新能源清掃車電機驅(qū)動系統(tǒng)的設(shè)計

馮玉松，張叢叢

（長安大學(xué)汽車學(xué)院，陜西 西安 710064）

前言

隨著環(huán)境污染，能源枯竭等問題的不斷加劇，電動汽車再次受到人們的重視。并隨著科技水平的進(jìn)步，使得許多關(guān)于電動汽車的難題得以解決。以現(xiàn)有傳統(tǒng)汽車為研究對象，再加上部分純電動技術(shù)則會大幅度降低設(shè)計、制造成本，還可減短設(shè)計周期，使得短時間量產(chǎn)成為可能。本文在傳統(tǒng)車型的基礎(chǔ)上，按照對新能源清掃車動力驅(qū)動系統(tǒng)的性能要求，來對動力驅(qū)動系統(tǒng)進(jìn)行合理匹配設(shè)計，包括對驅(qū)動電機、動力電池等部件的性能參數(shù)進(jìn)行設(shè)計以及它們之間的合理匹配技術(shù)。

1 整車參數(shù)和性能要求

1.1 整車參數(shù)

傳統(tǒng)輕型貨車基本參數(shù)及與其載重質(zhì)量相仿的清掃車性能參數(shù)如表1所示。

1.2 動力性能指標(biāo)

最大車速：清掃模式≥20km/h；最大爬坡度：≥20%；續(xù)航里程：等時速≥20km/h時，≥50km。

2 電動汽車動力系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計

電動汽車的驅(qū)動系統(tǒng)的參數(shù)選擇，對汽車的動力性、經(jīng)濟性都會有很大的影響。本文針對新能源清掃車的驅(qū)動系統(tǒng)進(jìn)行了參數(shù)選擇和匹配分析。

表1 新能源清掃車整車參數(shù)

2.1 驅(qū)動電機參數(shù)設(shè)計

2.1.1 電機功率選擇

純電動汽車的動力性能有三個主要指標(biāo)分別是最高車速、加速性能和爬坡度等[1]。所以，我們選用電機功率時要考慮到這些條件。但是對于新能源清掃車一般對加速性能沒有過多要求，可以以汽車的其余兩個指標(biāo)來計算驅(qū)動電機的功率。

（1）驅(qū)動電機在正常范圍內(nèi)工作時，可以實現(xiàn)最高車速，并能夠保持行駛一定距離。所以根據(jù)本車的最高車速可來計算驅(qū)動電機的額定功率P1：

式中：νmax為汽車最高車速（km/h）；A 為迎風(fēng)面積（m2）；CD為迎風(fēng)阻力系數(shù)；f為滾動阻力系數(shù)；m為汽車最大總質(zhì)量（kg）。

（2）本文所設(shè)計的新能源清掃車的最大爬坡度為20%，所以可以根據(jù)清掃車的最大爬坡度來確定電機的額定功率P2：

式中：νt為爬坡速度（km/h）。

所設(shè)計的電動汽車的電機功率需滿足最高車速及最大爬坡度的性能要求，所以比較兩者并取較大者來作為電機的額定功率：

式中：ηt為機械傳動效率，取0.92；Pz為新能源清掃車作業(yè)功率。

2.1.2 驅(qū)動電機轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩選擇

所選電機的轉(zhuǎn)速n和轉(zhuǎn)矩T應(yīng)均可滿足汽車的動力性能指標(biāo)，所以有：

式中：ν為車速（km/h）；ig為汽車以ν行駛時的檔位所對應(yīng)的傳動比；i0為主減速器傳動比；r為車輪半徑（m）。

2.2 電池組參數(shù)設(shè)計

為了保證電動汽車對動力性和行駛里程的要求，動力電池組容量的選擇應(yīng)考慮汽車行駛時的最大功率和消耗的能量[2]。

2.2.1 根據(jù)電動汽車所需功率來確定動力電池的電池總數(shù)

為了保證電動汽車的行駛要求，所選動力電池組的電能須大于或等于電動汽車的最大總消耗量才可，所以據(jù)此可要求動力電池總數(shù)N1為：

式中：PM額定為模塊電池的最大功率（kW）；P額定為電機額定功率（kW）；ηec為電機控制器工作效率；ηe為電機工作效率。

2.2.2 根據(jù)續(xù)航里程來確定動力電池組總數(shù)

所選擇的動力電池應(yīng)保證一次充電后，可使電動汽車行駛一定的距離，而且為保證電池壽命，電池放電的深度盡量小于90%，據(jù)此動力電池總數(shù)N2為：

