汽車用驅(qū)動電機(jī)的特點(diǎn)和選型方法

賀希昌

摘 要：本文簡單介紹了各類驅(qū)動電機(jī)的特點(diǎn)，以及電機(jī)基速、額定扭矩、峰值功率等參數(shù)如何選定，以及個人的一些見解。

關(guān)鍵詞：驅(qū)動電機(jī)；特點(diǎn)；選型

1 引言

近年來電動汽車受到越來越多的關(guān)注，各個汽車廠相繼推出新能源汽車，相應(yīng)的電機(jī)越來越多的作為汽車的動力源，筆者作為一位汽車行業(yè)從業(yè)人員，有幸參與車用電機(jī)和減速機(jī)的項(xiàng)目，本文是筆者對這段時間學(xué)習(xí)的總結(jié)和個人的一些見解。

2各類車用驅(qū)動電機(jī)的特點(diǎn)

從汽車應(yīng)用角度來說主要關(guān)注電機(jī)的效率、調(diào)速范圍、功率密度和控制性能等特征。約束驅(qū)動電機(jī)的主要指標(biāo)是汽車的加速能力、最高時速、最大行駛里程。

a、驅(qū)動汽車的電機(jī)特性

（1）驅(qū)動電機(jī)轉(zhuǎn)矩控制的動態(tài)性能要求較高；

（2）要求保持較高的運(yùn)行效率，同時要求調(diào)速范圍盡量大；

（3）驅(qū)動性能好，還要兼顧發(fā)電機(jī)的功能，且要求發(fā)電效率高；

（4）要求驅(qū)動電機(jī)重量輕、體積小。

b、目前電動汽車常用驅(qū)動電機(jī)比較

注：表中性能從高到底的符號依次為：◎、○、□

從高效率區(qū)來講，表現(xiàn)出來的結(jié)果是永磁同步電機(jī)高效率區(qū)更寬，這也和電機(jī)的本身原理是有關(guān)系。像交流異步電機(jī)轉(zhuǎn)子一定要勵磁，就會損失一部分的能量，永磁電機(jī)因?yàn)檗D(zhuǎn)子永磁體本身可以產(chǎn)生磁場，使得效率占優(yōu)。對于開關(guān)磁阻電機(jī)來說，轉(zhuǎn)子上沒有永磁體，也不需要感應(yīng)，完全靠磁阻的變化，所以效率比永磁電機(jī)來說更低一些。作為電動汽車驅(qū)動電機(jī)使用，直流電機(jī)和永磁式電機(jī)在結(jié)構(gòu)和面對復(fù)雜的工作環(huán)境適應(yīng)性太差，很容易發(fā)生機(jī)械和退磁的故障。開關(guān)磁阻電機(jī)應(yīng)用到電動汽車是必然的趨勢。

3.電機(jī)參數(shù)的選擇

驅(qū)動電機(jī)選型主要參考的參數(shù)為：最大轉(zhuǎn)矩，峰值功率，額定功率，最高轉(zhuǎn)速，基速。在驅(qū)動電機(jī)選型時，確定峰值功率的決定性因素是百公里加速時間，確定最大轉(zhuǎn)矩的決定性因素是最大爬坡度。

3.1 驅(qū)動電機(jī)的額定功率選擇

汽車行駛的方程式為[9]：

（1）

其中， Ttq/ Nm為電機(jī)轉(zhuǎn)矩，nt為傳動系統(tǒng)效率，i為當(dāng)前擋位的總傳動比，ua/（km/h）為車速，g為重力加速度，α/°為爬坡角度，最大質(zhì)量m/kg、迎風(fēng)面積 A/m2、空氣阻力系數(shù)CD、車輪滾動半徑r/m。

電動汽車需要滿足上述力的相互平衡，同時滿足功率的平衡。驅(qū)動電機(jī)的額定功率應(yīng)當(dāng)滿足純電動汽車對最高速度的要求?？紤]到驅(qū)動電機(jī)有一定過載能力，可以代入90%最高速度計算額定功率[8]。即額定功率須滿足：

