肖壽高

（陜西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院汽車工程學(xué)院，陜西 西安 710018）

雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)低速純電動(dòng)汽車研究

肖壽高

（陜西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院汽車工程學(xué)院，陜西 西安 710018）

為了響應(yīng)國家節(jié)能減排的號(hào)召，實(shí)現(xiàn)汽車產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，開展對(duì)新能源汽車的技術(shù)研究已成為當(dāng)今世界的熱點(diǎn)問題。文章以某基型車為研究對(duì)象，完成了雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)低速純電動(dòng)汽車的動(dòng)力性能計(jì)算和驅(qū)動(dòng)電機(jī)選型；通過對(duì)比各種電機(jī)的優(yōu)缺點(diǎn)，得到了驅(qū)動(dòng)電機(jī)的相關(guān)參數(shù)和設(shè)計(jì)要求，為后續(xù)雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車的開發(fā)打下基礎(chǔ)。

新能源汽車；雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)；低速純電動(dòng)汽車

CLC NO: U469.72 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)01-30-03

引言

目前，新能源汽車的研發(fā)已經(jīng)列入了國家十三五規(guī)劃計(jì)劃當(dāng)中，而純電動(dòng)汽車作為一種重要的新能源汽車，國內(nèi)各大汽車生產(chǎn)廠商正已投入大量的人力物力對(duì)其進(jìn)行開發(fā)。在小型乘用汽車領(lǐng)域，比亞迪汽車公司已開發(fā)出純電動(dòng)車e6，長安新能源汽車公司推出了奔奔MINI純電動(dòng)轎車，北汽新能源公司在售EV200、EU200等系列純電動(dòng)汽車，奇瑞新能源公司生產(chǎn)的奇瑞eQ和奇瑞QQ3EV純電動(dòng)汽車，中國一汽新能源汽車分公司推出了奔騰EV、歐朗EV和威志EV幾款純電動(dòng)汽車。以上所列各種純電動(dòng)車型都為單電機(jī)驅(qū)動(dòng)純電動(dòng)汽車，且只有奇瑞的QQ3EV為低速電動(dòng)車（經(jīng)濟(jì)車速為50km/h），而其余車型均為高速電動(dòng)車（最高車速約在100km/h-150km/h左右）。

一方面，研究發(fā)現(xiàn)高速純電動(dòng)汽車雖然在行駛速度上雖然優(yōu)于低速純電動(dòng)汽車，但是該類車型對(duì)電池電壓，電池容量，電機(jī)功率等關(guān)鍵性能部件提出了更高的要求，并且目前造價(jià)也比較高，不利于市場(chǎng)推廣。另一方面，雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)比單電機(jī)驅(qū)動(dòng)更為靈活有利，比如對(duì)于前置前驅(qū)的車型來講，通過采用靈活的雙電機(jī)控制方案的設(shè)計(jì)達(dá)到取消機(jī)械差速器的目的，而單電機(jī)驅(qū)動(dòng)需要增加此差速器；還可以將電機(jī)集成到整個(gè)車輪構(gòu)成為左右驅(qū)動(dòng)的輪轂電機(jī)，從而進(jìn)一步減少整車零件，而單電機(jī)驅(qū)動(dòng)需要傳動(dòng)軸及變速箱總成來完成傳動(dòng)。因此，研究雙電機(jī)低速純電動(dòng)汽車是必要的并具有一定的實(shí)用價(jià)值。

1、雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)純電動(dòng)汽車基本結(jié)構(gòu)分析

為縮短電動(dòng)汽車的研發(fā)時(shí)間和研發(fā)成本，此處純電動(dòng)汽車的基本結(jié)構(gòu)以成熟的傳統(tǒng)燃油汽車作為基本型，保留原傳統(tǒng)燃油汽車的車身、電氣設(shè)備及大部分底盤件，主要針對(duì)燃油汽車的電力及動(dòng)力傳輸系統(tǒng)做變換，圖1給出了一種純電動(dòng)汽車電力和動(dòng)力傳輸路線示意圖。此種純電動(dòng)汽車以動(dòng)力電池組作為動(dòng)力源，通過電池變換器驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)，電動(dòng)機(jī)輸出動(dòng)力給傳輸系統(tǒng)并傳遞至車輪。

圖1 單一蓄電池為動(dòng)力源的純電動(dòng)汽車的電力和動(dòng)力傳輸示意圖

為了使電動(dòng)汽車的結(jié)構(gòu)布局更細(xì)化，下面對(duì)動(dòng)力傳輸部分進(jìn)行拓展，分別給出三種類型結(jié)構(gòu)的布置形式，見表1。從表中可以看到，雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)純電動(dòng)汽車的機(jī)械傳動(dòng)裝置最為簡單和緊湊，可以給整車騰出更大的空間，也便于動(dòng)力電池組的優(yōu)化布置。

