電動摩托車驅(qū)動電機系統(tǒng)匹配方法研究

劉　力　陳學永　齊彤彤（天津內(nèi)燃機研究所　天津　300072）

電動摩托車驅(qū)動電機系統(tǒng)匹配方法研究

劉力陳學永齊彤彤
（天津內(nèi)燃機研究所天津300072）

針對電動摩托車驅(qū)動電機系統(tǒng)設(shè)計要求，結(jié)合電動摩托車行駛阻力計算方法，電動摩托車的最高車速、加速性能、爬坡能力和續(xù)行里程4個重要指標的計算方法，設(shè)計開發(fā)了以電動摩托車整車性能指標作為設(shè)計輸入，以直流無刷電機設(shè)計指標作為設(shè)計輸出的一套計算方法。研究了電動摩托車行駛阻力對于直流無刷驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計匹配的影響。

直流無刷電機電動摩托車行駛阻力驅(qū)動系統(tǒng)匹配方法

引言

電動摩托車產(chǎn)品是最近幾年來的新型產(chǎn)品，其家族中主要包括電動二輪車和電動三輪車，它們是在燃油摩托車和電動自行車相結(jié)合的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，且發(fā)展的速度非?？?。從技術(shù)平臺而言，我國的電動摩托車主要是結(jié)合了燃油摩托車的外觀和車架，以及電動自行車動力平臺的大功率化，雖然已經(jīng)形成了較大的產(chǎn)業(yè)化規(guī)模，但是其整車與驅(qū)動系統(tǒng)的匹配性而言，仍然處于初級階段。

之所以造成這樣一個局面，主要原因是驅(qū)動系統(tǒng)供應(yīng)體系與整車組裝廠之間的銜接不夠緊密。驅(qū)動系統(tǒng)供應(yīng)商不掌握與整車的匹配技術(shù)，整車組裝廠的技術(shù)能力較低，無法提出一套完備的驅(qū)動系統(tǒng)性能指標需求方案，且?guī)缀跬耆劳杏隍?qū)動系統(tǒng)供應(yīng)商。隨著電動摩托車產(chǎn)品銷量的快速增長，整車組裝廠和驅(qū)動系統(tǒng)供應(yīng)商更加關(guān)注于產(chǎn)品產(chǎn)能和銷量的快速增加，沒有過多的精力投入到驅(qū)動系統(tǒng)與整車的性能匹配。

本文提出一種根據(jù)整車行駛阻力方程為依據(jù)，以整車動力性能和經(jīng)濟性能為設(shè)計輸出，對電動摩托車所用的直流無刷驅(qū)動電機提出設(shè)計要求的計算方法。

1　電動摩托車行駛阻力計算方法

電動摩托車的動力性主要體現(xiàn)在電動摩托車驅(qū)動系統(tǒng)輸出與電動摩托車行駛阻力之間的匹配。本節(jié)主要講述電動摩托車的行駛阻力特性[1-5]。

電動摩托車行駛時，會受到與行駛方向相反的各種力的作用，這些力統(tǒng)稱為行駛阻力。這些阻力主要包括路面與輪胎作用產(chǎn)生的滾動阻力Ff，空氣與車身、人體摩擦產(chǎn)生的空氣阻力Fw，在坡道上直線行駛時克服其重力沿坡向后的坡道阻力Fi，在加速行駛過程中所要克服的加速阻力Fj。因此，電動摩托車的行駛阻力之和為：

1.1滾動阻力

電動摩托車的車輪分為主動輪和從動輪，因此，滾動阻力可分解為主動輪滾動阻力和從動輪滾動阻力。我們在進行整車驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計及匹配時，考慮的是整車的阻力特性，因此將滾動阻力分解到主動輪和從動輪，從整車角度考慮即可。根據(jù)理論推導及文獻介紹，電動摩托車整車滾動阻力計算公式為：

