驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)機(jī)電耦合一體化技術(shù)

雍玉芳

摘要：在本次研究中，筆者對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)機(jī)電耦合一體化技術(shù)進(jìn)行了簡(jiǎn)單探討，分析了電動(dòng)輕客汽車機(jī)電一體化、電機(jī)變速箱集成，以及典型的電動(dòng)汽車的車置前驅(qū)的布置形式和結(jié)構(gòu)，并根據(jù)整車性能參數(shù)對(duì)電機(jī)變速箱集成系統(tǒng)各部件進(jìn)行匹配，運(yùn)用計(jì)算來確定變速箱檔位數(shù)及傳動(dòng)系統(tǒng)的傳動(dòng)比。

關(guān)鍵詞：電動(dòng)汽車；驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)；機(jī)電耦合一體化技術(shù)

1引言

在電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)中，驅(qū)動(dòng)電機(jī)作為核心裝置，其性能的高低直接會(huì)對(duì)汽車的整體性能產(chǎn)生影響。驅(qū)動(dòng)電機(jī)的發(fā)展，越來越朝著低成本、輕量化、小型化、高效率、集成化方向發(fā)展。而集成化為小型輕量化、低成本與高效率的最快實(shí)現(xiàn)成為可能。汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)的集成化主要是通過電機(jī)和制動(dòng)系統(tǒng)機(jī)電一體化、電機(jī)和變速箱機(jī)電一體化以及機(jī)電和發(fā)動(dòng)機(jī)一體化來實(shí)現(xiàn)的。特別是近年來，伴隨著汽車動(dòng)力電氣化水平不斷提高，各類耦合深度的機(jī)電耦合動(dòng)力系統(tǒng)進(jìn)一步加深了電機(jī)和變速箱的關(guān)系。因此在汽車領(lǐng)域中，通過設(shè)計(jì)出全新的制動(dòng)系統(tǒng)、地盤系統(tǒng)以及輪系等，實(shí)現(xiàn)了電機(jī)與動(dòng)力傳動(dòng)裝置的一體化集成，由此可見汽車機(jī)電一體化不僅僅指的是技術(shù)集成，還應(yīng)該包含整合機(jī)電結(jié)構(gòu)。

在本次研究中，筆者對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)機(jī)電耦合一體化技術(shù)進(jìn)行了簡(jiǎn)單探討，分析了電動(dòng)輕客汽車機(jī)電一體化、電機(jī)變速箱集成，以及典型的電動(dòng)汽車的車置前驅(qū)的布置形式和結(jié)構(gòu)，并根據(jù)整車性能參數(shù)對(duì)電機(jī)變速箱集成系統(tǒng)各部件進(jìn)行匹配，運(yùn)用計(jì)算來確定變速箱檔位數(shù)及傳動(dòng)系統(tǒng)的傳動(dòng)比。

2變速箱和驅(qū)動(dòng)電機(jī)一體化設(shè)計(jì)方法

2.1電動(dòng)汽車布置形式

機(jī)電集成化驅(qū)動(dòng)形式：將驅(qū)動(dòng)電機(jī)與固定速比的變速箱直接相連；傳動(dòng)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)緊湊，傳動(dòng)效率較高，安裝方便，布置靈活。

2.2驅(qū)動(dòng)電機(jī)的匹配分析

汽車在行駛過程中，動(dòng)力來源由驅(qū)動(dòng)電機(jī)提供，通常要求驅(qū)動(dòng)電機(jī)在爬坡或者低速行使時(shí)產(chǎn)生較大轉(zhuǎn)矩，當(dāng)汽車處于高速行駛狀態(tài)時(shí)能夠提供較大功率。在匹配計(jì)算電動(dòng)汽車電機(jī)參數(shù)時(shí)，常常需要根據(jù)汽車的最高車速計(jì)算電機(jī)的額定功率，根據(jù)最大爬坡能力和加速時(shí)間計(jì)算電機(jī)的峰值功率。而汽車電機(jī)的功率又由額定功率（主要指的是汽車電機(jī)在正常工作狀態(tài)下能達(dá)到的最大功）和峰值功率（主要指的是汽車電機(jī)在短時(shí)間內(nèi)能達(dá)到最大功）構(gòu)成，但是對(duì)汽車電機(jī)而言，不可能長時(shí)間以峰值運(yùn)行，否則會(huì)降低電機(jī)壽命。在設(shè)計(jì)汽車電機(jī)匹配參數(shù)時(shí)，主要計(jì)算以下幾個(gè)方面的數(shù)值：額定轉(zhuǎn)速、最高轉(zhuǎn)速、額定功率、峰值功率、額定轉(zhuǎn)矩、峰值轉(zhuǎn)矩。下表1中，筆者列舉了輕客整車參數(shù)以及需要滿足的動(dòng)力性能：