表1 純電動(dòng)汽車動(dòng)力傳輸結(jié)構(gòu)布置對(duì)比

2、低速純電動(dòng)汽車動(dòng)力性分析

汽車動(dòng)力性是汽車的關(guān)鍵性能指標(biāo)[4]之一，在純電動(dòng)汽車的研發(fā)過程中，對(duì)整車進(jìn)行動(dòng)力性的分析是十分必要的，電動(dòng)汽車動(dòng)力性的評(píng)價(jià)指標(biāo)包括最高車速、加速時(shí)間以及最大爬坡度，對(duì)這些指標(biāo)進(jìn)行確定將影響整個(gè)車輛的配置，包括驅(qū)動(dòng)電機(jī)等關(guān)鍵部件的設(shè)計(jì)與選型。由于此項(xiàng)研究針對(duì)市場(chǎng)容量較大的低速純電動(dòng)汽車用戶，其主要特性表現(xiàn)為出行代步車，對(duì)車速要求不高、車輛配置要求低、行駛路況較好。通過研究低速汽車市場(chǎng)發(fā)現(xiàn)，可將低速純電動(dòng)汽車的動(dòng)力性參數(shù)設(shè)定為：最高車速為60km/h，最大爬坡度為20%， 0-40km/h加速時(shí)間為9s。從成本和時(shí)間上來考慮，本研究選擇某輕型轎車作為基型車，在此基礎(chǔ)上選擇部分參數(shù)作為驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選型設(shè)計(jì)，對(duì)應(yīng)的部分整車參數(shù)見表見表2。

表2 某基型車整車參數(shù)

2.1 驅(qū)動(dòng)電機(jī)動(dòng)力參數(shù)確定

純電動(dòng)汽車的電機(jī)動(dòng)力參數(shù)直接影響整個(gè)車輛的動(dòng)力性能，下面通過汽車行駛方程式來確定驅(qū)動(dòng)電機(jī)的動(dòng)力參數(shù)，為電機(jī)的選型設(shè)計(jì)提供理論基礎(chǔ)。

1）電機(jī)功率的確定

首先根據(jù)最高車速[1]來確定電機(jī)的峰值功率如下：

式中：m為整車總質(zhì)量，kg；g為重力加速度；f為滾動(dòng)阻力系數(shù)，取0.012；CD為風(fēng)阻系數(shù)，取0.4；A為迎風(fēng)面積，取2.22；η為傳動(dòng)效率；umax為最高車速。

其次根據(jù)最大爬坡度來確定電機(jī)的峰值功率如下：

式中：ui為在最大坡度上運(yùn)行速度，取值15km/h；α =arctan(imax)，imax為最大爬坡度，取20%。

另外由加速性能[2]來計(jì)算電機(jī)的最大功率如下：

式中：um為汽車加速終了速度，取40km/h，tm為加速時(shí)間，取9s；δ為電動(dòng)汽車轉(zhuǎn)動(dòng)慣量換算系數(shù)，取1.05。

綜合上述三種情況，低速純電動(dòng)汽車電機(jī)的峰值功率應(yīng)取三者當(dāng)中的最大值，才能滿足使用要求，即：

式中：Pmmax為電機(jī)的峰值功率或最大功率，單位為kW。

根據(jù)電機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)，通常用額定功率來表征電機(jī)的持續(xù)工作性能，而電機(jī)的額定功率乘以過載系數(shù)即為電機(jī)的最大功率，因此可知電機(jī)額定功率為：

式中：λ為電機(jī)過載系數(shù)，通常取值2-3。

將以上相關(guān)參數(shù)代入（1）-（5），可得Pmmax≧30.5kW，電機(jī)過載系數(shù)取2.6，那么得到單電機(jī)額定功率Pe=12kW。對(duì)于雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)純電動(dòng)汽車來講，單個(gè)電機(jī)額定功率為6kW便可滿足該車的動(dòng)力性要求，因而電機(jī)最大功率可降為6kW。

2.2 電機(jī)轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩確定

在電機(jī)轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩選擇當(dāng)中，主要圍繞額定和最高兩個(gè)工作點(diǎn)來進(jìn)行，在這里額定轉(zhuǎn)速由低速純電動(dòng)汽車的常規(guī)行駛速度來確定，如下式：

式中：uc為低速電動(dòng)汽車常規(guī)行駛車速，取40km/h；r=0.258m為輪胎半徑；iFG為電機(jī)固定減速比，取值6.45；將以上參數(shù)代入（6）可得，ne=2653r/min，此處取整為2800r/ min。

當(dāng)車速為最高車速時(shí)，仍可利用（6）式計(jì)算電機(jī)最高轉(zhuǎn)速，將uc=60km/h代入可得：nmax=3978r/min，此處取整為4000r/min。

電機(jī)轉(zhuǎn)矩可按轉(zhuǎn)矩與功率的轉(zhuǎn)換式進(jìn)行計(jì)算，即：

將上述得到的參數(shù)代入式（7），可知電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩為20.5N.m，則電機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩為：

將過載系數(shù)2.6代入可得，電機(jī)最大轉(zhuǎn)矩為53.6N.m。

根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果，在表3中列出了驅(qū)動(dòng)電機(jī)的基本性能參數(shù)。

表3 電機(jī)基本性能參數(shù)