式中：G為電動摩托車整車（含駕駛員）的總重量，單位為N；f為電動摩托車滾動阻力系數(shù)，該系數(shù)通常在道路上或轉(zhuǎn)鼓試驗臺上測得。

滾動阻力系數(shù)與路面、輪胎胎壓有很大關(guān)系，針對于不同的路面，滾動阻力系數(shù)取值范圍是0.010~ 0.030。對于輪胎胎壓而言，針對不同的試驗，在相關(guān)標準中有明確規(guī)定，在此不再闡述。

當車速大于50km/h時，需要對滾動阻力系數(shù)進行修正，修正公式為。式中：f0為整車選取的滾動阻力系數(shù)；v為車速，單位為km/h。

1.2空氣阻力

行駛時，電動摩托車在空氣中運動，受到迎面空氣的作用，稱為空氣阻力?？諝庾枇τ嬎愎綖?。式中：CD為空氣阻力系數(shù)，對于電動摩托車而言，由于其外觀設(shè)計更多的考慮了美觀性，對于外觀件的流暢性考慮相對較少，該類車型的空氣阻力系數(shù)偏大，取值0.7左右；A為迎風面積，即電動摩托車（含駕駛員）行駛方向的正投影面積，單位為m2。對于電動摩托車，駕駛員身高1.75m，該參數(shù)取值0.65左右; ρ為空氣密度，一般取值1.29kg/m3；vr為相對車速，單位為m/s。

1.3坡道阻力

當電動摩托車在具有縱向坡度的路面上上坡行駛時，其受到重力沿坡道的分力作用，稱為坡道阻力。

式中：a為坡道角。

1.4加速阻力

電動摩托車加速行駛過程中，除了克服上述的各種阻力外，還需要克服其質(zhì)量加速運動時的慣性阻力，此慣性阻力稱之為加速阻力，它包括平移質(zhì)量加速阻力和旋轉(zhuǎn)質(zhì)量加速阻力。

1.4.1平移質(zhì)量加速阻力

加速時，電動摩托車總質(zhì)量（含駕駛員）與加速度乘積即為平移質(zhì)量加速阻力Fj1。

1.4.2旋轉(zhuǎn)質(zhì)量加速阻力

電動摩托車的旋轉(zhuǎn)質(zhì)量加速阻力，包括動力電機轉(zhuǎn)子、變速器（帶有變檔機構(gòu)的齒輪）、二次傳動（鏈條、鏈輪等）、前后輪等部件在加速時形成的慣性阻力矩，并把它換算成為作用于摩托車車輪上的等效加速阻力Fj2。

1）電機轉(zhuǎn)子部分

電機轉(zhuǎn)子部分加速時形成的慣性阻力矩為：

式中：I1為電機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量，單位為kg·m2；

為電機轉(zhuǎn)子的角加速度，單位為1/s2。

換算到車輪的等效慣性力矩和等效加速阻力分別為：

式中：ηT為整個傳動系統(tǒng)的傳動效率。

2）變速器、傳動裝置部分

式中：I2為該部件的轉(zhuǎn)動慣量，單位為kg·m2；為該部件的角加速度，單位為1/s2。，換算到車輪的等效慣性力矩和等效加速阻力分別為：

式中：ηT1為除初級傳動比以外的傳動效率，如粗略計算，可用ηT代替。

3）車輪部分的加速阻力

式中：∑I3為前、后輪的傳動慣量，單位為kg·m2。

車輪部分的加速阻力為：

通過以上分析，電動摩托車旋轉(zhuǎn)加速阻力為：

1.4.3電動摩托車加速阻力

綜上所述，電動摩托車加速行駛時的總的加速阻力為：

稱為旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)，則有

對于不同類型的電動摩托車，加速阻力的計算不盡相同。在我國，電動摩托車均采用輪轂直驅(qū)電機形式。該類型電機無傳動結(jié)構(gòu)，因此傳動部分的旋轉(zhuǎn)質(zhì)量阻力可不考慮，F(xiàn)'''j2=0；

