某微型純電動(dòng)觀光車的動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)匹配設(shè)計(jì)*

萬長東，汪洋洋，徐兆磊，王力軍

(1.蘇州市職業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，江蘇 蘇州 215104； 2.葫蘆島客運(yùn)有限公司,遼寧 葫蘆島 125000)

0 引 言

中國旅游業(yè)的發(fā)展將成為國家經(jīng)濟(jì)的重要發(fā)展項(xiàng)目，電動(dòng)旅游汽車將在產(chǎn)品現(xiàn)代化和市場發(fā)展方面都有更大的發(fā)展空間。電動(dòng)觀光車有環(huán)保無排放，噪音低，操作要求低等特點(diǎn)，使用的范圍越來越廣。觀光車作為適應(yīng)這一市場需求的特殊車輛產(chǎn)品，已經(jīng)以非常快的速度出現(xiàn)在風(fēng)景區(qū)，步行街，休閑度假村，大學(xué)校園，療養(yǎng)院，游樂場，體育場館包括市容監(jiān)察車等場合。

為了滿足某純電動(dòng)觀光車的整車基本參數(shù)和性能指標(biāo)要求，對動(dòng)力系統(tǒng)的核心部件進(jìn)行了計(jì)算匹配，以滿足其動(dòng)力性要求。

1 市場現(xiàn)有車型動(dòng)力性比較分析

電動(dòng)觀光車的價(jià)格都比較便宜，普遍價(jià)格在4萬左右。經(jīng)過市場調(diào)研，對車型數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，從表1可以了解到一般相似車型動(dòng)力參數(shù)，電機(jī)的額定功率一般都在3～5 kW，續(xù)駛里程一般都在100 km以下，最大爬坡度都在20%～25%之間，最高車速一般也都在20～40 km/h之間。

表1 不同車型性能參數(shù)比較分析

2 基本參數(shù)和性能指標(biāo)

2.1 整車基本參數(shù)

采用的純電動(dòng)汽車的動(dòng)力系統(tǒng)主要為包括動(dòng)力電池、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、減速器、差速器等。純電動(dòng)觀光車的整車參數(shù)如表2所列。

表2 電動(dòng)觀光車基本參數(shù)

(1) 旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)，因?yàn)闆]有重量大飛輪和變速箱，其它旋轉(zhuǎn)部件可忽略，所以質(zhì)量換算系數(shù)約等于1。

(2) 迎風(fēng)面積，是指汽車主視面的投影面積，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式有：

A=前輪距×整車迎風(fēng)高度=1.55

(3) 滾動(dòng)阻力系數(shù)和輪胎氣壓和車速有關(guān)。輪胎氣壓越低，阻力系數(shù)越大，車速越高，阻力系數(shù)也越大。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式有：

f=0.007 6+0.000 056×車速=0.009

2.2 預(yù)期性能指標(biāo)

本車型主要應(yīng)用在各大高爾夫球場，高爾夫球洞因地形變化而出現(xiàn)不等的距離，根據(jù)對幾款相近車型的比較分析，以及景區(qū)對車速的要求，確定車輛性能指標(biāo)如表3所示。

表3 電動(dòng)觀光車的性能指標(biāo)

3 動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)匹配

3.1 車輛動(dòng)力方程分析

電動(dòng)車驅(qū)動(dòng)電機(jī)動(dòng)力性能匹配至關(guān)重要，驅(qū)動(dòng)電機(jī)的性能參數(shù)比較多，對電機(jī)額定功率、峰值功率、額定扭矩、峰值扭矩重要參數(shù)進(jìn)行了匹配計(jì)算：

(1) 電機(jī)額定功率(Pn)

以最高車速確定驅(qū)動(dòng)電機(jī)的額定功率：

(1)

根據(jù)公式(1)，代入表1的車輛性能參數(shù)，最終求得：

Pn≥1 kW

其中：Pn為電機(jī)的額定功率，kW；η為傳動(dòng)系的效率；M為車的滿載質(zhì)量，kg；f為滾動(dòng)摩擦系數(shù)；CD為風(fēng)阻系數(shù)；A為車的迎風(fēng)面積，m2；Vmax為車輛的最高速度，km/h。

