純電動重型電驅(qū)動系統(tǒng)匹配設(shè)計(jì)實(shí)例研究

袁磊 劉洋 王利輝 史輝

（1.北京特種車輛研究所，北京 100072；2.32381部隊(duì)，北京 100072）

主題詞：EV 電驅(qū)動 匹配 重型卡車

1 引言

隨著國內(nèi)卡車行業(yè)環(huán)境污染日益嚴(yán)重，以及對一次石油燃料的嚴(yán)重依賴等問題，純電動汽車由于其無環(huán)境污染，能源利用率高、加速性能好等特點(diǎn)，其研究和發(fā)展得到了世界各國的廣泛關(guān)注。當(dāng)前，國內(nèi)對純電動汽車的研究主要集中以乘用車為主，對重型純電動卡車的研究較少[1]。本文以車輛主要性能參數(shù)的要求為基本依據(jù)，研究純電動重型卡車的結(jié)構(gòu)型式，動力電池、驅(qū)動電機(jī)和減速機(jī)構(gòu)的選型和匹配方法，以為純電動重型卡車的方案設(shè)計(jì)提供支撐。

2 純電動重型卡車結(jié)構(gòu)和動力性指標(biāo)

純電動汽車采用動力蓄電池作為動力源，電動機(jī)作為驅(qū)動裝置，并配有減速機(jī)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)型式可根據(jù)驅(qū)動電機(jī)的布置方案分為集中式驅(qū)動或分布式驅(qū)動兩種。集中式驅(qū)動主要是將內(nèi)燃機(jī)替換為動力電池和一臺驅(qū)動電機(jī)，并進(jìn)一步將傳統(tǒng)車輛的減速器、差速器與驅(qū)動電機(jī)進(jìn)行集成化設(shè)計(jì)，而形成集中式車橋式驅(qū)動系統(tǒng)方案；分布式驅(qū)動采用驅(qū)動電機(jī)直接驅(qū)動車輪，驅(qū)動輪之間也沒有差速器，簡化了車輛結(jié)構(gòu)但提高了控制系統(tǒng)的復(fù)雜程度[2]。

為簡化車輛結(jié)構(gòu)，提高空間利用率，某四軸純電動重型卡車采用分布式輪轂電機(jī)驅(qū)動式結(jié)構(gòu)，整車主要結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。

車輛的機(jī)動性指標(biāo)要求為：最大車速vmax為120 km/h；最大爬坡度為30°；0～30 km/h加速時間t為5 s；以70 km/h在城市道路上行駛的續(xù)航里程s不小于100 km。

表1 整車主要結(jié)構(gòu)參數(shù)

3 純電動重型卡車驅(qū)動力與行駛阻力

汽車性能通常根據(jù)汽車牽引力與車速之間的關(guān)系得出，通常假設(shè)其最大牽引力受制于動力裝置的最大轉(zhuǎn)矩，而不受制于路面的附著力。車輛最大車速取決于牽引力與阻力之間的關(guān)系，或者最大轉(zhuǎn)速與傳動比之間的平衡。設(shè)動力傳動系統(tǒng)輸出總轉(zhuǎn)矩為Tt，總驅(qū)動力為Ft，總驅(qū)動功率為pt，等效車輪轉(zhuǎn)速為nt、半徑為rd。

輸出總轉(zhuǎn)矩可表示為：

汽車車速可表示為：

重型電動卡車行駛阻力包括滾動阻力Ff、空氣阻力 Fw，坡度阻力 Fi和加速阻力 Fj。

式中，α-汽車爬坡度，ρ-空氣密度，C-車身空氣阻力系數(shù)，v-汽車行駛速度，δ-轉(zhuǎn)動慣量系數(shù)。

4 純電動重型卡車驅(qū)動電機(jī)參數(shù)匹配設(shè)計(jì)

對驅(qū)動電機(jī)選型要求主要有：

（1）啟動轉(zhuǎn)矩大和較大調(diào)速范圍，以滿足汽車啟動、加速、行駛、減速、制動等需求；

（2）是高效率、低損耗，電機(jī)效率不低于90%；

（3）高電壓、高可靠、小質(zhì)量。

從調(diào)速范圍和啟動轉(zhuǎn)矩來看，開關(guān)磁阻電機(jī)和感應(yīng)電機(jī)較好，但從電機(jī)效率和電機(jī)質(zhì)量等來看，永磁電機(jī)和異步電機(jī)相對較好。綜合考慮驅(qū)動電機(jī)性能要求，選擇永磁輪轂電機(jī)，并將電機(jī)、減速裝置等進(jìn)行集成化設(shè)計(jì)。純電動重型卡車的驅(qū)動電機(jī)參數(shù)通常包括額定功率、最大扭矩、調(diào)速范圍等，其必須滿足所有性能要求。通常選擇永磁同步電機(jī)[3-4]。

4.1 驅(qū)動電機(jī)的額定功率和峰值功率匹配設(shè)計(jì)

當(dāng)車輛以最高車速行駛時，設(shè)汽車功率為p1，等效總效率為ηt。

當(dāng)車輛以最大爬坡度行駛時，設(shè)爬坡速度為vs，汽車功率為p2。

由式（5）計(jì)算得，汽車功率需求值約為410 kW。由式（6）可得，汽車以不同車速爬坡下的功率需求如圖1所示。

圖1 不同車速下電動卡車的爬坡功率需求

若取汽車爬坡車速為15 km/h，則可初步以480 kW為汽車的總額定功率。

4.2 驅(qū)動電機(jī)額定轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩確定

驅(qū)動電機(jī)通常分為：低速電機(jī)、中速電機(jī)和高速電機(jī)。低速電機(jī)轉(zhuǎn)速范圍為3 000～6 000 r/min，啟動較慢，不大適合電動汽車；中速電機(jī)轉(zhuǎn)速范圍為6 000～10 000 r/min，電動汽車多采用中速電機(jī)作為驅(qū)動電機(jī)；高速電機(jī)轉(zhuǎn)速為10 000 r/min以上，恒功率區(qū)寬，但主要受電磁材料性能、高速軸承的承載能力限制。單個車輪輪轂驅(qū)動電機(jī)的最大轉(zhuǎn)速可由汽車的最高車速來確定。

