馮玉松，張叢叢

（長安大學汽車學院，陜西 西安 710064）

前言

隨著環(huán)境污染，能源枯竭等問題的不斷加劇，電動汽車再次受到人們的重視。并隨著科技水平的進步，使得許多關(guān)于電動汽車的難題得以解決。以現(xiàn)有傳統(tǒng)汽車為研究對象，再加上部分純電動技術(shù)則會大幅度降低設計、制造成本，還可減短設計周期，使得短時間量產(chǎn)成為可能。本文在傳統(tǒng)車型的基礎(chǔ)上，按照對新能源清掃車動力驅(qū)動系統(tǒng)的性能要求，來對動力驅(qū)動系統(tǒng)進行合理匹配設計，包括對驅(qū)動電機、動力電池等部件的性能參數(shù)進行設計以及它們之間的合理匹配技術(shù)。

1 整車參數(shù)和性能要求

1.1 整車參數(shù)

傳統(tǒng)輕型貨車基本參數(shù)及與其載重質(zhì)量相仿的清掃車性能參數(shù)如表1所示。

1.2 動力性能指標

最大車速：清掃模式≥20km/h；最大爬坡度：≥20%；續(xù)航里程：等時速≥20km/h時，≥50km。

2 電動汽車動力系統(tǒng)參數(shù)設計

電動汽車的驅(qū)動系統(tǒng)的參數(shù)選擇，對汽車的動力性、經(jīng)濟性都會有很大的影響。本文針對新能源清掃車的驅(qū)動系統(tǒng)進行了參數(shù)選擇和匹配分析。

表1 新能源清掃車整車參數(shù)

2.1 驅(qū)動電機參數(shù)設計

2.1.1 電機功率選擇

純電動汽車的動力性能有三個主要指標分別是最高車速、加速性能和爬坡度等[1]。所以，我們選用電機功率時要考慮到這些條件。但是對于新能源清掃車一般對加速性能沒有過多要求，可以以汽車的其余兩個指標來計算驅(qū)動電機的功率。

（1）驅(qū)動電機在正常范圍內(nèi)工作時，可以實現(xiàn)最高車速，并能夠保持行駛一定距離。所以根據(jù)本車的最高車速可來計算驅(qū)動電機的額定功率P1：

式中：νmax為汽車最高車速（km/h）；A 為迎風面積（m2）；CD為迎風阻力系數(shù)；f為滾動阻力系數(shù)；m為汽車最大總質(zhì)量（kg）。

（2）本文所設計的新能源清掃車的最大爬坡度為20%，所以可以根據(jù)清掃車的最大爬坡度來確定電機的額定功率P2：

式中：νt為爬坡速度（km/h）。

所設計的電動汽車的電機功率需滿足最高車速及最大爬坡度的性能要求，所以比較兩者并取較大者來作為電機的額定功率：

式中：ηt為機械傳動效率，取0.92；Pz為新能源清掃車作業(yè)功率。

2.1.2 驅(qū)動電機轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩選擇

所選電機的轉(zhuǎn)速n和轉(zhuǎn)矩T應均可滿足汽車的動力性能指標，所以有：

式中：ν為車速（km/h）；ig為汽車以ν行駛時的檔位所對應的傳動比；i0為主減速器傳動比；r為車輪半徑（m）。

2.2 電池組參數(shù)設計

為了保證電動汽車對動力性和行駛里程的要求，動力電池組容量的選擇應考慮汽車行駛時的最大功率和消耗的能量[2]。

2.2.1 根據(jù)電動汽車所需功率來確定動力電池的電池總數(shù)

為了保證電動汽車的行駛要求，所選動力電池組的電能須大于或等于電動汽車的最大總消耗量才可，所以據(jù)此可要求動力電池總數(shù)N1為：

式中：PM額定為模塊電池的最大功率（kW）；P額定為電機額定功率（kW）；ηec為電機控制器工作效率；ηe為電機工作效率。

2.2.2 根據(jù)續(xù)航里程來確定動力電池組總數(shù)

