纯电动汽车的电机选型及布置设计
2018-10-22徐宁
徐 宁
(云南五龙汽车有限公司， 昆明 650000)
某车型采用中央电机驱动，电源补给方式为充电补给，在保证动力性的基础上，对该车型的电机进行匹配选型，并对电机相关部件进行总体布置。
1 电机设计选型
整车选用永磁同步电机驱动，充电平台电压为380 V，主要设计指标见表1[1-3]。
表1 整车设计指标
1.1 峰值功率的确定
电机峰值功率主要由最高车速所需功率、目标加速时间所需功率及最大爬坡能力所需功率决定，最大值为峰值功率取值依据。
1) 根据最高车速计算的峰值功率[4-5]Pm1为:
(1)
式中：vmax为汽车最高车速，取值110 km/h；m为汽车总质量，取值1 775 kg；f为车速在110 km/h的轮胎滚动阻力系数，取值0.018；CD为风阻系数,取值为0.34；A为迎风面积，取值2.36 m2；ηT为传动效率系数，取值0.920。
将相关数据代入式(1)[4-5]，求得最高车速所需功率Pm1为25.6 kW。
2) 根据最大爬坡度计算的峰值功率[6-7]Pm2为：
(2)
式中：vp为汽车在给定坡度的坡道上能够持续1 km以上的爬坡车速，取值20 km/h；f为车速在20 km/h的轮胎滚动阻力系数，取值0.013；αmax为最大坡度角，取值为arctan 20%。
将相关数据代入式(2)，求得最大爬坡度所需功率Pm2为21.95 kW。
3) 根据目标加速时间计算的峰值功率Pm3为：
(3)
式中：δ为旋转质量转换系数，取值1.02；vm为目标车速，分别取值50 km/h、80 km/h、100 km/h；tm为目标车速所对应的加速时间，分别为6.3 s、11.3 s、14.5 s；x为起步加速过程车速的拟合系数，取值0.5；ρ为空气密度，取值1.2 kg/m3；f为不同目标车速50 km/h、80 km/h、100 km/h所对应的轮胎滚动阻力系数，取值分别为0.014、0.015、0.017。
将相关数据代入式(3)[6]，求得不同目标加速时间所需要的峰值功率为：v1=50 km/h时，对应峰值功率Pv1为35.2 kW；v2=80 km/h时，对应峰值功率Pv2为55.2 kW；v3=100 km/h时，对应峰值功率Pv3为72.5 kW。
最终，不同目标加速时间所需要的峰值功率[7]Pm3应满足：
Pm3≥max{Pv1，Pv2，pv3}
即目标加速时间峰值功率Pm3取最大值72.5 kW。
4) 电机最终峰值功率Pm取上述Pm1、Pm2、Pm3中的最大值，即峰值功率Pm取值72.5 kW。考虑电机运行过程中其他损耗，该车型电机峰值功率Pm定为75 kW。
1.2 额定功率的确定
电机额定功率应满足纯电动汽车最高车速的要求，同时要杜绝过载和欠载的发生，应使电机在高效区内工作(过载系数既能满足过载要求也能满足欠载要求)[7-8]。
即电机的额定功率Pr为：
Pr≥max{Pm1,Pm/λ}
式中：λ为过载系数，取值为3。
将相关数据代入上式，求得额定功率为25.6 kW。整车在实际运行中其阻力可能增大，效率会有一定的下降，因此，该车电机额定功率定Pr为30 kW。
1.3 最高转速的确定
电机最高转速nmax可根据最高车速初步确定，主要影响因素为传动系统传动比、最高车速和车轮滚动半径，计算公式为：
(4)
式中：ig为减速器速比,值为1.96;i0为主减速比,值为3.55;r为车轮半径，值为0.317 m。
将相关数据代入式(4)[9-10]，求得最高转速nmax为6 406 r/min。整车在实际运行中其阻力可能增大，效率会有一定的下降。因此，该车电机最高转速nmax定为7 000 r/min。
1.4 额定转速的确定
额定转速是指电机达到额定功率和额定扭矩时的电机转速，计算公式为：
nr=nmax/β
其中β为电机扩大恒功率区系数。β值越大，在低转速区电机可获得越大的扭矩，有利于提高车辆的加速能力和爬坡性能，稳定性能好；但β值太大，会增大电机的工作电流，同时功率变换器的功率损失和尺寸也会增大，因此β不宜过高。β一般取2～3，即 2 333≤nr≤3 500。上述初步确定该车型电机的额定转速nr为3 200 r/min。
1.5 峰值扭矩的确定
在功率一定情况下，电机扭矩与其转速成反比，最高车速下的扭矩小于起步加速和最大爬坡度时的扭矩，故峰值扭矩主要满足最大爬坡度和汽车起步加速的动力要求[8]。峰值扭矩计算公式为：
1) 求在一定车速下最大爬坡度时的峰值扭矩Tm2。
令P为最大爬坡度下的峰值功率Pm2，令n为在20%坡度上以20 km/h时速持续行驶1 km以上的转速np。求得np在1 165 r/min时的峰值扭矩Tm2为180 N·m。
2) 求在起步加速时的峰值扭矩Tm3。
令P为起步加速时的峰值功率Pm3，令n为从起步加速到50 km/h时对应的转速nv。求得nv为 2 912 r/min时的峰值扭矩Tm3为115.4 N·m。
因此，电机的峰值扭矩Tm取上述Tm2、Tm3中的较大值，既Tm为180 N·m。
1.6 额定扭矩的确定
额定扭矩Tr=9 550·Pr/nr= 89.5 N·m，取整为90 N·m。
1.7 电机的主要参数及曲线
根据上述计算分析，可确定该车型电机主要参数见表2，其性能曲线如图1所示。
表2 电机参数
图1 电机特性曲线
2 电机布置设计
电机布置设计必须满足以下要求：碰撞要求，动力总成到防撞梁最前端距离≥330 mm；防水要求，要求电机布置在涉水线以上且满足IP67及以上的防护等级；传动效率要求，要求传动轴夹角控制在5°以内[11-12]；电机的布置方便走线和布置管路。
依据上述布置要求，电机及减速器布置如图2所示，方案如下：
1—电机； 2—减速器； 3—传动轴； 4—电机悬置；5—副车架； 6—前机舱； 7—地面线
1) 动力总成距离前防撞梁最小间隙为335 mm。
2) 电机转轴与减速器输出轴平行，减速器与传动轴夹角越大，传动不平顺性和振动噪声可能性越大，传动效率也相应降低，为使传动轴夹角控制在5°以内，将减速器与水平面所成角度调整为57°。
3) 电机位于减速器斜上方布置，电机距地面最小距离为347 mm，满足涉水线要求。
4) 出线盒及冷却水箱的进出水口位置基本满足线缆及冷却水箱水管走向。
3 结束语
除基于上述的电机选型和布置来选择合适的电机，还需根据价格、开发能力、合作配合程度、产品在市场应用情况等综合考虑，最终选择合适的电机。
