12座電動(dòng)防爆無(wú)軌膠輪車(chē)電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

王仁群 李海霞 張甲瑞

【摘 要】根據(jù)純電動(dòng)汽車(chē)的運(yùn)行特點(diǎn)，研究了電動(dòng)汽車(chē)電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)流程。對(duì)12座電動(dòng)防爆無(wú)軌膠輪車(chē)電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的核心部件驅(qū)動(dòng)電機(jī)和動(dòng)力電池進(jìn)行選型設(shè)計(jì)，并進(jìn)行底盤(pán)方案布置。為電動(dòng)防爆無(wú)軌膠輪車(chē)的設(shè)計(jì)，提供了理論依據(jù)和方法。

【關(guān)鍵詞】電動(dòng)汽車(chē);電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng);電動(dòng)機(jī);動(dòng)力電池

中圖分類(lèi)號(hào)： U469.72 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 2095-2457（2019）11-0011-002

【Abstract】According to the operating characteristics of the pure electric vehicle， the design flow of the electric drive system of the electric vehicle is studied. The core components of 12 electric explosion-proof trackless rubber-tyred wheel electric drive system are selected and designed， and the chassis scheme is arranged. It provides theoretical basis and method for the design of electric explosion-proof trackless rubber tire vehicle.

【Key words】Electric Vehicle; Electric drive system; Electric motors; Power Battery

煤礦輔助運(yùn)輸最主要的運(yùn)輸工具是防爆無(wú)軌膠輪車(chē)，目前無(wú)軌膠輪車(chē)的動(dòng)力系統(tǒng)主要是采用防爆柴油機(jī)。由于防爆柴油機(jī)的技術(shù)缺陷以及防爆無(wú)軌膠輪車(chē)自重較重的原因，在煤礦輔助運(yùn)輸工程中，一直存在著高污染、高油耗、高噪聲的問(wèn)題。目前汽車(chē)的發(fā)展趨勢(shì)是具有無(wú)污染、舒適性好的新能源汽車(chē)電動(dòng)汽車(chē)。電動(dòng)汽車(chē)噪聲小，而且能量轉(zhuǎn)化效率高，還可以將車(chē)輪上的制動(dòng)能量回收到蓄電池中。與傳統(tǒng)的柴油機(jī)防爆車(chē)輛相比，電動(dòng)防爆車(chē)不僅改善了井下運(yùn)輸環(huán)境，而且降低了輔助運(yùn)輸成本。本文重點(diǎn)研究電動(dòng)防爆汽車(chē)電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

1 電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)流程

輛設(shè)計(jì)過(guò)程中，在電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)之前，需要初步確定車(chē)輛的基本技術(shù)參數(shù)，主要有輪廓尺寸參數(shù)：包括長(zhǎng)寬高等參數(shù)，此類(lèi)參數(shù)關(guān)系到車(chē)輛迎風(fēng)面積的計(jì)算以及整備質(zhì)量的預(yù)估;車(chē)輛整備質(zhì)量：根據(jù)車(chē)型參數(shù)預(yù)估;載重量：設(shè)計(jì)之前確定;動(dòng)力性能指標(biāo)：包括最高車(chē)速、爬坡能力、原地起步加速時(shí)間要求、過(guò)載能力要求。此類(lèi)參數(shù)根據(jù)車(chē)輛設(shè)計(jì)要求、行業(yè)規(guī)范以及設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)初步確定，設(shè)計(jì)中可作微調(diào)。

電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要是根據(jù)車(chē)輛的技術(shù)參數(shù)：動(dòng)力性能指標(biāo)、道路工況和續(xù)航里程等要求，來(lái)確定電機(jī)的類(lèi)型、性能參數(shù)（功率、扭矩）以及動(dòng)力電池的參數(shù)（容量和電壓），并根據(jù)選定的驅(qū)動(dòng)電機(jī)和動(dòng)力電池來(lái)確定電機(jī)控制系統(tǒng)及電池管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)流程如圖1。

2 電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

電動(dòng)汽車(chē)的電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)主要由驅(qū)動(dòng)電機(jī)、電機(jī)控制器、動(dòng)力電池和電池管理系統(tǒng)組成。驅(qū)動(dòng)電機(jī)替代內(nèi)燃機(jī)，為汽車(chē)的動(dòng)力輸出源，電機(jī)控制系統(tǒng)根據(jù)傳感器采集的制動(dòng)踏板、加速踏板等信號(hào)，對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)發(fā)出輸出的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制。動(dòng)力電池和電池管理系統(tǒng)是電動(dòng)汽車(chē)的主能源供給系統(tǒng)，動(dòng)力電池的功用是提供汽車(chē)運(yùn)行所需的能源[1]，電池管理系統(tǒng)主要是對(duì)動(dòng)力電池進(jìn)行監(jiān)控、均衡和保護(hù)的作用。系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示。