所選擇的動力電池應保證一次充電后，可使電動汽車行駛一定的距離，而且為保證電池壽命，電池放電的深度盡量小于90%，據(jù)此動力電池總數(shù)N2為：

式中：P恒為勻速行駛時的功率（kW）；V恒為汽車勻速行駛時的車速（km/h）；L為續(xù)航里程；CS為模塊電池容量；VS為模塊電池電壓（V）。

所以綜上兩點電動汽車的電池總數(shù)N為：

3 電動汽車驅(qū)動系統(tǒng)選型和匹配

3.1 驅(qū)動電機的選型及匹配

用于電動汽車的電機類型有直流電機、感應電機、永磁同步電機及開關(guān)磁阻電機等，其中永磁同步電機具備功率密度高，峰值效率高，體積小，質(zhì)量輕，安全性高等優(yōu)點[3]。所以本文選用永磁同步電機。

根據(jù)表 1的相關(guān)參數(shù)，由公式（1）～（3）計算所需電機的額定功率，取νmax=20km/h，νt=10km/h，可得：

P1=39.69kW；P2=44.16kW；Per=48kW+20kW=68kW

取ig=4.243，i0=5.57進而算的驅(qū)動電機轉(zhuǎn)速n和轉(zhuǎn)矩T得：

n=2943rpm；T=220N·M

因為所選電機的功率應大于計算值，再綜合其他因素，選用驅(qū)動電機的額定功率為 70kW，類型為永磁同步電機，型號GLMP60L0，其性能參數(shù)如表2所示。

表2 永磁同步電機性能參數(shù)

3.2 電池的選型及匹配

電動汽車動力電池主要性能指標包括能量密度、功率密度等[4]。型號包括，鉛酸蓄電池，鎳鎘蓄電池，鋰電池等，其中鋰電池的種類多，比能量高，使用壽命長，性價比高，廣泛應用于電動汽車上。綜合考慮各種因素，選用磷酸鐵鋰電池，模塊電池額定電壓3.2V，額定容量5Ah，以46個模塊并聯(lián)為一組，那么模塊組電池的電壓為 3.2V，容量為230Ah。則

取ηe=90%，ηec=90%，則根據(jù)式（6）計算可得：

取V恒=20km/h，則根據(jù)公式（7）計算可得

選擇N1，N2中較大者并進行取整，再綜合考慮誤差，效率等因素，最終確定的電池容量應大于計算值，所以取電池模塊組數(shù)為120，其性能參數(shù)如下表3所示。

表3 電池性能參數(shù)

4 電動汽車動力驅(qū)動系統(tǒng)布局設計

4.1 動力驅(qū)動系統(tǒng)布局設計概述

驅(qū)動方式上選擇電機集中驅(qū)動的方式，并將原車的動力裝置更換為驅(qū)動電機和動力電池等相關(guān)裝置，保留原車的傳動系統(tǒng)。電動汽車動力系統(tǒng)的布局需滿足安全性、繼承性、一致性和標準性，這四個要求。

4.2 驅(qū)動電機布局設計

新能源清掃車使用原車的驅(qū)動布置方式，電機的輸出軸與變速箱的輸入軸位于同一軸線，所以電機的輸出軸以花鍵與飛輪鏈接，飛輪再與離合器主動盤連接，便可以將電機的動力經(jīng)過變速箱傳遞下去。電機通過螺栓與法蘭盤前端相連，法蘭盤后端與變速箱相連。

4.3 電動汽車動力電池的布局設計

設計動力電池的布局時需要注意以下幾點：安全性、散熱性、空間性、前后軸軸荷分配合理性和拆裝方便性[5]。電動汽車的動力電池有分布式布置和集中式布置兩種方式。根據(jù)本車型實際情況，采用分布式布置，將電池分為三部分，布置于汽車橫、縱梁下方，傳動軸兩側(cè)和主減速器后方。

4.4 其它部件布局設計

驅(qū)動系統(tǒng)的其它部件，如電機控制器、電池管理系統(tǒng)、整車控制器等部件的布置，需考慮以下幾點：安裝方式、外形尺寸、布線便利性和測試、檢修便利性。

5 結(jié)論

本文傳統(tǒng)車型的基礎(chǔ)上，對新能源清掃車驅(qū)動系統(tǒng)進行了改裝設計，計算出驅(qū)動電機和動力電池的相關(guān)參數(shù)，并選用合適型號，還對驅(qū)動系統(tǒng)進行了合理的布局設計分析。