（1）輕客整車電機(jī)額定功率計(jì)算：

電機(jī)額定功率的選擇至關(guān)重要，其設(shè)計(jì)方法跟傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)相似，一般是在滿足汽車預(yù)期的最高車速基礎(chǔ)上選擇額定功率。

2.3變速箱參數(shù)的匹配

2 3 1變速器的檔位確定

目前，AMT作為一種當(dāng)對(duì)成熟的自動(dòng)變速傳動(dòng)技術(shù)，已經(jīng)被廣泛運(yùn)用在汽車中。AMT技術(shù)的工作原理為通過適時(shí)自動(dòng)換擋來保證電機(jī)在轉(zhuǎn)矩最大、最高效的區(qū)域中工作，極大提高汽車的行駛性能，并且AMT技術(shù)所需成本低，便于控制、安裝以及使用，在本次研究中，筆者采用的變速器主要為一檔、兩檔、三擋。

（1）一擋變速器

小型電動(dòng)車主要采取固定速比的一擋方案，其缺點(diǎn)為電機(jī)的利用率較低，并且會(huì)受到電機(jī)性能的影響，導(dǎo)致車輛啟動(dòng)加速性能、最高車速不能滿足要求。

（2）兩檔AMT

該方案能夠?qū)㈦妱?dòng)汽車的電機(jī)性能充分發(fā)揮出來，并且保證汽車在全速范圍內(nèi)絕大多數(shù)時(shí)間電機(jī)功效位于較高區(qū)間，換句話說即便在低速時(shí)依然有較高轉(zhuǎn)矩，并且還能在功率恒定的基礎(chǔ)上具有較高轉(zhuǎn)速，兼顧了車輛的最高車速及加速性能兩方面。

（3）三擋AMT

該方案是在三擋方案的基礎(chǔ)上增加了一個(gè)擋位，效果更顯著，但整個(gè)系統(tǒng)在換檔過程必須增加一個(gè)選檔機(jī)構(gòu)，使得系統(tǒng)控制和整體結(jié)構(gòu)變得復(fù)雜，成本也會(huì)相應(yīng)增加，故在我國新能源汽車的初期階段，大部分車企因技術(shù)的不完備及同行競(jìng)爭(zhēng)比較激烈，故在電動(dòng)汽車方面較少采用三檔AMT方案。

本文選用大部分車企的標(biāo)準(zhǔn)配置，均運(yùn)用的是兩檔AMT變速器，在現(xiàn)有主減速器的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)出變速器兩擋位的傳動(dòng)比。

2.3.2確定變速器的傳動(dòng)比

（1）確定傳動(dòng)比下限

傳動(dòng)比的下限為變速器最高擋位傳動(dòng)比乘以主減速比。

同時(shí)還由驅(qū)動(dòng)電機(jī)在最高轉(zhuǎn)速時(shí)對(duì)應(yīng)的輸出扭矩和運(yùn)行在最高車速下對(duì)應(yīng)的行駛阻力來共同決定。

（2）傳動(dòng)比上限的確定

傳動(dòng)比的上限等于一擋變速器傳動(dòng)比乘以主減器傳動(dòng)比，跟汽車最大爬坡坡度有關(guān)。

本文中主減速器主減速比為4.487，由此設(shè)計(jì)一檔傳動(dòng)比為3.13，二檔傳動(dòng)比為1.74。

綜上所述，就電動(dòng)車分析，在驅(qū)動(dòng)電機(jī)參數(shù)不變的情況下，其動(dòng)力性能和經(jīng)濟(jì)性能主要跟傳動(dòng)系統(tǒng)的參數(shù)有關(guān)，并且傳動(dòng)系統(tǒng)還具有調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速和汽車車速關(guān)系的功能，對(duì)電機(jī)的工作效率和工作狀態(tài)產(chǎn)生影響，故驅(qū)動(dòng)電機(jī)與變速器機(jī)電耦合一體設(shè)計(jì)就顯的尤為重要。本文根據(jù)電動(dòng)汽車的整車參數(shù)和技術(shù)要求，分析驅(qū)動(dòng)電機(jī)的工作性能的要求，機(jī)電耦合的變速器的擋位數(shù)及傳動(dòng)比的選擇依據(jù)及參數(shù)匹配計(jì)算。