純電動汽車驅動系統設計理論與應用

苗志威 鄭逢良 牛鑫

（河南龍瑞新能源汽車有限公司技術中心）

為解決當前全球面臨著大氣污染和能源短缺的危機，世界各國的汽車制造商都投入了大量資金開發純電動汽車，我國也早在2001年設立了“電動汽車重大科技專項”。在此背景下，某新能源汽車有限公司于2010年5月開始，相繼推出了6 款純電動汽車，并成功投放市場。基于該公司某款純電動汽車項目的研發過程，文章對純電動汽車主要零部件的設計方法進行了總結。

1 驅動系統

純電動汽車的驅動系統包括驅動電機及其控制器、減速器及動力電池組等，驅動系統的技術參數由純電動汽車動力性能指標決定。

1.1 驅動電機參數確定

純電動汽車的功率全部由電機來提供，所以電機功率的選擇須滿足汽車車速和爬坡度等動力要求。

1.1.1 滿足最高車速時驅動電機的功率

當純電動汽車在水平路面上以最高車速勻速行駛時，忽略加速阻力[1]，電機輸出功率應至少為：

式中：P1——最高車速時驅動電機功率，kW；

ηt——整車動力機械系統傳動效率；

m——整車滿載質量，kg；

f——滾動阻力系數；

Cd——空氣阻力系數；

A——迎風面積，m2；

g——重力加速度，9.8 m/s2；

umax——最高車速，km/h。

1.1.2 滿足爬坡性能時驅動電機的功率

汽車以車速ua爬坡（角度α）行駛時，驅動電機所提供的功率至少為[2]：

式中：P2——滿足爬坡性能時驅動電機功率，kW；

α——爬坡角度，（°）；

uα——爬坡時最低車速，km/h。

1.2 減速器參數確定

在純電動汽車減速器傳動比的選擇中，應根據汽車最高行駛車速和電機最高轉速計算最大傳動比，根據最大爬坡度和電機最大扭矩計算最小傳動比[3]。純電動汽車一般采用電機與減速器直接相連，沒有變速器，其主要原因是：一方面電機特性比發動機好，可以在電機控制器的調節下實現相應功能；另一方面節約成本，并簡化駕駛員的操作。對于沒有變速器的純電動汽車的減速器，其傳動比可以在最小傳動比和最大傳動比的理論計算值之間選取，并考慮使用成本等因素。

由最高行駛車速和驅動電機最高轉速確定減速器傳動比（i1）為：

式中：nmax——驅動電機最高轉速，r/min；

rd——車輪滾動半徑，m。

由最大爬坡度和電機最大扭矩確定減速器傳動比（i2）為：

式中：Ft——整車驅動力，N；

Tmax——驅動電機峰值扭矩，N·m。

在電動汽車滿足最大爬坡度的條件下，式（4）中的Ft應為：

式中：Ff——滾動阻力，Ff=mgfcos αmax，N；

FW——空氣阻力

Fi——坡道阻力，Fi=mgsin αmax，N；

uαmax——汽車最大爬坡度時的速度，km/h；

αmax——汽車最大爬坡角度，（°）。

電動汽車減速器的傳動比選擇應滿足：i2≤i≤i1。

1.3 動力電池數量確定

動力電池的數量通常由汽車行駛性能和電機額定電壓決定[4]。電機電源等級一般為12 V 的整數倍，為了滿足互換性和通用性的要求，電池組電壓要與電機電源要求一致。如果動力電池數量過多，會增加電池組的體積和質量，同時也影響電動汽車成本。但是如果動力電池數量電壓過少，則會影響電動車的行駛性能，不能滿足相關國標要求。因此要求在進行系統設計時，需要通過精確的計算來選擇合適的方案。

1.3.1 按功率需求確定動力電池數量

動力電池數量的選擇需滿足電動汽車行駛的功率要求。電動汽車行駛功率由電機功率和電動汽車附件功率組成。其中，電動汽車附件包括12 V 蓄電池的充電、電動剎車助力系統、電動轉向助力系統、電動空調系統、整車儀表、整車燈光、音響系統及雨刮等。因此，計算滿足電動汽車總功率要求時的電池數量（np）為：

