純電動汽車的電機(jī)選型及布置設(shè)計

徐 寧

(云南五龍汽車有限公司， 昆明 650000)

某車型采用中央電機(jī)驅(qū)動，電源補(bǔ)給方式為充電補(bǔ)給，在保證動力性的基礎(chǔ)上，對該車型的電機(jī)進(jìn)行匹配選型，并對電機(jī)相關(guān)部件進(jìn)行總體布置。

1 電機(jī)設(shè)計選型

整車選用永磁同步電機(jī)驅(qū)動，充電平臺電壓為380 V，主要設(shè)計指標(biāo)見表1[1-3]。

表1 整車設(shè)計指標(biāo)

1.1 峰值功率的確定

電機(jī)峰值功率主要由最高車速所需功率、目標(biāo)加速時間所需功率及最大爬坡能力所需功率決定，最大值為峰值功率取值依據(jù)。

1) 根據(jù)最高車速計算的峰值功率[4-5]Pm1為:

(1)

式中：vmax為汽車最高車速，取值110 km/h；m為汽車總質(zhì)量，取值1 775 kg；f為車速在110 km/h的輪胎滾動阻力系數(shù)，取值0.018；CD為風(fēng)阻系數(shù),取值為0.34；A為迎風(fēng)面積，取值2.36 m2；ηT為傳動效率系數(shù)，取值0.920。

將相關(guān)數(shù)據(jù)代入式(1)[4-5]，求得最高車速所需功率Pm1為25.6 kW。

2) 根據(jù)最大爬坡度計算的峰值功率[6-7]Pm2為：

(2)

式中：vp為汽車在給定坡度的坡道上能夠持續(xù)1 km以上的爬坡車速，取值20 km/h；f為車速在20 km/h的輪胎滾動阻力系數(shù)，取值0.013；αmax為最大坡度角，取值為arctan 20%。

將相關(guān)數(shù)據(jù)代入式(2)，求得最大爬坡度所需功率Pm2為21.95 kW。

3) 根據(jù)目標(biāo)加速時間計算的峰值功率Pm3為：

(3)

式中：δ為旋轉(zhuǎn)質(zhì)量轉(zhuǎn)換系數(shù)，取值1.02；vm為目標(biāo)車速，分別取值50 km/h、80 km/h、100 km/h；tm為目標(biāo)車速所對應(yīng)的加速時間，分別為6.3 s、11.3 s、14.5 s；x為起步加速過程車速的擬合系數(shù)，取值0.5；ρ為空氣密度，取值1.2 kg/m3；f為不同目標(biāo)車速50 km/h、80 km/h、100 km/h所對應(yīng)的輪胎滾動阻力系數(shù)，取值分別為0.014、0.015、0.017。

將相關(guān)數(shù)據(jù)代入式(3)[6]，求得不同目標(biāo)加速時間所需要的峰值功率為：v1=50 km/h時，對應(yīng)峰值功率Pv1為35.2 kW；v2=80 km/h時，對應(yīng)峰值功率Pv2為55.2 kW；v3=100 km/h時，對應(yīng)峰值功率Pv3為72.5 kW。

最終，不同目標(biāo)加速時間所需要的峰值功率[7]Pm3應(yīng)滿足：

Pm3≥max{Pv1，Pv2，pv3}

即目標(biāo)加速時間峰值功率Pm3取最大值72.5 kW。

4) 電機(jī)最終峰值功率Pm取上述Pm1、Pm2、Pm3中的最大值，即峰值功率Pm取值72.5 kW。考慮電機(jī)運(yùn)行過程中其他損耗，該車型電機(jī)峰值功率Pm定為75 kW。

1.2 額定功率的確定

電機(jī)額定功率應(yīng)滿足純電動汽車最高車速的要求，同時要杜絕過載和欠載的發(fā)生，應(yīng)使電機(jī)在高效區(qū)內(nèi)工作(過載系數(shù)既能滿足過載要求也能滿足欠載要求)[7-8]。

即電機(jī)的額定功率Pr為：

Pr≥max{Pm1,Pm/λ}

式中：λ為過載系數(shù)，取值為3。

將相關(guān)數(shù)據(jù)代入上式，求得額定功率為25.6 kW。整車在實(shí)際運(yùn)行中其阻力可能增大，效率會有一定的下降，因此，該車電機(jī)額定功率定Pr為30 kW。