汽車驅(qū)動電機(jī)減速比不同時，單個車輪的輪轂電機(jī)額定轉(zhuǎn)速曲線如圖2所示。

圖2 不同電機(jī)減速比下驅(qū)動電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速

綜上，根據(jù)電機(jī)功率需求，電機(jī)額定功率初步選為60 kW，考慮電機(jī)與減速裝置的合理匹配以及電機(jī)類型，選擇額定轉(zhuǎn)速6 000 r/min。

5 純電動重型卡車傳動系速比匹配設(shè)計(jì)

5.1 傳動系速比參數(shù)設(shè)計(jì)

純電動重型卡車在驅(qū)動狀態(tài)下，汽車的最大驅(qū)動力必須不超過地面對汽車輪胎的附著力，設(shè)ρ為地面附著系數(shù)，F(xiàn)z為汽車垂向受力，確定傳動系速比上限：

取地面附著系數(shù)為0.8，不同輪轂電機(jī)最大驅(qū)動需求轉(zhuǎn)矩下，傳動系傳動比上限變化如圖3所示。

圖3 不同驅(qū)動電機(jī)轉(zhuǎn)矩下傳動比變化上限

純電動重型卡車以最大爬坡度行駛時，設(shè)汽車車速為15 km/h，不同輪轂電機(jī)最大驅(qū)動轉(zhuǎn)矩需求下，傳動系傳動比變化如圖4所示。

圖4 不同驅(qū)動電機(jī)轉(zhuǎn)矩下傳動比變化下限

根據(jù)重型電動卡車傳動比范圍，可初步取固定速比為7.5。

5.2 傳動系速比參數(shù)驗(yàn)證

當(dāng)車輛以最高車速行駛時，由式（4）可得驅(qū)動電機(jī)轉(zhuǎn)速為：4 123 r/min，帶入式（2）可得8個車輪總驅(qū)動轉(zhuǎn)矩為：1 112 N·m。由式（4）可得電機(jī)所需提供的總驅(qū)動力為1 628 N、總驅(qū)動力矩為942 N·m，設(shè)計(jì)的驅(qū)動電機(jī)能夠滿足最高行駛車速行駛要求。

當(dāng)車輛以最大爬坡度行駛時，車輛最低轉(zhuǎn)速為3 km/h，則由式（4）可得驅(qū)動電機(jī)轉(zhuǎn)速為103 r/min，帶入式（2）可得8個車輪總驅(qū)動轉(zhuǎn)矩為44 472 N·m。由式（4）可得車輪所需的總驅(qū)動力為30 203 N，總驅(qū)動轉(zhuǎn)矩為17 488 N·m，設(shè)計(jì)的驅(qū)動電機(jī)能夠滿足最大爬坡度要求。

6 純電動重型卡車動力電池匹配設(shè)計(jì)

動力電池選型是電動卡車設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，它儲存的電能、質(zhì)量和體積，對電動汽車的性能起決定性作用[5-6]。

6.1 動力電池數(shù)量

動力電池的數(shù)量主要是考慮最大輸出功率和汽車?yán)m(xù)航里程，單體電池選擇6-DG-120A型電池，該電池電壓為12 V、額定容量為120 A·h，質(zhì)量為33 kg。

（1）以最大功率需求選擇電池數(shù)量。選擇單體電池最大輸出功率Pbmax=2.8 kW，設(shè)計(jì)電機(jī)工作效率ηe和電機(jī)控制器ηec工作效率分別為0.9和0.95，根據(jù)汽車最大功率Pmax，可計(jì)算蓄電池數(shù)量為：

計(jì)算得到np不小于171節(jié)。

（2）以最大續(xù)航里程需求選擇電池數(shù)量。設(shè)電池總能量為Wall，單體電池能量為We，汽車以速度v行駛s時消耗的能量可表示為：

蓄電池SOC在0.3～0.8之間時，放電深度最多為80%，其約束條件如下：

因此，動力電池數(shù)量為（圖5）：

圖5 不同平均行駛車速下電池節(jié)數(shù)（續(xù)航里程100 km）

圖6 不同續(xù)航里程下電池節(jié)數(shù)（車速為70 km/h）

若取平均行駛車速為70 km/h，則續(xù)航里程為100 km時的電池節(jié)數(shù)約為230節(jié)（圖6）。動力電池越多，汽車質(zhì)量越大，為保證汽車行駛性能，選擇電池節(jié)數(shù)為230節(jié)。

6.2 電池組電壓

電池組電壓等級電壓選用傳統(tǒng)336 V，采用28個單體電池串聯(lián)成為一組，一共9組并聯(lián)，最終動力電池共252塊。

7 結(jié)論

純電動卡車的匹配設(shè)計(jì)首先是根據(jù)最高車速和最大坡度速度需求，確定驅(qū)動電機(jī)的峰值功率；然后，根據(jù)車輛的最大爬坡度需求，確定車輛的轉(zhuǎn)矩需求；最后，根據(jù)驅(qū)動電機(jī)的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速匹配關(guān)系確定傳動系速比。