純電動物流車電機參數設計

雷芳 胡雄杰

摘要：電動汽車傳動系統(tǒng)的參數匹配選擇，對其動力性能和經濟性有著很大影響。以3T純電動物流車為例，介紹了在純電動汽車設計初期，如何根據整車設計指標來確定驅動電機的參數，為電動汽車的前期設計分析及后續(xù)整車各性能指標的優(yōu)化等提供了基礎理論數據，極大地縮短了新產品的開發(fā)周期。

關鍵詞：純電動;物流車;驅動;電機;參數設計

0 引言

隨著大氣污染日益嚴重、全球石油資源供應日趨緊張以及人們環(huán)保意識的逐步提高，純電動汽車越來越受到人們的青睞。電動汽車能否替代傳統(tǒng)汽車的關鍵在于純電動汽車的整車動力性能是否能夠滿足人們的需求，而保證純電動汽車整車動力性能的關鍵在于如何設計電機參數，使電機既能滿足整車動力性能要求，又具備經濟性。本文以3T純電動物流車為例，通過研究如何匹配電機參數，為純電動汽車的動力匹配設計提供理論依據及基礎數據，對于新產品開發(fā)具有指導意義。

1 整車設計的目標參數

1.1? ? 整車主要參數

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

1.2? ? 整車動力性能要求

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加速時間：≤25 s。

1.3? ? 變速器參數

型號規(guī)格：MW515ZYF-1700020;擋位數：6;額定扭矩：150 Nm;最高輸入轉速：>4 500 r/min;傳動效率：>95%;噪聲：<72 dB;潤滑方式：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 驅動電機參數設計

2.1? ? 動力生成裝置參數

動力生成裝置是車輛行駛的直接動力源，參數確定以滿足車輛正常行駛和動力性能要求為準則。整車動力性能要求包括：（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，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內由0 km/h加速到50 km/h[1]。

2.2? ? 最高車速時電機的輸出功率和轉矩計算

在無風條件下，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，動力生成裝置的輸出功率為：

式中：Pe為驅動電機輸出功率（kW）;η為驅動電機效率（%）;m為整車質量（kg），g為重力加速度（m/s2）;f為摩擦系數;CD為空氣阻力系數;A為車輛迎風面積（m2）;Vmax為最高車速（km/h）。計算可得Pe=25.6 kW。

在無風條件下，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，動力生成裝置的輸出扭矩為：

式中：Te為電機扭矩（Nm）;i為減速比;η為效率（%）;r為電機轉速（r/min）。

變速箱為五擋時，電機輸出扭矩最大，計算得最高車速時電機輸出最大扭矩Te≥77 Nm。

2.3? ? 最大爬坡度時電機的輸出功率和轉矩計算

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，動力生成裝置的輸出功率為：

式中：a為坡度。計算可得電機輸出功率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，動力生成裝置的輸出扭矩為：

計算可得一擋爬坡時，Te≥75.5 Nm;二擋爬坡時，Te≥135.5 Nm。

2.4? ? 車速與驅動電機轉速關系

純電動物流車系統(tǒng)結構特點為電機輸出軸、變速器輸出軸、傳動軸同軸同向連接，滿足以下關系式要求：

式中：V為車速（km/h）;n為驅動電機轉速（r/min）;r為輪胎半徑（m）;i為減速比。

根據上述各路況電機輸出功率、電機輸出扭矩、電機轉速和勻速車速的關系，可選擇車輛運行變速器擋位，在保證整車動力性能的前提下，使純電動物流車系統(tǒng)高效、平順運行。

2.5? ? 驅動電機參數確定

2.5.1? ? 電機額定功率的確定

根據水平路面下，電機輸出功率與勻速車速的關系，可知最高車速為80 km/h時，電機功率為25.6 kW。車輛在20%坡度路面，以車速10 km/h爬坡時，電機功率為19.5 kW。因此，驅動電機的額定功率定為25 kW。

2.5.2? ? 電機額定轉速的確定

純電動物流車常用車速為50～55 km/h，變速器為四擋時，根據勻速車速與驅動電機轉速的關系，可知電機工作轉速為2 323～2 621 r/min。因此，驅動電機的額定轉速定為2 600 r/min。

2.5.3? ? 電機額定轉矩的確定

根據公式T=9 550P/n，代入電機額定功率和額定轉速，計算可得驅動電機額定轉矩為92 Nm。

2.5.4? ? 電機峰值轉矩的確定

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

3 駕駛員換擋操作點選擇

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

根據電機效率特性曲線可知，0.80～0.95高效區(qū)域的電機轉速n≥2 450 r/min，電機能快速響應，加速性能強勁，車輛加速性能特點為0～50 km/h加速時間小于25 s，故純電動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)域的電機轉速;（2）起步加速或行車超速為短時車況，目標勻速車速為0.80～0.95高效區(qū)域的電機轉速，換擋點可以選擇低于高效區(qū)域的電機轉速;（3）以0.80～0.95高效區(qū)域的電機轉速為目標選擇換擋點，但要避免過度頻繁換擋，造成駕駛人員疲勞。

各個擋位換擋時可參考以下幾點：（1）城市擁堵路段或冬季路面結冰，車速保持在0～15 km/h時，物流車一擋行駛0～15 km/h的加速時間小于8 s，能有效保證整車高效運行;（2）城市早晚車流高峰期，車速保持在0～25 km/h時，物流車二擋行駛0～25 km/h的加速時間小于10 s，能有效保證整車高效運行;（3）城市一般行駛路況，車速保持在25～50 km/h時，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，再操作換擋進三擋加速到目標車速，能有效保證整車高效運行;（4）城市郊區(qū)行駛路況，車速保持在50～65 km/h時，物流車三擋起步加速行駛到50 km/h，在操作換擋進四擋到目標車速，能有效保證整車高效運行;（5）車速需要運行在65～80 km/h時，車輛的換擋動作為三擋起步加速到50 km/h，換擋進四擋加速到65 km/h，再換擋進五擋加速到80 km/h。

4 結語

為了提高純電動汽車動力性能，本文在原車采用固定傳動比變速器的基礎上，設計了五擋變速器。通過對驅動電機與傳動系統(tǒng)參數的理論分析計算，確定了驅動電機的相關重要參數，并對動力傳動系統(tǒng)參數進行了合理匹配，能很好地滿足汽車動力性能要求。

[參考文獻]

[1] 鄒國棠.電動汽車電機及驅動：設計、分析和應用[M].北京：機械工業(yè)出版社，2018.

[2] 陳世坤.電機設計[M].北京：機械工業(yè)出版社，2017.

收稿日期：2020-07-06

作者簡介：雷芳（1983—），女，湖北荊州人，碩士研究生，講師，研究方向：機電產品設計。