雷芳 胡雄杰

摘要：電動(dòng)汽車傳動(dòng)系統(tǒng)的參數(shù)匹配選擇，對(duì)其動(dòng)力性能和經(jīng)濟(jì)性有著很大影響。以3T純電動(dòng)物流車為例，介紹了在純電動(dòng)汽車設(shè)計(jì)初期，如何根據(jù)整車設(shè)計(jì)指標(biāo)來確定驅(qū)動(dòng)電機(jī)的參數(shù)，為電動(dòng)汽車的前期設(shè)計(jì)分析及后續(xù)整車各性能指標(biāo)的優(yōu)化等提供了基礎(chǔ)理論數(shù)據(jù)，極大地縮短了新產(chǎn)品的開發(fā)周期。

關(guān)鍵詞：純電動(dòng);物流車;驅(qū)動(dòng);電機(jī);參數(shù)設(shè)計(jì)

0 引言

隨著大氣污染日益嚴(yán)重、全球石油資源供應(yīng)日趨緊張以及人們環(huán)保意識(shí)的逐步提高，純電動(dòng)汽車越來越受到人們的青睞。電動(dòng)汽車能否替代傳統(tǒng)汽車的關(guān)鍵在于純電動(dòng)汽車的整車動(dòng)力性能是否能夠滿足人們的需求，而保證純電動(dòng)汽車整車動(dòng)力性能的關(guān)鍵在于如何設(shè)計(jì)電機(jī)參數(shù)，使電機(jī)既能滿足整車動(dòng)力性能要求，又具備經(jīng)濟(jì)性。本文以3T純電動(dòng)物流車為例，通過研究如何匹配電機(jī)參數(shù)，為純電動(dòng)汽車的動(dòng)力匹配設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)及基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，對(duì)于新產(chǎn)品開發(fā)具有指導(dǎo)意義。

1 整車設(shè)計(jì)的目標(biāo)參數(shù)

1.1? ? 整車主要參數(shù)

整車裝備質(zhì)量m：1 890 kg;總質(zhì)量mmax：3 050 kg;傳動(dòng)效率n：0.9;后橋傳動(dòng)比i1：5.857;外形尺寸：長(zhǎng)4 490 mm、寬1 680 mm、高2 300 mm;迎風(fēng)面積A：2.98 m2;輪胎滾動(dòng)半徑r：0.326 m;空氣阻力系數(shù)CD：0.65;滾動(dòng)摩擦系數(shù)f：0.015;電池額定電壓V：DC540 V。

1.2? ? 整車動(dòng)力性能要求

30 min最高車速：62 km/h;1 km最高車速：80 km/h;最大爬坡度：≥20%;0～50 km/h加速時(shí)間：≤25 s。

1.3? ? 變速器參數(shù)

型號(hào)規(guī)格：MW515ZYF-1700020;擋位數(shù)：6;額定扭矩：150 Nm;最高輸入轉(zhuǎn)速：>4 500 r/min;傳動(dòng)效率：>95%;噪聲：<72 dB;潤(rùn)滑方式：飛濺;變速器速比：一擋為5.17，二擋為2.88，三擋為1.645，四擋為1.00，五擋為0.839，倒擋為3.06。

2 驅(qū)動(dòng)電機(jī)參數(shù)設(shè)計(jì)

2.1? ? 動(dòng)力生成裝置參數(shù)

動(dòng)力生成裝置是車輛行駛的直接動(dòng)力源，參數(shù)確定以滿足車輛正常行駛和動(dòng)力性能要求為準(zhǔn)則。整車動(dòng)力性能要求包括：（1）車輛能以最高車速80 km/h速度勻速行駛;（2）最大爬坡度20%時(shí)，車輛以不低于最低要求車速10 km/h行駛;（3）滿足車輛起步加速性能要求，要求車輛在25 s內(nèi)由0 km/h加速到50 km/h[1]。