電機采用外轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，電機外轉(zhuǎn)子與驅(qū)動輪一部分的附加質(zhì)量，另，只考慮即可。

通過對該類型車型的分析、測試及計算，δ一般取值1.046。

1.5電動摩托車的總行駛阻力

電動摩托車在不同的路面上不同的行駛狀態(tài)，其總的行駛阻力各不相同。

坡道加速行駛

2　電動摩托車動力性能及經(jīng)濟性能計算方法

電動摩托車的性能指標主要分為動力性能和經(jīng)濟性能。動力性能又分為最高車速、最大爬坡能力和加速性能。經(jīng)濟性能指的是續(xù)駛里程。本節(jié)主要就上述4個指標的計算方法進行闡述。

2.1最高車速

如果采用數(shù)值計算的方法，最高車速即為整車行駛阻力曲線與整車驅(qū)動力曲線的交叉點。

驅(qū)動力計算公式為：

式中：Ft為驅(qū)動系統(tǒng)驅(qū)動力，單位為N；Me為驅(qū)動系統(tǒng)驅(qū)動轉(zhuǎn)矩，單位為N·m；r為驅(qū)動輪工作半徑，單位為m。

電機轉(zhuǎn)速與電動摩托車行駛速度之間的關(guān)系式為：

式中：ua為電動摩托車行駛速度，單位為km/h；ne為電機轉(zhuǎn)速，單位為r/min。

根據(jù)電動摩托車國家標準GB/T 24156-2009《電動摩托車及電動輕便摩托車動力性能試驗方法》規(guī)定，在水平道路上，測試最高穩(wěn)定車速，因此該測試條件下，坡道阻力為0，加速阻力為0，僅考慮滾動阻力和空氣阻力兩個因素。即有如下公式：

根據(jù)驅(qū)動力計算公式可計算出不同扭矩下的驅(qū)動力數(shù)值，根據(jù)行駛阻力公式計算出電動摩托車在行駛過程中的行駛阻力數(shù)值，再根據(jù)轉(zhuǎn)速與車速的關(guān)系計算出不同驅(qū)動力不同行駛阻力對應(yīng)的車速數(shù)值，在坐標系下描繪出驅(qū)動力-行駛阻力平衡圖，如圖1所示。

圖1　驅(qū)動力行駛阻力平衡圖

2.2最大爬坡度

根據(jù)電動摩托車國家標準GB/T 24156-2009《電動摩托車及電動輕便摩托車動力性能試驗方法》規(guī)定，電動摩托車的最大爬坡度為電動摩托車在小于5km/h車速下，所能達到的最大爬坡度。

具體計算方法為，首先計算出驅(qū)動系統(tǒng)在5km/h車速下的驅(qū)動力，然后根據(jù)爬坡阻力Fi的計算公式計算出此時的坡道角度。因為在5km/h車速下的行駛阻力和空氣阻力可以忽略不計，因此可直接按照坡道阻力計算即可。驅(qū)動力與爬坡力平衡圖如圖2所示。

圖2　驅(qū)動力爬坡力平衡圖

2.3加速性能

我國的電動摩托車最高時速一般都在50km/h~ 60km/h，因此其加速性能考核指標，一般為考核電動摩托車在0~100m距離內(nèi)，油門全開模式下的加速時間。

電動摩托車加速時，不僅平移質(zhì)量產(chǎn)生慣性力，旋轉(zhuǎn)質(zhì)量也要產(chǎn)生慣性力矩，為了便于計算，常用旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)δ將旋轉(zhuǎn)質(zhì)量轉(zhuǎn)換為平動質(zhì)量,根據(jù)上一節(jié)的分析，我們按照δ=1.046計算。

