純電動(dòng)汽車的電機(jī)與變速器匹配

曾 虎 ，黃菊花

（1.南昌大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，江西南昌330031；2.江西機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江西南昌330013）

汽車對人類社會(huì)的進(jìn)步產(chǎn)生了巨大推動(dòng)作用，但也帶來了一系列負(fù)面效應(yīng)，如嚴(yán)重的環(huán)境公害，石油供應(yīng)危機(jī)等。節(jié)約能源與開發(fā)替代能源，被認(rèn)為是緩解環(huán)境污染、保障能源供給的有效方法，開發(fā)代用燃料和電動(dòng)汽車，是解決環(huán)境問題的重要手段之一，豐田prius,yaris、比亞迪F3DM等混合動(dòng)力車型，均引起了較大市場反響。目前，對電動(dòng)汽車的研究，主要集中在能源儲(chǔ)存、驅(qū)動(dòng)方式和控制策略方面，而純電動(dòng)汽車電機(jī)與變速器的匹配，對電動(dòng)汽車的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性、續(xù)航里程也有顯著影響。目前眾多在內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)汽車基礎(chǔ)上改造的電動(dòng)汽車，大都沿用了原有變速器的一個(gè)或兩個(gè)檔位來傳動(dòng)，不利于變速器的專用化、輕量化及市場化。本文是在昌河IdealⅡ純電動(dòng)汽車的基礎(chǔ)上，根據(jù)電機(jī)扭矩特性提出的傳動(dòng)方案。

1 電動(dòng)機(jī)性能參數(shù)的確定

1.1 電動(dòng)機(jī)主要性能參數(shù)確定

（1）以最高車速確定電機(jī)額定功率PN。

PN——電機(jī)額定功（kW）；

ηT——傳動(dòng)系效率0.90～0.92；

m——最大總質(zhì)量（kg）；

f——滾動(dòng)摩擦系數(shù)，良好瀝青路面0.010~0.018，一般瀝青與水泥路面0.018~0.020；

Cd——風(fēng)阻系數(shù)，轎車Cd=0.30～0.41；

A——迎風(fēng)面積（m2），轎車A=1.7～2.1；

umax—— 最高車速（km/h）。

（2）以常規(guī)車速確定電機(jī)額定轉(zhuǎn)速nN。

nN——電機(jī)額定轉(zhuǎn)速（r/min）；

ig——變速器傳動(dòng)比；

i0——主減速器傳動(dòng)比；

r——車輪滾動(dòng)半徑（m）。

（3）以額定功率、轉(zhuǎn)速確定額定轉(zhuǎn)矩MN。

MN——電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩(N·m)；

PN——電機(jī)額定功率(kW)；

nN——電機(jī)額定轉(zhuǎn)速（r/min）。

（4）以最大爬坡度確定短時(shí)工作線低速轉(zhuǎn)矩MNmax。

按式（4）先計(jì)算出汽車在最大坡度下需要的汽車驅(qū)動(dòng)力Ft；再按式（5）計(jì)算出產(chǎn)生此驅(qū)動(dòng)力所需要的電機(jī)轉(zhuǎn)矩MNmax。

Ft——汽車驅(qū)動(dòng)力（N）；

Fr——汽車行駛阻力（N）；

u——上坡時(shí)汽車速度（km/h）。

MNmax——電機(jī)最大轉(zhuǎn)矩(N·m)；

r——車輪滾動(dòng)半徑（m）；

ig——變速器傳動(dòng)比；

i0——主減速器傳動(dòng)比；

ηT——傳動(dòng)系效率，0.90~0.92。

1.2 選擇交流變頻電動(dòng)機(jī)的基本原則

（1）電機(jī)的額定功率，應(yīng)滿足電動(dòng)汽車最高車速要求；

（2）電機(jī)的短時(shí)工作轉(zhuǎn)矩，應(yīng)能滿足汽車最大爬坡度要求；

（3）電動(dòng)汽車的常規(guī)車速，應(yīng)落在變頻電機(jī)的基頻上；

（4）電動(dòng)汽車的最高車速功率平衡點(diǎn)，應(yīng)落在電動(dòng)機(jī)特性曲線的等功率段上。

2 變速器傳動(dòng)比和檔位確定原則

采用交流驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)需要考慮兩個(gè)主要的動(dòng)力、阻力平衡點(diǎn)：點(diǎn)：其一是常規(guī)車速行駛的轉(zhuǎn)矩平衡點(diǎn)；其二是最高車速下的轉(zhuǎn)矩平衡點(diǎn)。

圖1 單一傳動(dòng)比的功率平衡

圖2 兩級傳動(dòng)比的功率平衡圖

圖3 產(chǎn)生缺口的功率平衡圖

3 I dealⅡ純電動(dòng)汽車傳動(dòng)設(shè)計(jì)

3.1 性能參數(shù)（見表1）

表1 I dealⅡ純電動(dòng)汽車性能參數(shù)要求

3.2 各工況阻力，電機(jī)轉(zhuǎn)速、功率、轉(zhuǎn)矩計(jì)算結(jié)果

（1）各工況阻力Fr（見表2）。

表2 各工況阻力Fr

（2）電機(jī)的參數(shù)要求（見表3、表4，初選變速器傳動(dòng)比ig2=1.447，主減速器傳動(dòng)比i0=4.3）。

表3 各工況對電機(jī)參數(shù)的要求

表4 所選電動(dòng)機(jī)主要參數(shù)

由表3可見，爬坡時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)矩不足，因此增加變速器一個(gè)檔位，爬坡時(shí)采用ig1=2.2，主減速器傳動(dòng)比不變i0=4.3，對應(yīng)的電機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩如表5。

根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果，選擇的電動(dòng)主要參數(shù)如表4，特性曲線如圖4。檔位及傳動(dòng)比的選擇和電動(dòng)機(jī)的參數(shù)匹配相輔相成，初選方案前面已述，即變速器采用兩個(gè)檔位，一檔傳動(dòng)比ig1=2.2，二檔傳動(dòng)比ig2=1.477，主減速器傳動(dòng)比i0=4.3，計(jì)算表明可以達(dá)到汽車最高車速和最大爬坡度要求。

表5 爬坡時(shí)采用ig1=2.2，i0=4.3時(shí)電機(jī)參數(shù)要求

圖4 電動(dòng)機(jī)特性

3.3 傳動(dòng)方案設(shè)計(jì)

本變速器采用兩檔變速，因?yàn)榈箼n可用電機(jī)反轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)，故變速器無需再設(shè)置倒檔，驅(qū)動(dòng)方式為前輪驅(qū)動(dòng)，在設(shè)計(jì)主減速器時(shí)要注意傳動(dòng)比i0不可太大，否則主減速器被動(dòng)齒輪直徑過大，既影響變速器尺寸，也使汽車離地間隙變小，傳動(dòng)方案如圖5。

圖5 變速器傳動(dòng)方案

4 結(jié)束語

本文采用兩檔變速器與電動(dòng)機(jī)匹配，傳動(dòng)比大小只是一個(gè)方案，不一定最佳，利用matlab軟件建立優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，可進(jìn)一步優(yōu)化傳動(dòng)比參數(shù)，得到更好的動(dòng)力性能。

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