纯电动教练车动力系统匹配设计与试验

2013-06-13席加豪蹇小平康淑秀岳近春成振坤

汽车电器 2013年1期

关键词：桑塔纳驾校电动机

席加豪，蹇小平，康淑秀，冯镇，岳近春，成振坤

（长安大学汽车学院，陕西西安 710064）

驾驶培训行业是交通运输行业的重要组成部分，既是资源占有型行业又是能源消耗型行业，并且对环境产生很大的危害，因此，将驾校的燃油教练车改制成电动教练车有着很大的实用意义和经济意义。

本文是在桑塔纳轿车的基础上，试制一辆纯电动教练车并对其进行实车试验，使试制的电动教练车满足驾校训练的要求。开发纯电动教练车对减少城市尾气排放，促进驾校行业的节能减排有着重要而深远的意义。

1 电动教练车动力系统匹配设计

1.1 电动教练车方案论证

驱动电机将动力传递到车轮有很多不同的方式，本文要试制一辆电动教练车，因此选取的是最传统的动力传递机构，用电动机代替燃油教练车的发动机，保留离合器、变速器、差速器等传统部件，如图1所示。

电动机与离合器之间的动力传递共有两种方案：①电动机与离合器通过链条连接。优点：同轴度要求不高，安装与拆卸简单；缺点：传动效率低。②电动机与离合器通过法兰直连。优点：传动效率高，结构紧凑，占用空间小；缺点：同轴度要求高，安装与拆卸复杂。通过以上对比分析，决定采用直连的方式［1］。

1.2 电动教练车的动力性要求

根据驾校燃油教练车的场地特点和运行工况，确定纯电动教练车的动力性指标如下：①最高车速为60km／h；②最大爬坡度为15%；③必须能达到每天8h的工作时间，并且满足一天80km续驶里程要求。

1.3 电动机的功率

无论是传统的燃油汽车还是电动汽车，整车总功率的匹配原则是相似的，即根据整车的动力性（最高车速、最大加速度、最大爬坡度）来确定电动机的功率［2］。

电动汽车的功率计算公式为

当电动教练车以最高车速vmax行驶时，此时汽车的加速度与爬坡度可以忽略不计，即

式中： cosα≈1。

当电动教练车以车速v爬αmax的坡度时，此时车辆加速度可以忽略不计，即

根据电动教练车的运行工况，对车辆的加速时间不予考虑。电动机的最大功率Pmax应取Pmax1、Pmax2中最大的一个，即Pmax≥max{Pmax1、Pmax2}。

1.4 电动机的最高转速

式中：im——车辆最高档传动比；i0——车辆主减速器传动比；r——车轮的滚动半径。

1.5 电动教练车电动机的选择

本设计是在桑塔纳2000GLS轿车的基础上试制一辆纯电动教练车，桑塔纳轿车的主要参数［4］如表1、表2所示。

表1 桑塔纳2000GLS整车参数表

表2 桑塔纳2000GLS变速器与主减速器传动比参数表

1.5.1 电动教练车电动机功率计算

电动教练车的一些基本参数：整车整备质量m1=1 400 kg（整车整备质量包括：车辆本身的质量、电池的质量和电池架子的质量），整车总质量m2=1750kg（整车总质量是整车整备质量与乘员质量之和。乘员按1人70kg，车乘5人，即350kg），滚动阻力系数f=0.019，传动系的机械效率ηT=0.95×0.96=0.912，空气阻力系数CD=0.37，迎风面积A=B×H=1.414×1.423=2.01m2，车轮的滚动半径r=0.2946m。

当电动教练车以最高车速vmax=60 km／h行驶时，根据公式（2），得功率Pmax1=8.3kW。

当电动教练车以平均车速v平均=10km／h爬tanα=15%的坡度时，根据公式（3），得功率Pmax2=8.8kW。

本设计中加速性能不予考虑，电动机的峰值功率Pmax=max{Pmax1、Pmax2}=8.8kW。

1.5.2 电动教练车电动机转速的计算

本文所设计的电动教练车有5个档位，根据公式（4）得出各档位下的转速如表3所示。

表3 驱动电机在各个档位下的转速

由表3可知，当电动教练车车速达到60km／h时，电动机最大转速为1778r／min。

1.5.3 电动机的选择

根据上述计算，选定电动机的最大功率10kW，转速在2000r／min左右。通过资料查询与市场调研，参照所计算的电动机参数，选择淄博休普电机电器有限公司生产的有刷直流电动机ZC／T8.5B-72C2r，电动机参数为：①额定电压72V；②额定功率8.5kW；③额定电流147A；④额定转速2000r／min；⑤最高转速4000r／min；⑥励磁方式为串励。

1.6 动力蓄电池参数计算

对于该电动教练车，电池参数的匹配一般要满足系统的电压等级、能量要求、功率要求、最大充放电电流限制等多方面因素，更重要的是电池的容量要满足电动教练车续驶里程的要求。

电动教练车驱动电动机的额定电压决定蓄电池组的电压，蓄电池组中电池的数目应该满足纯电动汽车的续驶里程与动力性要求。动力电池组通过单体串联的方式给电动机供电，必须要满足电动教练车一天工作8h的要求。

电池能量的计算公式为

式中：Wess——电池组的实际能量，kWh；Uess——电池组的平均工作电压，V；C——电池块的容量，Ah。

电动教练车行驶里程S所需的能量，可以通过下式计算。假定汽车以v平均速度行驶，即

式中：P——电动教练车以纯电动驱动所需的功率，kW；Wroad——电动教练车以纯电动驱动行驶里程S所需的负载能量。

电动教练车驱动电动机的额定电压为72 V，因此蓄电池组的电压也为72 V。在科目2的训练中，平均车速为13 km／h。将v=13 km／h代入公式（6），得P=1.31kW，因为电动教练车要满足一天工作8h，所以根据公式（7）得Wroad=10.5 kWh，电池的能量Wess=10.5 kWh。电池组的平均工作电压为60 V，根据公式（5），得到电池的容量C≥175 Ah。经过市场调研与筛选，选取淄博明泰电器科技有限公司生产的铅酸蓄电池，型号为4-D-180，电池参数为：①电池容量180Ah；②注液后的质量39kg；③总电压72 V；④单节电压8V；⑤外形尺寸258×182×340 mm；⑥电池节数9节。