双电机驱动低速纯电动汽车研究

肖寿高

（陕西交通职业技术学院汽车工程学院，陕西 西安 710018）

双电机驱动低速纯电动汽车研究

肖寿高

（陕西交通职业技术学院汽车工程学院，陕西 西安 710018）

为了响应国家节能减排的号召，实现汽车产业的可持续发展，开展对新能源汽车的技术研究已成为当今世界的热点问题。文章以某基型车为研究对象，完成了双电机驱动低速纯电动汽车的动力性能计算和驱动电机选型；通过对比各种电机的优缺点，得到了驱动电机的相关参数和设计要求，为后续双电机驱动电动汽车的开发打下基础。

新能源汽车；双电机驱动；低速纯电动汽车

CLC NO: U469.72 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)01-30-03

引言

目前，新能源汽车的研发已经列入了国家十三五规划计划当中，而纯电动汽车作为一种重要的新能源汽车，国内各大汽车生产厂商正已投入大量的人力物力对其进行开发。在小型乘用汽车领域，比亚迪汽车公司已开发出纯电动车e6，长安新能源汽车公司推出了奔奔MINI纯电动轿车，北汽新能源公司在售EV200、EU200等系列纯电动汽车，奇瑞新能源公司生产的奇瑞eQ和奇瑞QQ3EV纯电动汽车，中国一汽新能源汽车分公司推出了奔腾EV、欧朗EV和威志EV几款纯电动汽车。以上所列各种纯电动车型都为单电机驱动纯电动汽车，且只有奇瑞的QQ3EV为低速电动车（经济车速为50km/h），而其余车型均为高速电动车（最高车速约在100km/h-150km/h左右）。

一方面，研究发现高速纯电动汽车虽然在行驶速度上虽然优于低速纯电动汽车，但是该类车型对电池电压，电池容量，电机功率等关键性能部件提出了更高的要求，并且目前造价也比较高，不利于市场推广。另一方面，双电机驱动比单电机驱动更为灵活有利，比如对于前置前驱的车型来讲，通过采用灵活的双电机控制方案的设计达到取消机械差速器的目的，而单电机驱动需要增加此差速器；还可以将电机集成到整个车轮构成为左右驱动的轮毂电机，从而进一步减少整车零件，而单电机驱动需要传动轴及变速箱总成来完成传动。因此，研究双电机低速纯电动汽车是必要的并具有一定的实用价值。

1、双电机驱动纯电动汽车基本结构分析

为缩短电动汽车的研发时间和研发成本，此处纯电动汽车的基本结构以成熟的传统燃油汽车作为基本型，保留原传统燃油汽车的车身、电气设备及大部分底盘件，主要针对燃油汽车的电力及动力传输系统做变换，图1给出了一种纯电动汽车电力和动力传输路线示意图。此种纯电动汽车以动力电池组作为动力源，通过电池变换器驱动电动机，电动机输出动力给传输系统并传递至车轮。

图1 单一蓄电池为动力源的纯电动汽车的电力和动力传输示意图

为了使电动汽车的结构布局更细化，下面对动力传输部分进行拓展，分别给出三种类型结构的布置形式，见表1。从表中可以看到，双电机驱动纯电动汽车的机械传动装置最为简单和紧凑，可以给整车腾出更大的空间，也便于动力电池组的优化布置。

表1 纯电动汽车动力传输结构布置对比

2、低速纯电动汽车动力性分析

汽车动力性是汽车的关键性能指标[4]之一，在纯电动汽车的研发过程中，对整车进行动力性的分析是十分必要的，电动汽车动力性的评价指标包括最高车速、加速时间以及最大爬坡度，对这些指标进行确定将影响整个车辆的配置，包括驱动电机等关键部件的设计与选型。由于此项研究针对市场容量较大的低速纯电动汽车用户，其主要特性表现为出行代步车，对车速要求不高、车辆配置要求低、行驶路况较好。通过研究低速汽车市场发现，可将低速纯电动汽车的动力性参数设定为：最高车速为60km/h，最大爬坡度为20%， 0-40km/h加速时间为9s。从成本和时间上来考虑，本研究选择某轻型轿车作为基型车，在此基础上选择部分参数作为驱动电机的选型设计，对应的部分整车参数见表见表2。

表2 某基型车整车参数

2.1 驱动电机动力参数确定

纯电动汽车的电机动力参数直接影响整个车辆的动力性能，下面通过汽车行驶方程式来确定驱动电机的动力参数，为电机的选型设计提供理论基础。

1）电机功率的确定

首先根据最高车速[1]来确定电机的峰值功率如下：

式中：m为整车总质量，kg；g为重力加速度；f为滚动阻力系数，取0.012；CD为风阻系数，取0.4；A为迎风面积，取2.22；η为传动效率；umax为最高车速。

