新能源清掃車電機驅動系統的設計

馮玉松，張叢叢

（長安大學汽車學院，陜西 西安 710064）

前言

隨著環境污染，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步，使得許多關于電動汽車的難題得以解決。以現有傳統汽車為研究對象，再加上部分純電動技術則會大幅度降低設計、制造成本，還可減短設計周期，使得短時間量產成為可能。本文在傳統車型的基礎上，按照對新能源清掃車動力驅動系統的性能要求，來對動力驅動系統進行合理匹配設計，包括對驅動電機、動力電池等部件的性能參數進行設計以及它們之間的合理匹配技術。

1 整車參數和性能要求

1.1 整車參數

傳統輕型貨車基本參數及與其載重質量相仿的清掃車性能參數如表1所示。

1.2 動力性能指標

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

2 電動汽車動力系統參數設計

電動汽車的驅動系統的參數選擇，對汽車的動力性、經濟性都會有很大的影響。本文針對新能源清掃車的驅動系統進行了參數選擇和匹配分析。

表1 新能源清掃車整車參數

2.1 驅動電機參數設計

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來計算驅動電機的功率。

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

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

（2）本文所設計的新能源清掃車的最大爬坡度為20%，所以可以根據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功率。

2.1.2 驅動電機轉速和轉矩選擇

所選電機的轉速n和轉矩T應均可滿足汽車的動力性能指標，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 電池組參數設計

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考慮汽車行駛時的最大功率和消耗的能量[2]。

2.2.1 根據電動汽車所需功率來確定動力電池的電池總數

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，所以據此可要求動力電池總數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 根據續航里程來確定動力電池組總數

所選擇的動力電池應保證一次充電后，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%，據此動力電池總數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N為：

3 電動汽車驅動系統選型和匹配

3.1 驅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、感應電機、永磁同步電機及開關磁阻電機等，其中永磁同步電機具備功率密度高，峰值效率高，體積小，質量輕，安全性高等優點[3]。所以本文選用永磁同步電機。

根據表 1的相關參數，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進而算的驅動電機轉速n和轉矩T得：

n=2943rpm；T=220N·M

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

表2 永磁同步電機性能參數

3.2 電池的選型及匹配

電動汽車動力電池主要性能指標包括能量密度、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%，則根據式（6）計算可得：

取V恒=20km/h，則根據公式（7）計算可得

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

表3 電池性能參數

4 電動汽車動力驅動系統布局設計

4.1 動力驅動系統布局設計概述

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

4.2 驅動電機布局設計

新能源清掃車使用原車的驅動布置方式，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計

設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，傳動軸兩側和主減速器后方。

4.4 其它部件布局設計

驅動系統的其它部件，如電機控制器、電池管理系統、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 結論

本文傳統車型的基礎上，對新能源清掃車驅動系統進行了改裝設計，計算出驅動電機和動力電池的相關參數，并選用合適型號，還對驅動系統進行了合理的布局設計分析。