2.2? ? 最高車速時(shí)電機(jī)的輸出功率和轉(zhuǎn)矩計(jì)算

在無風(fēng)條件下，汽車在平坦的水泥路面上滿載行駛，車輛以最高車速勻速行駛時(shí)，動(dòng)力生成裝置的輸出功率為：

式中：Pe為驅(qū)動(dòng)電機(jī)輸出功率（kW）;η為驅(qū)動(dòng)電機(jī)效率（%）;m為整車質(zhì)量（kg），g為重力加速度（m/s2）;f為摩擦系數(shù);CD為空氣阻力系數(shù);A為車輛迎風(fēng)面積（m2）;Vmax為最高車速（km/h）。計(jì)算可得Pe=25.6 kW。

在無風(fēng)條件下，汽車在平坦的水泥路面上滿載行駛，以車輛最高車速勻速行駛時(shí)，動(dòng)力生成裝置的輸出扭矩為：

式中：Te為電機(jī)扭矩（Nm）;i為減速比;η為效率（%）;r為電機(jī)轉(zhuǎn)速（r/min）。

變速箱為五擋時(shí)，電機(jī)輸出扭矩最大，計(jì)算得最高車速時(shí)電機(jī)輸出最大扭矩Te≥77 Nm。

2.3? ? 最大爬坡度時(shí)電機(jī)的輸出功率和轉(zhuǎn)矩計(jì)算

車輛滿載在20%坡度的良好水泥路面上以10 km/h車速勻速行駛時(shí)，動(dòng)力生成裝置的輸出功率為：

式中：a為坡度。計(jì)算可得電機(jī)輸出功率Pt=19.5 kW。

車輛滿載在20%坡度的良好水泥路面上以10 km/h車速勻速行駛時(shí)，動(dòng)力生成裝置的輸出扭矩為：

計(jì)算可得一擋爬坡時(shí)，Te≥75.5 Nm;二擋爬坡時(shí)，Te≥135.5 Nm。

2.4? ? 車速與驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速關(guān)系

純電動(dòng)物流車系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)為電機(jī)輸出軸、變速器輸出軸、傳動(dòng)軸同軸同向連接，滿足以下關(guān)系式要求：

式中：V為車速（km/h）;n為驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速（r/min）;r為輪胎半徑（m）;i為減速比。

根據(jù)上述各路況電機(jī)輸出功率、電機(jī)輸出扭矩、電機(jī)轉(zhuǎn)速和勻速車速的關(guān)系，可選擇車輛運(yùn)行變速器擋位，在保證整車動(dòng)力性能的前提下，使純電動(dòng)物流車系統(tǒng)高效、平順運(yùn)行。

2.5? ? 驅(qū)動(dòng)電機(jī)參數(shù)確定

2.5.1? ? 電機(jī)額定功率的確定

根據(jù)水平路面下，電機(jī)輸出功率與勻速車速的關(guān)系，可知最高車速為80 km/h時(shí)，電機(jī)功率為25.6 kW。車輛在20%坡度路面，以車速10 km/h爬坡時(shí)，電機(jī)功率為19.5 kW。因此，驅(qū)動(dòng)電機(jī)的額定功率定為25 kW。

2.5.2? ? 電機(jī)額定轉(zhuǎn)速的確定

純電動(dòng)物流車常用車速為50～55 km/h，變速器為四擋時(shí)，根據(jù)勻速車速與驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速的關(guān)系，可知電機(jī)工作轉(zhuǎn)速為2 323～2 621 r/min。因此，驅(qū)動(dòng)電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速定為2 600 r/min。

2.5.3? ? 電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩的確定

根據(jù)公式T=9 550P/n，代入電機(jī)額定功率和額定轉(zhuǎn)速，計(jì)算可得驅(qū)動(dòng)電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩為92 Nm。

2.5.4? ? 電機(jī)峰值轉(zhuǎn)矩的確定

車輛在20%坡度路面行駛時(shí)，變速箱為一擋，以車速10 km/h爬坡，驅(qū)動(dòng)電機(jī)輸出扭矩為75.5 Nm;變速箱為二擋時(shí)，以車速10 km/h爬坡，驅(qū)動(dòng)電機(jī)輸出扭矩為135.5 Nm。而變速器的額定扭矩為150 Nm，所以驅(qū)動(dòng)電機(jī)的峰值扭矩應(yīng)該控制在136 Nm≤T≤150 Nm，選取140 Nm為宜。