3、驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選擇要求

電機(jī)的選擇對(duì)于純電動(dòng)汽車的驅(qū)動(dòng)性能等指標(biāo)起著重要的作用，因此需要對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)[3]做一些必要的設(shè)計(jì)上和使用上的要求：能滿足汽車經(jīng)常性的啟動(dòng)、停車、加速以及減速等工況需求；對(duì)于雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)純電動(dòng)汽車而言，由于取消了變速器等換擋部件，因此在車輛低速或爬坡時(shí)，要求電機(jī)輸出扭矩大，高速運(yùn)行時(shí)，要求電機(jī)轉(zhuǎn)矩??；在一些極限工況，通常要求電機(jī)要有一定的過載能力；為了提高雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車的運(yùn)行效率，節(jié)省能耗，要求電機(jī)具有較高的效率；要求電機(jī)具有較大的調(diào)速范圍，既要求電機(jī)工作在恒轉(zhuǎn)矩區(qū)，又要求電機(jī)工作在恒功率區(qū)；從汽車的使用和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)角度來考慮，要求電機(jī)機(jī)電本體具有較高的結(jié)構(gòu)可靠性，布置方便性及低成本。從驅(qū)動(dòng)性來考慮，要求電機(jī)的扭矩特性與汽車的運(yùn)行特性相匹配。

3.1 驅(qū)動(dòng)電機(jī)的對(duì)比

目前，應(yīng)用于電動(dòng)汽車上的常用電機(jī)有直流電動(dòng)機(jī)、異步電動(dòng)機(jī)、永磁直流無刷電機(jī)和開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)，通過查閱相關(guān)資料的發(fā)現(xiàn)，對(duì)這四種電機(jī)的性能特點(diǎn)匯總至表4。

表4 四類電機(jī)參數(shù)對(duì)比

通過對(duì)表中電機(jī)的各項(xiàng)對(duì)比項(xiàng)目研究發(fā)現(xiàn)，永磁無刷直流電機(jī)在功率密度、運(yùn)行效率、操控性能、結(jié)構(gòu)可靠性和整車布置性等方面比其他三種電機(jī)占有優(yōu)勢(shì)。因此，選擇永磁無刷直流電機(jī)作為雙電機(jī)低速純電動(dòng)汽車的驅(qū)動(dòng)電機(jī)是比較好的選擇。

4、總結(jié)

文章從汽車的動(dòng)力特性著手，給出了一種雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)純電動(dòng)汽車的動(dòng)力系統(tǒng)布置方案，并與單電機(jī)驅(qū)動(dòng)純電動(dòng)汽車做了比較研究，研究發(fā)現(xiàn)雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)低速純電動(dòng)汽車在技術(shù)路線選擇上具有一定的先進(jìn)性，并對(duì)雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)進(jìn)行了參數(shù)計(jì)算和選型對(duì)比；因低速純電動(dòng)汽車具有成本低，適合于家庭用車及城市代步車等，因而低速純電動(dòng)汽車對(duì)新能源汽車的推廣與應(yīng)用起到了促進(jìn)作用。同時(shí)也為今后低速純電動(dòng)汽車的設(shè)計(jì)開發(fā)做了前期準(zhǔn)備工作。

[1] 馮鎮(zhèn)等.電動(dòng)場(chǎng)地教練車動(dòng)力系統(tǒng)匹配設(shè)計(jì)與仿真研究[J].鄭州大學(xué)學(xué)報(bào),2011,32(6):72.

[2] 劉新.純電動(dòng)汽車動(dòng)力參數(shù)匹配與仿真研究[D].重慶大學(xué)，2013,6.

[3] 郭建龍等.電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)用電機(jī)的選擇[J].汽車電器,2007,1:9-12.

[4] 純電動(dòng)汽車動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)及性能仿真研究[J].重慶工貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2012,28（4）:31-35.

Research on Low speed pure Electric Vehicle With Dual In-wheel Mortors Drive

Xiao Shougao
（Department of Automobile, Shaanxi College of Communication Technology, Shaanxi Xi’an 710018 )

A In response to the call of the national energy conservation and emissions reduction, realize the sustainable development of the automobile industry,In the technology research of new energy vehicles has become a hot issue in today's world. With a type base car as the research object in this paper，completed the power performance calculation and drive motor selection of the low speed pure electric with double motor drive；By comparing the advantages and disadvantages of all kinds of motor,got some related parameters and design requirements of the drive motor，for subsequent double motor drive the development of the electric car lay the foundation.

new energy vehicles; double motor drive; the low speed pure electric

U469.72

A

A1671-7988(2017)01-30-03

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.01.012

肖壽高，就職于陜西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，汽車設(shè)計(jì)工程師，主要從事汽車維修檢測(cè)教學(xué)與實(shí)訓(xùn)，新能源汽車等相關(guān)專業(yè)研究?；痦?xiàng)目：2015年中央高?；究蒲谢A(chǔ)研究計(jì)劃項(xiàng)目（310822151023）；2015年度中央高?；究蒲袆?chuàng)新團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目（310822153303）。