電池管理系統(tǒng)主要由傳感器，微機(jī)控制模塊，執(zhí)行元件和顯示器等部分組成。系統(tǒng)在工作時(shí)通過(guò)傳感器采集各電池的電壓、電流以及溫度等參數(shù)，并通過(guò)總線將參數(shù)信息傳遞給微機(jī)控制模塊，微機(jī)控制模塊根據(jù)實(shí)驗(yàn)所得的電池性能參數(shù)，確定電池的工作狀態(tài)。通過(guò)電機(jī)控制器控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)的動(dòng)力輸出，從而控制汽車(chē)的運(yùn)行，并通過(guò)顯示模塊向駕駛員展示以下信息：目前的系統(tǒng)電壓，已運(yùn)行里程，剩余續(xù)航里程，系統(tǒng)充電提示，每一節(jié)電池的性能狀態(tài)參數(shù)。技術(shù)優(yōu)異的電池管理系統(tǒng)可以延長(zhǎng)電池的使用壽命，從而降低電動(dòng)汽車(chē)的使用成本。

3 電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)選型設(shè)計(jì)

電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的選型設(shè)計(jì)主要是驅(qū)動(dòng)電機(jī)和動(dòng)力電池的選型設(shè)計(jì)。在選型設(shè)計(jì)前需初定以下參數(shù)：整車(chē)總裝質(zhì)量、最大總質(zhì)量、迎風(fēng)面積、風(fēng)阻系數(shù)、最大爬坡度滾動(dòng)阻力系數(shù)、輪胎半徑、傳動(dòng)效率、最高車(chē)速等。電機(jī)的選型主要是確定電機(jī)的額定功率，額定轉(zhuǎn)矩以及最大功率和最大轉(zhuǎn)矩。電動(dòng)汽車(chē)整車(chē)動(dòng)力性能指標(biāo)中最高車(chē)速對(duì)應(yīng)的是持續(xù)工作區(qū)，即電動(dòng)機(jī)的額定功率。而最大爬坡度和全力加速時(shí)間對(duì)應(yīng)的是短時(shí)工作區(qū)（1～5min），即電動(dòng)機(jī)的峰值功率[2]。取兩者之間功率最大值為驅(qū)動(dòng)電機(jī)的額定功率。

本文以一款5.5m長(zhǎng)礦用防爆電動(dòng)車(chē)為例進(jìn)行選型設(shè)計(jì)。該車(chē)基本技術(shù)參數(shù)如表1。

3.1 驅(qū)動(dòng)電機(jī)功率計(jì)算

根據(jù)車(chē)輛動(dòng)力性能的要求，驅(qū)動(dòng)電機(jī)的最大功率Pmax必須滿(mǎn)足最高車(chē)速時(shí)的功率要求PMaxV;必須滿(mǎn)足加速以及爬坡時(shí)的功率PMaxGra、PMaxJ要求[3];即Pmax≥max{PMaxV、PMaxGra、PMaxJ}。電機(jī)的額定功率是指車(chē)輛在平道上所能達(dá)到的最高巡航速度時(shí)所需要的功率，不涉及坡道阻力以及加速阻力。根據(jù)以上不同工況條件下電機(jī)功率分別為：

式中各參數(shù)見(jiàn)表1。

根據(jù)Pmax選擇驅(qū)動(dòng)電機(jī)的峰值功率，本文選擇驅(qū)動(dòng)電機(jī)額定功率為50kW，峰值功70kW。

3.2 驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)矩計(jì)算

驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩包括額定轉(zhuǎn)矩和最大轉(zhuǎn)矩。最大轉(zhuǎn)矩Tmax需要克服汽車(chē)起動(dòng)時(shí)所需要的轉(zhuǎn)矩和最大爬坡度時(shí)所需要的轉(zhuǎn)矩，同時(shí)根據(jù)傳動(dòng)系統(tǒng)的最大傳動(dòng)比imax和最大爬坡度αmax可以確定最大轉(zhuǎn)矩。額定轉(zhuǎn)矩由額定功率和額定轉(zhuǎn)速確定。

式中各參數(shù)見(jiàn)表1。

目前電動(dòng)汽車(chē)上常用的驅(qū)動(dòng)電機(jī)為異步電機(jī)和永磁同步電機(jī)，由于永磁同步電機(jī)具有較高的功率密度與轉(zhuǎn)矩密度，所以本文選擇永磁同步電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)電機(jī)。主電機(jī)額定功率/最大功率：60kw/108kw;額定轉(zhuǎn)速/最高轉(zhuǎn)速：1200/4000（轉(zhuǎn)/分）;額定轉(zhuǎn)矩/最大轉(zhuǎn)矩：430Nm/720Nm;額定電壓：180V。

