電動車驅(qū)動電機(jī)選型匹配

汽車作為一種運(yùn)輸工具，運(yùn)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(jī)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(jìn)行驅(qū)動電機(jī)性能匹配，以判斷設(shè)計(jì)方案是否滿足設(shè)計(jì)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(jī)械兩大部分，由于驅(qū)動電機(jī)低速大扭矩的特性， 其中機(jī)械傳動部分的結(jié)構(gòu)是可選的。電氣部分包括電機(jī)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(jī)的基本性能要求

電動汽車運(yùn)行工況復(fù)雜，對驅(qū)動電機(jī)要求能夠頻繁的啟動/停止、加速/減速，低速和爬坡的時(shí)候要求轉(zhuǎn)矩高，高速時(shí)轉(zhuǎn)矩低，并要求寬廣的調(diào)速范圍。電機(jī)的選型要素通常包括： 電機(jī)的類型、額定電壓、機(jī)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(jī)工作在最佳的性能區(qū)間。

對電機(jī)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(jī)尺寸，較小損耗。

2) 高轉(zhuǎn)速。

高轉(zhuǎn)速電機(jī)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(jì)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(qiáng)度，達(dá)到與傳統(tǒng)駕駛習(xí)慣的適應(yīng)。

5) 效率高、損耗小，能實(shí)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(hù)設(shè)備。

7)可靠性好，適應(yīng)汽車運(yùn)行的各種惡劣環(huán)境。

8)結(jié)構(gòu)簡單、維修方便，維護(hù)成本低。

3電動客車動力性能匹配計(jì)算基本方法

進(jìn)行電機(jī)動力匹配計(jì)算需首先按確定整車基本參數(shù)和性能目標(biāo)，詳細(xì)精確的基本參數(shù)是保證計(jì)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(jì)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(jī)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(jī)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(jī)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(shí)際情況，無變速器電機(jī)+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(yàn)公式進(jìn)行 匹配計(jì)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(jī)的機(jī)械特性曲線

以直流永磁無刷電機(jī)的機(jī)械特性為例，電機(jī)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(shí)通過最高車速設(shè)計(jì)指標(biāo)驗(yàn)證電機(jī)的功率特性；加速和最大爬坡度指標(biāo)驗(yàn)證電機(jī)扭矩特性。在下文的選型匹配計(jì)算方法中將詳述驗(yàn)證計(jì)算方法。

圖 2直流永磁無刷驅(qū)動電機(jī)的機(jī)械特性曲線

3.3電機(jī)動力選型匹配計(jì)算方法

汽車動力性能匹配計(jì)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(jì)算方法以及各個曲線的匹配計(jì)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(jī)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(jī)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(jī)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(jì)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(jì)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(jì)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(jìn)行動力性初步匹配計(jì)算時(shí)，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(yàn)公式進(jìn)行匹配計(jì)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(jìn)行不同檔位的驅(qū)動力和阻力估算時(shí)，還需要知道汽車速度與發(fā)動機(jī)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(jī)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(jī)轉(zhuǎn)速、 檔位下的驅(qū)動力、行駛阻力，進(jìn)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(shí)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(diǎn)，曲線交點(diǎn)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(jìn)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(shí)，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(jìn)行轉(zhuǎn)換，這樣就可以估算出爬坡度， 并進(jìn)一步繪制出爬

坡度曲線圖。

3.3.4加速度曲線及加速時(shí)間

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

汽車加速時(shí)，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(shí)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(shí)間

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

審核編輯 ：李倩