3 駕駛員換擋操作點(diǎn)選擇

汽車在行駛過程中，通過一定的傳動(dòng)比來滿足不同行駛工況的需要。異步電機(jī)具有較寬的調(diào)速區(qū)間，在電動(dòng)汽車的駕駛過程中選擇合理的傳動(dòng)比，一方面能滿足不同工況需要，另一方面使得電機(jī)在不同工況運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，電機(jī)效率盡量處于0.80～0.95的高效范圍內(nèi)，以獲得較高的電機(jī)效率，減小功率損耗，延長(zhǎng)車輛續(xù)駛里程。

根據(jù)電機(jī)效率特性曲線可知，0.80～0.95高效區(qū)域的電機(jī)轉(zhuǎn)速n≥2 450 r/min，電機(jī)能快速響應(yīng)，加速性能強(qiáng)勁，車輛加速性能特點(diǎn)為0～50 km/h加速時(shí)間小于25 s，故純電動(dòng)物流車擋位選擇原則為：（1）勻速車速選擇0.80～0.95高效區(qū)域的電機(jī)轉(zhuǎn)速;（2）起步加速或行車超速為短時(shí)車況，目標(biāo)勻速車速為0.80～0.95高效區(qū)域的電機(jī)轉(zhuǎn)速，換擋點(diǎn)可以選擇低于高效區(qū)域的電機(jī)轉(zhuǎn)速;（3）以0.80～0.95高效區(qū)域的電機(jī)轉(zhuǎn)速為目標(biāo)選擇換擋點(diǎn)，但要避免過度頻繁換擋，造成駕駛?cè)藛T疲勞。

各個(gè)擋位換擋時(shí)可參考以下幾點(diǎn)：（1）城市擁堵路段或冬季路面結(jié)冰，車速保持在0～15 km/h時(shí)，物流車一擋行駛0～15 km/h的加速時(shí)間小于8 s，能有效保證整車高效運(yùn)行;（2）城市早晚車流高峰期，車速保持在0～25 km/h時(shí)，物流車二擋行駛0～25 km/h的加速時(shí)間小于10 s，能有效保證整車高效運(yùn)行;（3）城市一般行駛路況，車速保持在25～50 km/h時(shí)，物流車起步加速或行車加速可以直接選擇三擋行駛，也可以先選擇二擋加速到25 km/h，再操作換擋進(jìn)三擋加速到目標(biāo)車速，能有效保證整車高效運(yùn)行;（4）城市郊區(qū)行駛路況，車速保持在50～65 km/h時(shí)，物流車三擋起步加速行駛到50 km/h，在操作換擋進(jìn)四擋到目標(biāo)車速，能有效保證整車高效運(yùn)行;（5）車速需要運(yùn)行在65～80 km/h時(shí)，車輛的換擋動(dòng)作為三擋起步加速到50 km/h，換擋進(jìn)四擋加速到65 km/h，再換擋進(jìn)五擋加速到80 km/h。

4 結(jié)語

為了提高純電動(dòng)汽車動(dòng)力性能，本文在原車采用固定傳動(dòng)比變速器的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了五擋變速器。通過對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)與傳動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)的理論分析計(jì)算，確定了驅(qū)動(dòng)電機(jī)的相關(guān)重要參數(shù)，并對(duì)動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行了合理匹配，能很好地滿足汽車動(dòng)力性能要求。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 鄒國(guó)棠.電動(dòng)汽車電機(jī)及驅(qū)動(dòng)：設(shè)計(jì)、分析和應(yīng)用[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2018.

[2] 陳世坤.電機(jī)設(shè)計(jì)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2017.

收稿日期：2020-07-06

作者簡(jiǎn)介：雷芳（1983—），女，湖北荊州人，碩士研究生，講師，研究方向：機(jī)電產(chǎn)品設(shè)計(jì)。