(2) 峰值功率：

① 車輛以10 km/h的車速勻速爬最大坡度時(shí)計(jì)算峰值功率：

(2)

根據(jù)公式(2)，求得:

Pmax≥6.16 kW

其中imax代表最大爬坡度,其余各式與式(1)相同。

② 車輛以5 km/h的車速勻速爬最大坡度時(shí)計(jì)算峰值功率。

(3)

根據(jù)公式，求得Pmax≥3.08 kW。

綜合成本及電機(jī)工藝的原因，把電動(dòng)車最大爬坡速度定為5 km/h，則：

Pmax≥3.08 kW

③ 額定轉(zhuǎn)矩

根據(jù)車輛在水平路面上行駛最高車速來確定額定轉(zhuǎn)矩

(4)

式中：r代表車輪的滾動(dòng)半徑，其余符號與上式相同。

根據(jù)公式(4)，求得:

Tn≥23.5 N·m

④ 峰值轉(zhuǎn)矩

車輛以5 km/h的車速勻速爬最大坡度時(shí)：

(5)

根據(jù)公式(5)，求得:

Tmax≥505 N·m

3.2 驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選型

轉(zhuǎn)速分類如表4所列。

表4 永磁同步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速分類 /(r/min)

由表5可知，同時(shí)考慮到制造工藝比較復(fù)雜，軸承的承載能力，中速電和高速電機(jī)的成本比較高。對于電動(dòng)觀光車而言，由于車輛的成本比比較低，也不需要太高的車速需求，所以更適合使用低速電機(jī)。綜合分析，最終選擇低速永磁同步電機(jī)。

表5 電機(jī)參數(shù)

車輛行駛的常規(guī)車速來確定電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速：

(6)

式中：i為減速器傳動(dòng)比；r為車輪半徑。

代入數(shù)據(jù)計(jì)算可得:nn≥2 969 r/min

車輛行駛的最高車速來確定電機(jī)的峰值轉(zhuǎn)速：

(7)

代入數(shù)據(jù)計(jì)算可得nmax≥5 195 r/min

最終選定額定轉(zhuǎn)速3 000 r/min，峰值轉(zhuǎn)速6 000 r/min的低速電機(jī)。

綜上所述，最終選型為某電機(jī)有限公司生產(chǎn)的低速永磁同步電機(jī)。電機(jī)的具體參數(shù)如表6所列。

表6 市場常見兩座觀光車減速比

3.3 減速器速比的確定

在驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，裝置減速器以實(shí)現(xiàn)減速增扭，符合電動(dòng)汽車行駛速度和驅(qū)動(dòng)力的要求，電動(dòng)機(jī)最 高轉(zhuǎn)速于額定轉(zhuǎn)速之間滿足最大轉(zhuǎn)速與額定轉(zhuǎn)速之比大于2.5，因車速變化范圍不大，同時(shí)考慮整車重量和空間，采用固定傳動(dòng)比減速器。

依據(jù)電動(dòng)汽車運(yùn)行達(dá)到最大車速來確定最小傳動(dòng)比，依據(jù)爬坡度來確定最大傳動(dòng)比。

(8)

(9)

式中：imin為最小傳動(dòng)比；nmax為電機(jī)最大轉(zhuǎn)速；imax為最大傳動(dòng)比；fmax為最大行駛阻力；Tmax為電機(jī)輸出最大扭矩。

最終確定傳動(dòng)比在12≤i≤15之間。

通過一些市場調(diào)研及文獻(xiàn)整理統(tǒng)計(jì)，同時(shí)對比了市場上相近的電動(dòng)觀光車A、B、C車型減速比，如表4。本車型各項(xiàng)數(shù)據(jù)和A電動(dòng)車很相似，并參照減速器公司產(chǎn)品報(bào)價(jià)及參數(shù)，所以將電動(dòng)車的減速比取值12.76。