（2）

其中umax/（km/h）為持續(xù)最高車速。根據(jù)式（1）可計算得出額定功率P。

3.2 驅(qū)動電機(jī)的峰值功率選擇

驅(qū)動電機(jī)的峰值功率應(yīng)同時滿足電動汽車瞬時最高車速，最大爬坡度和加速性能的要求。

a.純電動汽車以某一速度完成最大爬坡時的功率需求為：

（3）

其中，Pmax-i/kW為滿足最大爬坡度要求的峰值功率，αmax/°為最大爬坡角度， ui/（km/h）為爬坡車速。代入數(shù)據(jù)得到Pmax_i。

b.純電動汽車加速時的功率需求為：

（4）

其中，Pmax_a/kW為滿足最短加速時間要求的峰值功率。

對等式兩邊進(jìn)行處理并對時間積分，得到：

（5）

其中，F(xiàn)t/N為驅(qū)動力，ut/（km/h）為加速過程的終速，根據(jù)動力性能要求應(yīng)取值100 km/h，t/s為百公里加速時間。要特別注意的是，驅(qū)動電機(jī)基速前恒轉(zhuǎn)矩，基速后恒功率的特性決定了驅(qū)動力Ft為一分段函數(shù)，即：

（u≤ui） （6）

（u>ui） （6）

其中ue/（km/h）為驅(qū)動電機(jī)基速時對應(yīng)的車速。在驅(qū)動電機(jī)特性和一擋傳動比均未知的情況下，ue也是未知的。驅(qū)動電機(jī)在基速附近工作時效率最高，據(jù)此大致擬定ue的范圍。由式（5）和（6）可得要求百公里加速世界小于t時，峰值功率的最小值Pmax_a。

綜合比較驅(qū)動電機(jī)的峰值功率Pmax_a和Pmax-i，取較大者作為驅(qū)動電機(jī)的峰值功率。

3.3 減速機(jī)傳動比的選擇

對于二擋減速機(jī)來說，一檔的傳動比應(yīng)保證車輛要求的最大爬坡度，二擋的傳動比應(yīng)保證車輛能達(dá)到所要求的最高車速，另外還應(yīng)綜合考慮減速機(jī)的載荷、潤滑、離地間隙、主減中心距等，擋間比不宜過小 以便能有效的調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速。減速機(jī)換擋規(guī)律會影響車輛動力性和經(jīng)濟(jì)性能。對于小型乘用車，以加速踏板開度和車速為參數(shù)的換擋規(guī)律最為常用，根據(jù)優(yōu)化目標(biāo)不同又可分為動力性換擋規(guī)律和經(jīng)濟(jì)性換擋規(guī)律。動力性換擋規(guī)律需要找到一個車速點(diǎn)，在相同油門開度下，此點(diǎn)處的一檔驅(qū)動轉(zhuǎn)矩與二擋相同。該點(diǎn)就是此油門開度下的換擋點(diǎn)，通過標(biāo)定不同的油門開度即可得到換擋曲線。經(jīng)濟(jì)性換擋規(guī)律要讓電機(jī)盡可能的工作在效率高的區(qū)域，同樣是求的一點(diǎn)，在相同油門開度的情況下此點(diǎn)一二擋的效率相同，通過標(biāo)定可得出經(jīng)濟(jì)性的換擋曲線。通過以上得出的傳動比可通過模擬NEDC循環(huán)工況以求的經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)的傳動比組合。

4.結(jié)語

現(xiàn)在國內(nèi)汽車驅(qū)動電機(jī)行業(yè)，永磁電機(jī)的使用是普遍趨勢，磁阻式電機(jī)是今后發(fā)展的方向，但大規(guī)模應(yīng)用仍需時間，至于輪轂電機(jī)需要更加長的路要走，驅(qū)動電機(jī)的基速、最大轉(zhuǎn)矩、峰值功率以及減速機(jī)的傳動比等重要參數(shù)，其匹配對電動汽車的動力性能和能量消耗有顯著影響，傳動比的匹配不僅要考慮在理論上滿足整車的動力性和經(jīng)濟(jì)性要求，也要考慮實(shí)際工程的約束條件，如離合器最大傳遞轉(zhuǎn)矩、變速器尺寸及主減速器離地間隙、齒數(shù)配比等等。

參考文獻(xiàn)：

[1] 陳新亞. 電動汽車為什么會跑. 機(jī)械工業(yè)出版社 .2016.5.2

[2].Iqbal Husain（美）.純電動及混合動力汽車設(shè)計基礎(chǔ).2015.7.1endprint