苗志威 鄭逢良 牛鑫

（河南龍瑞新能源汽車有限公司技術(shù)中心）

為解決當(dāng)前全球面臨著大氣污染和能源短缺的危機(jī)，世界各國的汽車制造商都投入了大量資金開發(fā)純電動(dòng)汽車，我國也早在2001年設(shè)立了“電動(dòng)汽車重大科技專項(xiàng)”。在此背景下，某新能源汽車有限公司于2010年5月開始，相繼推出了6 款純電動(dòng)汽車，并成功投放市場(chǎng)。基于該公司某款純電動(dòng)汽車項(xiàng)目的研發(fā)過程，文章對(duì)純電動(dòng)汽車主要零部件的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了總結(jié)。

1 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

純電動(dòng)汽車的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)包括驅(qū)動(dòng)電機(jī)及其控制器、減速器及動(dòng)力電池組等，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的技術(shù)參數(shù)由純電動(dòng)汽車動(dòng)力性能指標(biāo)決定。

1.1 驅(qū)動(dòng)電機(jī)參數(shù)確定

純電動(dòng)汽車的功率全部由電機(jī)來提供，所以電機(jī)功率的選擇須滿足汽車車速和爬坡度等動(dòng)力要求。

1.1.1 滿足最高車速時(shí)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的功率

當(dāng)純電動(dòng)汽車在水平路面上以最高車速勻速行駛時(shí)，忽略加速阻力[1]，電機(jī)輸出功率應(yīng)至少為：

式中：P1——最高車速時(shí)驅(qū)動(dòng)電機(jī)功率，kW；

ηt——整車動(dòng)力機(jī)械系統(tǒng)傳動(dòng)效率；

m——整車滿載質(zhì)量，kg；

f——滾動(dòng)阻力系數(shù)；

Cd——空氣阻力系數(shù)；

A——迎風(fēng)面積，m2；

g——重力加速度，9.8 m/s2；

umax——最高車速，km/h。

1.1.2 滿足爬坡性能時(shí)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的功率

汽車以車速ua爬坡（角度α）行駛時(shí)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)所提供的功率至少為[2]：

式中：P2——滿足爬坡性能時(shí)驅(qū)動(dòng)電機(jī)功率，kW；

α——爬坡角度，（°）；

uα——爬坡時(shí)最低車速，km/h。

1.2 減速器參數(shù)確定

在純電動(dòng)汽車減速器傳動(dòng)比的選擇中，應(yīng)根據(jù)汽車最高行駛車速和電機(jī)最高轉(zhuǎn)速計(jì)算最大傳動(dòng)比，根據(jù)最大爬坡度和電機(jī)最大扭矩計(jì)算最小傳動(dòng)比[3]。純電動(dòng)汽車一般采用電機(jī)與減速器直接相連，沒有變速器，其主要原因是：一方面電機(jī)特性比發(fā)動(dòng)機(jī)好，可以在電機(jī)控制器的調(diào)節(jié)下實(shí)現(xiàn)相應(yīng)功能；另一方面節(jié)約成本，并簡(jiǎn)化駕駛員的操作。對(duì)于沒有變速器的純電動(dòng)汽車的減速器，其傳動(dòng)比可以在最小傳動(dòng)比和最大傳動(dòng)比的理論計(jì)算值之間選取，并考慮使用成本等因素。