式中各參數(shù)見(jiàn)表1。

3.3 動(dòng)力電池參數(shù)匹配及選型設(shè)計(jì)

動(dòng)力電池是電動(dòng)汽車(chē)的能量供給系統(tǒng)，電池參數(shù)的確定主要包括單體電池的選擇，電池總?cè)萘亢涂傠妷旱拇_定。煤礦安標(biāo)要求單體電池箱內(nèi)的電池只能串聯(lián)不允許并聯(lián)，且單體電池箱的電壓不可以超過(guò)320V。本文選取的電芯為標(biāo)稱(chēng)電壓3.2V，容量100Ah的大容量磷酸鐵鋰電池。電池的總?cè)萘扛鶕?jù)車(chē)輛的動(dòng)力性能要求和續(xù)航里程確定，電壓與選定的電池特性、整車(chē)的總量以及電池的布置型式相關(guān)。理論需要的總電能為QL

式中：f為車(chē)輛總質(zhì)量;S為目標(biāo)續(xù)駛里程;φ為單位質(zhì)量能耗系數(shù)。

為了保證車(chē)輛行駛到規(guī)定的續(xù)航里程后還有一定的富裕電量，同時(shí)避免溫度等外界因素對(duì)電池的影響，通常在電池的理論總能量之前乘以一個(gè)系數(shù)ζ，作為整車(chē)的總電能系數(shù)。通常這個(gè)系數(shù)選擇1.2～1.3，

經(jīng)計(jì)算總電量Q為51.2KWH，電池?cái)?shù)量為160節(jié)?？紤]到煤礦電氣設(shè)備安標(biāo)要求，將電池分為四個(gè)箱體安裝，每個(gè)箱體包含40節(jié)電池，。四個(gè)箱體采用兩并兩串的連接方式。系統(tǒng)電壓平臺(tái)為3.2×80=256V，可以滿(mǎn)足整車(chē)高壓平臺(tái)要求。

4 電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)布置方案

純電動(dòng)汽車(chē)去除了傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)、同時(shí)省去了內(nèi)燃機(jī)正常工作所需要的冷卻系統(tǒng)、尾氣處理系統(tǒng)以及燃料供給系統(tǒng)。有效的減輕了汽車(chē)自重，同時(shí)也留出了許多空間，其整車(chē)結(jié)構(gòu)變化很大。車(chē)輛整體布置需重新設(shè)計(jì)并全面考慮各種因素。純電動(dòng)汽車(chē)是單純用動(dòng)力電池作為驅(qū)動(dòng)能源的汽車(chē)，對(duì)電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行合理的布置不但可以合理利用空間，還能充分發(fā)揮電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)。純電動(dòng)汽車(chē)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)布置的原則是：符合車(chē)輛動(dòng)力學(xué)對(duì)汽車(chē)重心位置的要求，并盡可能降低車(chē)輛質(zhì)心高度[4]。

本文電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在整車(chē)上的布置，主要是考慮電機(jī)和電池箱的合理布置。傳動(dòng)系統(tǒng)應(yīng)盡可能簡(jiǎn)化，車(chē)輛的質(zhì)量分布要合理，同時(shí)要考慮裝配維修的方便性因此采用驅(qū)動(dòng)電機(jī)中置式。因此將電池 分為四組，由于本文采用的后驅(qū)方式，所以電池組分別布置在底盤(pán)車(chē)架兩側(cè)，以及前后排座椅下方。以達(dá)到均布車(chē)身載荷，同時(shí)起到增加驅(qū)動(dòng)橋的附著力的作用，充分發(fā)揮電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的輸出動(dòng)力。系統(tǒng)布置框圖如圖3。

根據(jù)選型設(shè)計(jì)，已知參數(shù)信息和底盤(pán)的方案布置，對(duì)本文的電動(dòng)汽車(chē)底盤(pán)進(jìn)行三維建模。通過(guò)底盤(pán)的三維布置設(shè)計(jì)，可以了解設(shè)計(jì)過(guò)程裝配布置的情況以及方便地對(duì)電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)布置方案進(jìn)行修改。三維布置如圖4。

5 結(jié)論

純電動(dòng)汽車(chē)的核心是電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，同時(shí)也是研發(fā)與設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。本文通過(guò)對(duì)12座電動(dòng)防爆無(wú)軌膠輪車(chē)的電動(dòng)汽車(chē)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的電機(jī)功率、扭矩和電池的容量進(jìn)行選型設(shè)計(jì)，以及底盤(pán)三維布置，來(lái)說(shuō)明純電動(dòng)汽車(chē)電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)流程。為電動(dòng)汽車(chē)的研發(fā)提供了理論計(jì)算方法，不僅適合防爆無(wú)軌膠輪車(chē)，同樣適合路面普通電動(dòng)汽車(chē)的設(shè)計(jì)。

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