1.3 最高轉(zhuǎn)速的確定

電機(jī)最高轉(zhuǎn)速nmax可根據(jù)最高車速初步確定，主要影響因素為傳動系統(tǒng)傳動比、最高車速和車輪滾動半徑，計算公式為：

(4)

式中：ig為減速器速比,值為1.96;i0為主減速比,值為3.55;r為車輪半徑，值為0.317 m。

將相關(guān)數(shù)據(jù)代入式(4)[9-10]，求得最高轉(zhuǎn)速nmax為6 406 r/min。整車在實(shí)際運(yùn)行中其阻力可能增大，效率會有一定的下降。因此，該車電機(jī)最高轉(zhuǎn)速nmax定為7 000 r/min。

1.4 額定轉(zhuǎn)速的確定

額定轉(zhuǎn)速是指電機(jī)達(dá)到額定功率和額定扭矩時的電機(jī)轉(zhuǎn)速，計算公式為：

nr=nmax/β

其中β為電機(jī)擴(kuò)大恒功率區(qū)系數(shù)。β值越大，在低轉(zhuǎn)速區(qū)電機(jī)可獲得越大的扭矩，有利于提高車輛的加速能力和爬坡性能，穩(wěn)定性能好；但β值太大，會增大電機(jī)的工作電流，同時功率變換器的功率損失和尺寸也會增大，因此β不宜過高。β一般取2～3，即 2 333≤nr≤3 500。上述初步確定該車型電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速nr為3 200 r/min。

1.5 峰值扭矩的確定

在功率一定情況下，電機(jī)扭矩與其轉(zhuǎn)速成反比，最高車速下的扭矩小于起步加速和最大爬坡度時的扭矩，故峰值扭矩主要滿足最大爬坡度和汽車起步加速的動力要求[8]。峰值扭矩計算公式為：

1) 求在一定車速下最大爬坡度時的峰值扭矩Tm2。

令P為最大爬坡度下的峰值功率Pm2，令n為在20%坡度上以20 km/h時速持續(xù)行駛1 km以上的轉(zhuǎn)速np。求得np在1 165 r/min時的峰值扭矩Tm2為180 N·m。

2) 求在起步加速時的峰值扭矩Tm3。

令P為起步加速時的峰值功率Pm3，令n為從起步加速到50 km/h時對應(yīng)的轉(zhuǎn)速nv。求得nv為 2 912 r/min時的峰值扭矩Tm3為115.4 N·m。

因此，電機(jī)的峰值扭矩Tm取上述Tm2、Tm3中的較大值，既Tm為180 N·m。

1.6 額定扭矩的確定

額定扭矩Tr=9 550·Pr/nr= 89.5 N·m，取整為90 N·m。

1.7 電機(jī)的主要參數(shù)及曲線

根據(jù)上述計算分析，可確定該車型電機(jī)主要參數(shù)見表2，其性能曲線如圖1所示。

表2 電機(jī)參數(shù)

圖1 電機(jī)特性曲線

2 電機(jī)布置設(shè)計

電機(jī)布置設(shè)計必須滿足以下要求：碰撞要求，動力總成到防撞梁最前端距離≥330 mm；防水要求，要求電機(jī)布置在涉水線以上且滿足IP67及以上的防護(hù)等級；傳動效率要求，要求傳動軸夾角控制在5°以內(nèi)[11-12]；電機(jī)的布置方便走線和布置管路。

依據(jù)上述布置要求，電機(jī)及減速器布置如圖2所示，方案如下：

1—電機(jī)； 2—減速器； 3—傳動軸； 4—電機(jī)懸置；5—副車架； 6—前機(jī)艙； 7—地面線

1) 動力總成距離前防撞梁最小間隙為335 mm。

2) 電機(jī)轉(zhuǎn)軸與減速器輸出軸平行，減速器與傳動軸夾角越大，傳動不平順性和振動噪聲可能性越大，傳動效率也相應(yīng)降低，為使傳動軸夾角控制在5°以內(nèi)，將減速器與水平面所成角度調(diào)整為57°。

3) 電機(jī)位于減速器斜上方布置，電機(jī)距地面最小距離為347 mm，滿足涉水線要求。

4) 出線盒及冷卻水箱的進(jìn)出水口位置基本滿足線纜及冷卻水箱水管走向。

3 結(jié)束語

除基于上述的電機(jī)選型和布置來選擇合適的電機(jī)，還需根據(jù)價格、開發(fā)能力、合作配合程度、產(chǎn)品在市場應(yīng)用情況等綜合考慮，最終選擇合適的電機(jī)。