其次根据最大爬坡度来确定电机的峰值功率如下：

式中：ui为在最大坡度上运行速度，取值15km/h；α =arctan(imax)，imax为最大爬坡度，取20%。

另外由加速性能[2]来计算电机的最大功率如下：

式中：um为汽车加速终了速度，取40km/h，tm为加速时间，取9s；δ为电动汽车转动惯量换算系数，取1.05。

综合上述三种情况，低速纯电动汽车电机的峰值功率应取三者当中的最大值，才能满足使用要求，即：

式中：Pmmax为电机的峰值功率或最大功率，单位为kW。

根据电机设计手册，通常用额定功率来表征电机的持续工作性能，而电机的额定功率乘以过载系数即为电机的最大功率，因此可知电机额定功率为：

式中：λ为电机过载系数，通常取值2-3。

将以上相关参数代入（1）-（5），可得Pmmax≧30.5kW，电机过载系数取2.6，那么得到单电机额定功率Pe=12kW。对于双电机驱动纯电动汽车来讲，单个电机额定功率为6kW便可满足该车的动力性要求，因而电机最大功率可降为6kW。

2.2 电机转速与转矩确定

在电机转速与转矩选择当中，主要围绕额定和最高两个工作点来进行，在这里额定转速由低速纯电动汽车的常规行驶速度来确定，如下式：

式中：uc为低速电动汽车常规行驶车速，取40km/h；r=0.258m为轮胎半径；iFG为电机固定减速比，取值6.45；将以上参数代入（6）可得，ne=2653r/min，此处取整为2800r/ min。

当车速为最高车速时，仍可利用（6）式计算电机最高转速，将uc=60km/h代入可得：nmax=3978r/min，此处取整为4000r/min。

电机转矩可按转矩与功率的转换式进行计算，即：

将上述得到的参数代入式（7），可知电机额定转矩为20.5N.m，则电机的最大转矩为：

将过载系数2.6代入可得，电机最大转矩为53.6N.m。

根据上述计算结果，在表3中列出了驱动电机的基本性能参数。

表3 电机基本性能参数

3、驱动电机的选择要求

电机的选择对于纯电动汽车的驱动性能等指标起着重要的作用，因此需要对驱动电机[3]做一些必要的设计上和使用上的要求：能满足汽车经常性的启动、停车、加速以及减速等工况需求；对于双电机驱动纯电动汽车而言，由于取消了变速器等换挡部件，因此在车辆低速或爬坡时，要求电机输出扭矩大，高速运行时，要求电机转矩小；在一些极限工况，通常要求电机要有一定的过载能力；为了提高双电机驱动电动汽车的运行效率，节省能耗，要求电机具有较高的效率；要求电机具有较大的调速范围，既要求电机工作在恒转矩区，又要求电机工作在恒功率区；从汽车的使用和结构设计角度来考虑，要求电机机电本体具有较高的结构可靠性，布置方便性及低成本。从驱动性来考虑，要求电机的扭矩特性与汽车的运行特性相匹配。

3.1 驱动电机的对比

目前，应用于电动汽车上的常用电机有直流电动机、异步电动机、永磁直流无刷电机和开关磁阻电动机，通过查阅相关资料的发现，对这四种电机的性能特点汇总至表4。

表4 四类电机参数对比

通过对表中电机的各项对比项目研究发现，永磁无刷直流电机在功率密度、运行效率、操控性能、结构可靠性和整车布置性等方面比其他三种电机占有优势。因此，选择永磁无刷直流电机作为双电机低速纯电动汽车的驱动电机是比较好的选择。

4、总结

文章从汽车的动力特性着手，给出了一种双电机驱动纯电动汽车的动力系统布置方案，并与单电机驱动纯电动汽车做了比较研究，研究发现双电机驱动低速纯电动汽车在技术路线选择上具有一定的先进性，并对双电机驱动的驱动电机进行了参数计算和选型对比；因低速纯电动汽车具有成本低，适合于家庭用车及城市代步车等，因而低速纯电动汽车对新能源汽车的推广与应用起到了促进作用。同时也为今后低速纯电动汽车的设计开发做了前期准备工作。

[1] 冯镇等.电动场地教练车动力系统匹配设计与仿真研究[J].郑州大学学报,2011,32(6):72.

[2] 刘新.纯电动汽车动力参数匹配与仿真研究[D].重庆大学，2013,6.

[3] 郭建龙等.电动汽车驱动用电机的选择[J].汽车电器,2007,1:9-12.

[4] 纯电动汽车动力驱动系统参数优化设计及性能仿真研究[J].重庆工贸职业技术学院学报，2012,28（4）:31-35.

Research on Low speed pure Electric Vehicle With Dual In-wheel Mortors Drive

Xiao Shougao
（Department of Automobile, Shaanxi College of Communication Technology, Shaanxi Xi’an 710018 )

A In response to the call of the national energy conservation and emissions reduction, realize the sustainable development of the automobile industry,In the technology research of new energy vehicles has become a hot issue in today's world. With a type base car as the research object in this paper，completed the power performance calculation and drive motor selection of the low speed pure electric with double motor drive；By comparing the advantages and disadvantages of all kinds of motor,got some related parameters and design requirements of the drive motor，for subsequent double motor drive the development of the electric car lay the foundation.

new energy vehicles; double motor drive; the low speed pure electric

U469.72

A

A1671-7988(2017)01-30-03

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.01.012

肖寿高，就职于陕西交通职业技术学院，汽车设计工程师，主要从事汽车维修检测教学与实训，新能源汽车等相关专业研究。基金项目：2015年中央高校基本科研基础研究计划项目（310822151023）；2015年度中央高校基本科研创新团队项目（310822153303）。