由最高行駛車速和驅(qū)動(dòng)電機(jī)最高轉(zhuǎn)速確定減速器傳動(dòng)比（i1）為：

式中：nmax——驅(qū)動(dòng)電機(jī)最高轉(zhuǎn)速，r/min；

rd——車輪滾動(dòng)半徑，m。

由最大爬坡度和電機(jī)最大扭矩確定減速器傳動(dòng)比（i2）為：

式中：Ft——整車驅(qū)動(dòng)力，N；

Tmax——驅(qū)動(dòng)電機(jī)峰值扭矩，N·m。

在電動(dòng)汽車滿足最大爬坡度的條件下，式（4）中的Ft應(yīng)為：

式中：Ff——滾動(dòng)阻力，F(xiàn)f=mgfcos αmax，N；

FW——空氣阻力

Fi——坡道阻力，F(xiàn)i=mgsin αmax，N；

uαmax——汽車最大爬坡度時(shí)的速度，km/h；

αmax——汽車最大爬坡角度，（°）。

電動(dòng)汽車減速器的傳動(dòng)比選擇應(yīng)滿足：i2≤i≤i1。

1.3 動(dòng)力電池?cái)?shù)量確定

動(dòng)力電池的數(shù)量通常由汽車行駛性能和電機(jī)額定電壓決定[4]。電機(jī)電源等級(jí)一般為12 V 的整數(shù)倍，為了滿足互換性和通用性的要求，電池組電壓要與電機(jī)電源要求一致。如果動(dòng)力電池?cái)?shù)量過多，會(huì)增加電池組的體積和質(zhì)量，同時(shí)也影響電動(dòng)汽車成本。但是如果動(dòng)力電池?cái)?shù)量電壓過少，則會(huì)影響電動(dòng)車的行駛性能，不能滿足相關(guān)國標(biāo)要求。因此要求在進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，需要通過精確的計(jì)算來選擇合適的方案。

1.3.1 按功率需求確定動(dòng)力電池?cái)?shù)量

動(dòng)力電池?cái)?shù)量的選擇需滿足電動(dòng)汽車行駛的功率要求。電動(dòng)汽車行駛功率由電機(jī)功率和電動(dòng)汽車附件功率組成。其中，電動(dòng)汽車附件包括12 V 蓄電池的充電、電動(dòng)剎車助力系統(tǒng)、電動(dòng)轉(zhuǎn)向助力系統(tǒng)、電動(dòng)空調(diào)系統(tǒng)、整車儀表、整車燈光、音響系統(tǒng)及雨刮等。因此，計(jì)算滿足電動(dòng)汽車總功率要求時(shí)的電池?cái)?shù)量（np）為：

式中：Pt——電動(dòng)汽車總功率，kW；

Ps——單體動(dòng)力電池功率，kW；

Usmax——單體電池最高電壓，V；

Ismax——單體電池最大放電電流，A。

1.3.2 按行駛能量需求確定動(dòng)力電池個(gè)數(shù)

動(dòng)力電池?cái)?shù)量的選擇同時(shí)還需滿足電動(dòng)汽車行駛的能量需求。

純電動(dòng)汽車一次完整充電后，以勻速行駛的全續(xù)駛里程，所需的能量（Wt/kW·h）可由式（6）計(jì)算：

式中：Pel——汽車最大行駛里程時(shí)的總功率，kW；

t——汽車全里程行駛時(shí)間，h；

ηmc——電機(jī)及控制器工作效率；

uel——汽車最大行駛里程時(shí)行駛速度，km/h；

S——汽車最大行駛里程，km。

單體動(dòng)力電池的能量（Ws/kW·h）可由式（7）計(jì)算：

式中：U——單體電池電壓，V；

C——單體電池容量，A·h。

滿足電動(dòng)汽車行駛能量需求時(shí)的動(dòng)力電池?cái)?shù)量（n）e為：

最后，動(dòng)力電池的數(shù)量取np和ne之中的最大值。

2 某款純電動(dòng)汽車項(xiàng)目的研發(fā)

2.1 整車參數(shù)

該公司某款電動(dòng)汽車屬M(fèi)1 小型乘用車，依托于傳統(tǒng)的微型車，在保留原有的車架和懸架系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，采用驅(qū)動(dòng)電機(jī)和動(dòng)力電池組成的電力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，來取代傳統(tǒng)的發(fā)動(dòng)機(jī)和燃油系統(tǒng)構(gòu)成的動(dòng)力系統(tǒng)，其整車基本參數(shù)，如表1所示。

表1 整車基本參數(shù)

2.2 整車動(dòng)力性能指標(biāo)

基于GB/T 28382—2012《純電動(dòng)乘用車技術(shù)條件》，該公司該款電動(dòng)車的整車動(dòng)力性能指標(biāo)，如表2所示。

表2 整車動(dòng)力性能指標(biāo)

