車的質(zhì)量等確定后，便可確定汽車的驅(qū)動力－行駛阻力平衡關(guān)系。

驅(qū)動力：

其中：Ttq—發(fā)動機的轉(zhuǎn)矩，單位為 N ·m；

i—變速器各個檔位的傳動比；

i0 —主減速器速比；

hT—動力傳動系統(tǒng)機械效率；

rd—車輪滾動半徑，單位為m。

滾動阻力

Ff＝mgfcosa

其中：m—汽車匹配計算載荷工況下的質(zhì)量，單位為kg；

g—重力加速度， 單位為m/s2；

f—滾動阻力系數(shù)；

a—道路坡角，單位為rad；

rd—車輪滾動半徑，單位為m。

空氣阻力

F=CAua(2)

21. 15

其中：CD—空氣阻力系數(shù)；

A—迎風(fēng)面積，單位為m2；

ua—汽車行駛速度， 單位為km/h。

客車空氣阻力系數(shù)CD通常取 0.5-0.8，根據(jù)具體車型造型選擇系數(shù)大小，車輛 造型越趨向于流線空氣阻力系數(shù)取值越小。

坡道阻力

Fi＝mgsin a (5)

其中：m—匹配計算載荷工況下汽車的質(zhì)量，單位為kg；

g—重力加速度， 單位為m/s2；

a—道路坡角，單位為rad。

加速阻力

F= dmdua

jdt

其中：

d—旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)；

m—匹配計算載荷工況下汽車的質(zhì)量，單位為kg；

dua

dt—汽車行駛加速度， 單位為m/s2。

在進行動力性初步匹配計算時，由于不知道汽車輪胎等旋轉(zhuǎn)部件準(zhǔn)確的轉(zhuǎn)動慣 量數(shù)值，對于旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)d，通常根據(jù)下述經(jīng)驗公式進行匹配計算確定：

d ＝1 + d1 + d2ig(2)

式中，d1 和d2 取值范圍在 0.03 到 0.05 之間，這里粗取平均值，即認(rèn)為d1 =d2 =0.04。

在進行不同檔位的驅(qū)動力和阻力估算時，還需要知道汽車速度與發(fā)動機轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系：

其中：ua—汽車行駛速度， 單位為km/h；

n—發(fā)動機轉(zhuǎn)速， 單位為rpm；

i0 —主減速器傳動比；

rd—車輪的滾動半徑，單位為m；

ig—當(dāng)前檔速比。

根據(jù)上述公式，我們還可以方便地估算出汽車在任意發(fā)動機轉(zhuǎn)速、 檔位下的驅(qū)動力、行駛阻力，進而可以繪制出汽車的驅(qū)動力－行駛阻力平衡圖。

汽車的驅(qū)動力－行駛阻力平衡圖形象地表明了汽車行駛時的受力情況和平衡關(guān)系。由此可以確定汽車的動力性。

在驅(qū)動力－行駛阻力平衡圖中，求出最高檔下驅(qū)動力和行駛阻力曲線的交點，曲線交點處對應(yīng)的速度值即為汽車的最高車速。

3.3.2動力因數(shù)圖

動力因數(shù)的定義為

其中：各個參數(shù)的含義同前面的說明。

利用公式(8)結(jié)合前面公式就可以估算出汽車各個檔位下的動力因數(shù)值，進而可以繪制出動力因數(shù)圖。

3.3.3爬坡度曲線圖

根據(jù)汽車的行駛方程式和驅(qū)動力－行駛阻力平衡圖，可以估算汽車的爬坡能力。在估算爬坡度時，認(rèn)為汽車的驅(qū)動力除了用來克服空氣阻力、 滾動阻力外，剩余驅(qū)動力都用來克服坡道阻力， 即加速阻力Fj為零。

根據(jù)公式(1)可以得到如下公式

將公式(3)、(5) 代入上式，就可以得到如下公式：

mgfcosa +mgsin a =Ft一Fw

代入公式以及公式(8)，經(jīng)過整理那么就可得

然后根據(jù)公式i=tga進行轉(zhuǎn)換，這樣就可以估算出爬坡度， 并進一步繪制出爬

坡度曲線圖。

3.3.4加速度曲線及加速時間

汽車的加速能力可用它在水平良好路面上行駛時能產(chǎn)生的加速度來評價。

汽車加速時，驅(qū)動力除了用來克服空氣阻力、 滾動阻力以外，主要用來克服加速阻力，此時不考慮坡道阻力Fi(Fi=0)。

根據(jù)公式(1)、(6)，可以得到如下公式：

所以，加速時間

根據(jù)以上公式，通過數(shù)值積分方法對上式進行積分求解，就可以得到所需要的加速時間。

審核編輯 ：李倩