式中：Pt——電動汽車總功率，kW；

Ps——單體動力電池功率，kW；

Usmax——單體電池最高電壓，V；

Ismax——單體電池最大放電電流，A。

1.3.2 按行駛能量需求確定動力電池個數

動力電池數量的選擇同時還需滿足電動汽車行駛的能量需求。

純電動汽車一次完整充電后，以勻速行駛的全續駛里程，所需的能量（Wt/kW·h）可由式（6）計算：

式中：Pel——汽車最大行駛里程時的總功率，kW；

t——汽車全里程行駛時間，h；

ηmc——電機及控制器工作效率；

uel——汽車最大行駛里程時行駛速度，km/h；

S——汽車最大行駛里程，km。

單體動力電池的能量（Ws/kW·h）可由式（7）計算：

式中：U——單體電池電壓，V；

C——單體電池容量，A·h。

滿足電動汽車行駛能量需求時的動力電池數量（n）e為：

最后，動力電池的數量取np和ne之中的最大值。

2 某款純電動汽車項目的研發

2.1 整車參數

該公司某款電動汽車屬M1 小型乘用車，依托于傳統的微型車，在保留原有的車架和懸架系統的基礎上，采用驅動電機和動力電池組成的電力驅動系統，來取代傳統的發動機和燃油系統構成的動力系統，其整車基本參數，如表1所示。

表1 整車基本參數

2.2 整車動力性能指標

基于GB/T 28382—2012《純電動乘用車技術條件》，該公司該款電動車的整車動力性能指標，如表2所示。

表2 整車動力性能指標

2.3 動力系統技術參數

2.3.1 驅動電機的選擇

綜合考慮電動汽車性能及各電氣附件的功率要求，再結合現有配套體系，該車選用永磁直流無刷電機作為驅動電機。根據式（1）和式（2）計算得：P1=10.8 kW，P2=19.8 kW，根據計算結果選擇電機的額定功率和峰值功率分別為11，22 kW。基于滿足實際需求和成本因素，選擇現有適合的驅動電機，其參數如表3所示。

表3 驅動電機參數

2.3.2 減速器傳動比的選擇

減速器速比的確定實際跟電機最高轉速和峰值扭矩的選擇之間存在一個反復驗證的關系。根據常用減速器的比值來大致確定電機的最高轉速和峰值扭矩，當電機的參數確定后，再反過來計算減速器的速比。

根據式（3）計算得出：i1=8.06。

在對式（4）進行計算時，由于 uαmax很小，因此可忽略FW，計算得出i2=7.15。

電動汽車減速器的傳動比滿足：i2≤i≤i1，最終選取i=8。

2.3.3 動力電池數量的選擇

結合配套體系及研發成本，動力電池采用鉛酸電池，單體電壓為12 V，容量為150 A·h。

式（5）中，Pt約為 15.5 kW，Usmax取 13.1 V，Ismax最大放電電流的數值取2C，可得np=3.95。

在計算式（6）～（8）時，同樣需要考慮電氣附件所消耗的功率，可得：ne=7.69。

最終，ne取8 個，動力電池組電壓為12 V×8=96 V，符合驅動電機額定電壓96 V 的要求。

2.4 驅動電機參數及減速器傳動比的驗算

2.4.1 最大爬坡度

計算最大爬坡度時，可忽略 FW，令：cos αmax=1，可得：所以代入數據得：αmax=12.5°。

故所計算的最大爬坡度為：100%tan αmax=22.2%＞20%，符合電動汽車最大爬坡度的動力指標。

2.4.2 加速能力

0～50 km/h 起步加速時間（t1/s）為[5]：

式中：δ——旋轉質量換算系數，取1.02；

u——汽車爬坡速度，km/h；

Tp——驅動電機扭矩，N·m。

代入相關數據計算得出：t1=9.1 s＜10 s。

用相同的方法計算50～80 km/h 超車加速時間：t2=14.3 s＜15 s。

綜上，所計算電動汽車的加速能力符合整車動力性能指標。

3 結論

驅動系統的設計影響到純電動汽車的動力性能指標。文章以汽車行駛動力學為理論依據，根據整車動力性能指標，結合企業配套體系，在滿足國家標準對純電動汽車動力性能要求的前提下，選擇確定了驅動系統各主要零部件。實際運用表明：此方法對純電動汽車驅動系統的選擇匹配是合理的，同時也為純電動汽車的動力性能預測和分析提供了一種切實可行的方法。