2.3 動(dòng)力系統(tǒng)技術(shù)參數(shù)

2.3.1 驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選擇

綜合考慮電動(dòng)汽車性能及各電氣附件的功率要求，再結(jié)合現(xiàn)有配套體系，該車選用永磁直流無刷電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)電機(jī)。根據(jù)式（1）和式（2）計(jì)算得：P1=10.8 kW，P2=19.8 kW，根據(jù)計(jì)算結(jié)果選擇電機(jī)的額定功率和峰值功率分別為11，22 kW?；跐M足實(shí)際需求和成本因素，選擇現(xiàn)有適合的驅(qū)動(dòng)電機(jī)，其參數(shù)如表3所示。

表3 驅(qū)動(dòng)電機(jī)參數(shù)

2.3.2 減速器傳動(dòng)比的選擇

減速器速比的確定實(shí)際跟電機(jī)最高轉(zhuǎn)速和峰值扭矩的選擇之間存在一個(gè)反復(fù)驗(yàn)證的關(guān)系。根據(jù)常用減速器的比值來大致確定電機(jī)的最高轉(zhuǎn)速和峰值扭矩，當(dāng)電機(jī)的參數(shù)確定后，再反過來計(jì)算減速器的速比。

根據(jù)式（3）計(jì)算得出：i1=8.06。

在對(duì)式（4）進(jìn)行計(jì)算時(shí)，由于 uαmax很小，因此可忽略FW，計(jì)算得出i2=7.15。

電動(dòng)汽車減速器的傳動(dòng)比滿足：i2≤i≤i1，最終選取i=8。

2.3.3 動(dòng)力電池?cái)?shù)量的選擇

結(jié)合配套體系及研發(fā)成本，動(dòng)力電池采用鉛酸電池，單體電壓為12 V，容量為150 A·h。

式（5）中，Pt約為 15.5 kW，Usmax取 13.1 V，Ismax最大放電電流的數(shù)值取2C，可得np=3.95。

在計(jì)算式（6）～（8）時(shí)，同樣需要考慮電氣附件所消耗的功率，可得：ne=7.69。

最終，ne取8 個(gè)，動(dòng)力電池組電壓為12 V×8=96 V，符合驅(qū)動(dòng)電機(jī)額定電壓96 V 的要求。

2.4 驅(qū)動(dòng)電機(jī)參數(shù)及減速器傳動(dòng)比的驗(yàn)算

2.4.1 最大爬坡度

計(jì)算最大爬坡度時(shí)，可忽略 FW，令：cos αmax=1，可得：所以代入數(shù)據(jù)得：αmax=12.5°。

故所計(jì)算的最大爬坡度為：100%tan αmax=22.2%＞20%，符合電動(dòng)汽車最大爬坡度的動(dòng)力指標(biāo)。

2.4.2 加速能力

0～50 km/h 起步加速時(shí)間（t1/s）為[5]：

式中：δ——旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)，取1.02；

u——汽車爬坡速度，km/h；

Tp——驅(qū)動(dòng)電機(jī)扭矩，N·m。

代入相關(guān)數(shù)據(jù)計(jì)算得出：t1=9.1 s＜10 s。

用相同的方法計(jì)算50～80 km/h 超車加速時(shí)間：t2=14.3 s＜15 s。

綜上，所計(jì)算電動(dòng)汽車的加速能力符合整車動(dòng)力性能指標(biāo)。

3 結(jié)論

驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)影響到純電動(dòng)汽車的動(dòng)力性能指標(biāo)。文章以汽車行駛動(dòng)力學(xué)為理論依據(jù)，根據(jù)整車動(dòng)力性能指標(biāo)，結(jié)合企業(yè)配套體系，在滿足國家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)純電動(dòng)汽車動(dòng)力性能要求的前提下，選擇確定了驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)各主要零部件。實(shí)際運(yùn)用表明：此方法對(duì)純電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的選擇匹配是合理的，同時(shí)也為純電動(dòng)汽車的動(dòng)力性能預(yù)測(cè)和分析提供了一種切實(shí)可行的方法。