電動摩托車的加速能力可用它在水平良好路面上行駛時能產(chǎn)生的加速度來評價，其加速度計算公式如下。

由于加速度的數(shù)值不易直接測量，實際中常用加速時間來表明電動摩托車的加速能力。

起步加速為以最低速起步，進行急加速，計算原地起步加速時，所經(jīng)歷的時間。

通過計算期間對應(yīng)的距離，即可估算出起步加速時間。期間行駛距離為：

車速由v1加速到v2所需時間為：

由此可計算出加速通過100m測試距離需要的時間。

2.4經(jīng)濟性能

經(jīng)濟性能即為電動摩托車的續(xù)駛里程，按照國家標準GB/T 24157-2009《電動摩托車及電動輕便摩托車能量消耗率和續(xù)駛里程試驗方法》規(guī)定，可按照電動摩托車最高車速70%等速測量進行評估。

在續(xù)駛里程測量時，電動摩托車處于水平路面，勻速行駛，此時整車受到滾動阻力和空氣阻力影響，驅(qū)動系統(tǒng)的驅(qū)動力可以按照這兩個因素進行計算，即

通過驅(qū)動力和車速ua可以計算出驅(qū)動系統(tǒng)的輸出機械功率。

驅(qū)動系統(tǒng)的輸入端連接動力電池，輸出端為直接驅(qū)動輪。電池輸出功率為Pb，驅(qū)動系統(tǒng)輸出功率與電池輸出功率的比值為驅(qū)動系統(tǒng)效率η。

在續(xù)駛里程測試時，測試車速為ua，此時需要的驅(qū)動功率為Pe，對應(yīng)的動力電池輸出功率為Pb。假定此時蓄電池容量為Q，則蓄電池在輸出功率Pb情況下的放電時間為：

也就是說，該車用動力蓄電池在車速為ua的情況下，可以連續(xù)運行時間t。因此，續(xù)駛里程計算公式為：

3　電動摩托車驅(qū)動系統(tǒng)匹配方法

電動摩托車在設(shè)計時，應(yīng)該首先確定動力性能和經(jīng)濟性能指標，并以此指標作為設(shè)計輸入，進行整車驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計。下面，我們以一款踏板式輪轂電機驅(qū)動電動摩托車直流無刷驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計匹配實例，對設(shè)計匹配方法進行闡述。

首先，我們提供整車基本參數(shù)及性能指標要求如表1所示。

表1　電動摩托車基本參數(shù)

根據(jù)整車性能計算電機特性曲線的方法

3.1整車行駛阻力方程

根據(jù)該類車型的經(jīng)驗數(shù)據(jù)，我們假定該車滾動阻力系數(shù)為0.021，空氣阻力系數(shù)為0.7，迎風面積為0.66m2。

根據(jù)公式計算，得出整車行駛阻力曲線如圖3所示。

圖3　行駛阻力曲線

3.2最高負載轉(zhuǎn)速計算

根據(jù)整車最高車速51km/h計算，此時整車驅(qū)動輪的輸出轉(zhuǎn)矩為19N·m，此時驅(qū)動輪轉(zhuǎn)速為659.9r/min。

3.3爬坡計算

根據(jù)最大爬坡度的要求及車速在5km/h時爬坡角度為12°，此時車速很低，可以忽略空氣阻力的影響。

此時的滾動阻力為：

此時的坡道阻力為

Fi=G×sin a=(100+75)×9.8×sin12°=356.6N

合成阻力為

F=35.2+356.6=391.8N

阻力矩為

M=F×R=391.8×0.41÷2=80.3N·m

車速5km/h對應(yīng)車輪轉(zhuǎn)速為64.7r/min，此時要求的電機輸出轉(zhuǎn)矩應(yīng)不小于80.3N·m。

3.4續(xù)駛里程計算

按照國家標準GB/T 24157-2009《電動摩托車及電動輕便摩托車能量消耗率和續(xù)駛里程試驗方法》規(guī)定，續(xù)駛里程可以按照最高車速70%計算，該設(shè)計的最高車速為51km/h，其測試車速為35.7km/h。根據(jù)道路阻力方程，可以計算出35.7km/h時的道路阻力為63.88N·m，此時需要的驅(qū)動功率為：