3.4 車用電池的匹配

在匹配的動(dòng)力電池的時(shí)候，不僅需要根據(jù)性能要求計(jì)算所需電池的數(shù)量和放電容量，對電池的各項(xiàng)性能的選擇和評估也很重要。此車型選用的鉛酸電池作為動(dòng)力電池。

(1) 匹配電動(dòng)觀光車的電壓等級

電動(dòng)汽車常用電壓等級如表7所列。

表7 電動(dòng)汽車常用電壓等級 /V

在輸出功率相同的情況下，輸出的電流越小，電器元件使用的電流就越小，連接更方便，而且線路損耗更小，但是較高的電壓等級對控制器的要求也很高，成本也越高，反之則相反。由表可知，常用的電動(dòng)觀光車的電壓的等級分為60，72，120，考慮到線路損耗和成本問題，本車型采用72 V的電壓等級。

(2) 匹配單體電池個(gè)數(shù)

本車型的電壓等級為72 V，選用的電池為鉛酸電池，鉛酸電池的單體標(biāo)準(zhǔn)電壓為2 V，則需要單體電池個(gè)數(shù)為36個(gè)。則本車型采用36個(gè)鉛酸電池單體串聯(lián)的方式組成電池組。

(3) 計(jì)算電池額定容量

根據(jù)本車型20 km/h等速行駛80 km的要求來計(jì)算電池額定容量。以20 km/h勻速行駛時(shí)的阻力功率為：

(10)

計(jì)算可得PV=0.44 kW

勻速行駛80 km電機(jī)控制器所需輸出的電能為：

(11)

式中：ηm為電池和控制器的總效率，取0.8。

計(jì)算可得：W=2.37 kW·h

動(dòng)力電池額定容量計(jì)算式為：

(12)

式中：ξ為鉛酸電池的放電深度取80%；ηb表示蓄電池的放電效率，取0.9。

計(jì)算可得C≥45.72 A·h

綜合以上分析，考慮到車上的其他用電設(shè)備，本車型采用某電源設(shè)備有限公司生產(chǎn)的電池，額定容量為50 A·h。電池箱采用36個(gè)單體電池串聯(lián)而成，單體質(zhì)量3 kg。

4 動(dòng)力參數(shù)的驗(yàn)算

(1) 最高車速的驗(yàn)證

(13)

代入公式計(jì)算，可得Vmax=40.3 km/h，符合要求。

(2) 爬坡性能驗(yàn)證

(14)

(15)

(16)

(17)

爬坡速度定為5 km/h，計(jì)算可得i=0.33，符合要求。

(3)續(xù)航里程驗(yàn)算：

(18)

計(jì)算可得，S=130 km，符合要求。

電動(dòng)汽車動(dòng)力指標(biāo)值為最高車速40.3 km/h，爬坡度33%，續(xù)航里程130 km。

5 總 結(jié)

以汽車動(dòng)力學(xué)方程為基礎(chǔ)，結(jié)合供應(yīng)商技術(shù)工藝條件等，對電動(dòng)車動(dòng)力系統(tǒng)的指標(biāo)進(jìn)行了匹配計(jì)算，最終確定了電機(jī)、減速器參數(shù)及動(dòng)力電池參數(shù)。結(jié)果顯示動(dòng)力系統(tǒng)匹配各項(xiàng)指標(biāo)均滿足要求。

最高車速達(dá)到40.3 km/h，滿足了最高車速35 km/h的技術(shù)指標(biāo)；爬坡度達(dá)到33%，滿足了爬坡度30%的技術(shù)指標(biāo)；續(xù)航里程達(dá)到130 km，滿足了80 km的技術(shù)指標(biāo)；上述電動(dòng)車動(dòng)力性及經(jīng)濟(jì)性均滿足設(shè)計(jì)要求，其對純電動(dòng)汽車的后續(xù)開發(fā)具有重要的指導(dǎo)意義。