式中：P恒為勻速行駛時的功率（kW）；V恒為汽車勻速行駛時的車速（km/h）；L為續(xù)航里程；CS為模塊電池容量；VS為模塊電池電壓（V）。

所以綜上兩點電動汽車的電池總數(shù)N為：

3 電動汽車驅(qū)動系統(tǒng)選型和匹配

3.1 驅(qū)動電機的選型及匹配

用于電動汽車的電機類型有直流電機、感應(yīng)電機、永磁同步電機及開關(guān)磁阻電機等，其中永磁同步電機具備功率密度高，峰值效率高，體積小，質(zhì)量輕，安全性高等優(yōu)點[3]。所以本文選用永磁同步電機。

根據(jù)表 1的相關(guān)參數(shù)，由公式（1）～（3）計算所需電機的額定功率，取νmax=20km/h，νt=10km/h，可得：

P1=39.69kW；P2=44.16kW；Per=48kW+20kW=68kW

取ig=4.243，i0=5.57進(jìn)而算的驅(qū)動電機轉(zhuǎn)速n和轉(zhuǎn)矩T得：

n=2943rpm；T=220N·M

因為所選電機的功率應(yīng)大于計算值，再綜合其他因素，選用驅(qū)動電機的額定功率為 70kW，類型為永磁同步電機，型號GLMP60L0，其性能參數(shù)如表2所示。

表2 永磁同步電機性能參數(shù)

3.2 電池的選型及匹配

電動汽車動力電池主要性能指標(biāo)包括能量密度、功率密度等[4]。型號包括，鉛酸蓄電池，鎳鎘蓄電池，鋰電池等，其中鋰電池的種類多，比能量高，使用壽命長，性價比高，廣泛應(yīng)用于電動汽車上。綜合考慮各種因素，選用磷酸鐵鋰電池，模塊電池額定電壓3.2V，額定容量5Ah，以46個模塊并聯(lián)為一組，那么模塊組電池的電壓為 3.2V，容量為230Ah。則

取ηe=90%，ηec=90%，則根據(jù)式（6）計算可得：

取V恒=20km/h，則根據(jù)公式（7）計算可得

選擇N1，N2中較大者并進(jìn)行取整，再綜合考慮誤差，效率等因素，最終確定的電池容量應(yīng)大于計算值，所以取電池模塊組數(shù)為120，其性能參數(shù)如下表3所示。

表3 電池性能參數(shù)

4 電動汽車動力驅(qū)動系統(tǒng)布局設(shè)計

4.1 動力驅(qū)動系統(tǒng)布局設(shè)計概述

驅(qū)動方式上選擇電機集中驅(qū)動的方式，并將原車的動力裝置更換為驅(qū)動電機和動力電池等相關(guān)裝置，保留原車的傳動系統(tǒng)。電動汽車動力系統(tǒng)的布局需滿足安全性、繼承性、一致性和標(biāo)準(zhǔn)性，這四個要求。

4.2 驅(qū)動電機布局設(shè)計

新能源清掃車使用原車的驅(qū)動布置方式，電機的輸出軸與變速箱的輸入軸位于同一軸線，所以電機的輸出軸以花鍵與飛輪鏈接，飛輪再與離合器主動盤連接，便可以將電機的動力經(jīng)過變速箱傳遞下去。電機通過螺栓與法蘭盤前端相連，法蘭盤后端與變速箱相連。

4.3 電動汽車動力電池的布局設(shè)計

設(shè)計動力電池的布局時需要注意以下幾點：安全性、散熱性、空間性、前后軸軸荷分配合理性和拆裝方便性[5]。電動汽車的動力電池有分布式布置和集中式布置兩種方式。根據(jù)本車型實際情況，采用分布式布置，將電池分為三部分，布置于汽車橫、縱梁下方，傳動軸兩側(cè)和主減速器后方。

4.4 其它部件布局設(shè)計

驅(qū)動系統(tǒng)的其它部件，如電機控制器、電池管理系統(tǒng)、整車控制器等部件的布置，需考慮以下幾點：安裝方式、外形尺寸、布線便利性和測試、檢修便利性。

5 結(jié)論

本文傳統(tǒng)車型的基礎(chǔ)上，對新能源清掃車驅(qū)動系統(tǒng)進(jìn)行了改裝設(shè)計，計算出驅(qū)動電機和動力電池的相關(guān)參數(shù)，并選用合適型號，還對驅(qū)動系統(tǒng)進(jìn)行了合理的布局設(shè)計分析。