Pe=Ft×ua=63.88×35.7÷3.6=633.5W

該車的電池容量為60V20Ah，即為1 200Wh，續(xù)駛里程要求55km，則行駛時間為55/35.7=1.54h，折算到電池的放電功率為1200/1.54=779W。

由此可見，電池的放電功率為779W，電機的輸出功率為633.5W，因此可以計算出此時電機系統(tǒng)的工作效率如下。

因此，在電機設(shè)計時，需要考慮電機在這個工作點的效率不小于81.3%

3.5計算電機特性曲線

該電動摩托車電機為直流無刷輪轂電機，在其工作曲線中，沒有恒轉(zhuǎn)矩和恒功率段，因此，我們需要首先推導出其工作特性曲線方程。

在控制器電流小于等于限制值時，電機特性曲線為標準直流電機特性，公式如下。

n=n0-K·M（33）

式中：n0為電機空載轉(zhuǎn)速，K為特性曲線斜率。

當控制器達到限流值后，隨著電機負載的增加，控制器PWM將調(diào)試母線的端電壓，使其降低，以確?？刂破髂妇€電流不超過限電流值。此時，電機的特

（性曲線將發(fā)生變化，公式如下。

式中，M1為電機最大功率處的轉(zhuǎn)矩。

假定該電機的最大功率處效率為89%，則最大功率為60×30×0.89=1 602W。

根據(jù)最高車速和最大爬坡能力兩個工作狀態(tài)以及最大功率1 602W這3個工作特征點，可以計算出電機關(guān)鍵工作點。

n0=690r/min

K=1.58

M1=23.5N·m

從而推導出，電機轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速特性如圖4所示。

圖4　電機轉(zhuǎn)速-轉(zhuǎn)矩曲線

4　結(jié)論

以電動摩托車道路行駛阻力方程為主要設(shè)計參考，以整車性能參數(shù)為設(shè)計輸入，對期望電機輸出特性關(guān)鍵點進行計算，然后根據(jù)電機輸出曲線特點，對輸出曲線進行預估，根據(jù)預估的電機輸出曲線對電機進行設(shè)計，這種正向的設(shè)計流程，有足夠的理論作為支撐,可作為直流無刷電機與電動摩托車動力性能匹配的方法使用。

1艾兆虎.摩托車理論[M].北京：人民郵電出版社，1997

2王志福，張承寧.電動汽車電驅(qū)動理論與設(shè)計[M].北京：機械工業(yè)出版社，2012

3朱軍.新能源汽車動力系統(tǒng)控制原理及應(yīng)用[M].上海：上?？茖W技術(shù)出版社，2013

4刁海，崔國起，陳光輝，等，摩托車空氣阻力系數(shù)的測試[J].小型內(nèi)燃機與摩托車，2005，34（2）：8-10

5徐中明，晉杰，張志飛，等，摩托車滑行試驗數(shù)據(jù)處理[J].重慶大學學報（自然科學版），2007，30（9）：14-16

A M atching M ethod Research on Driving M otor System on Electric Motorcycles

Liu Li1,Chen Xueyong1,Qi Tongtong1
Tianjin InternalCombustion Engine Research Institute(Tianjin,300072,China)

Aiming at the performance requirements of driving system for electric motorcycle,combining the calculation method of driving resistance,as well as of the max speed,accelerating ability,climbing ability and driving range,a calculationmethod ofdesign targetof BLDC(brushlessdirectcurrent)motor is developed,whose input is the performance of electric motorcycle.The influence of driving resistance on BLDC driving system matching is studied.

BLDCmotor,Electric vehicle,Driving resistance,Driving system,Matchingmethod

U483

A

2095-8234（2016）02-0063-06

2015-08-14）

劉力（1959-），男，高級工程師，主要研究方向為車用驅(qū)動電機系統(tǒng)。