雙電機驅動低速純電動汽車研究

肖壽高

（陜西交通職業技術學院汽車工程學院，陜西 西安 710018）

雙電機驅動低速純電動汽車研究

肖壽高

（陜西交通職業技術學院汽車工程學院，陜西 西安 710018）

為了響應國家節能減排的號召，實現汽車產業的可持續發展，開展對新能源汽車的技術研究已成為當今世界的熱點問題。文章以某基型車為研究對象，完成了雙電機驅動低速純電動汽車的動力性能計算和驅動電機選型；通過對比各種電機的優缺點，得到了驅動電機的相關參數和設計要求，為后續雙電機驅動電動汽車的開發打下基礎。

新能源汽車；雙電機驅動；低速純電動汽車

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

引言

目前，新能源汽車的研發已經列入了國家十三五規劃計劃當中，而純電動汽車作為一種重要的新能源汽車，國內各大汽車生產廠商正已投入大量的人力物力對其進行開發。在小型乘用汽車領域，比亞迪汽車公司已開發出純電動車e6，長安新能源汽車公司推出了奔奔MINI純電動轎車，北汽新能源公司在售EV200、EU200等系列純電動汽車，奇瑞新能源公司生產的奇瑞eQ和奇瑞QQ3EV純電動汽車，中國一汽新能源汽車分公司推出了奔騰EV、歐朗EV和威志EV幾款純電動汽車。以上所列各種純電動車型都為單電機驅動純電動汽車，且只有奇瑞的QQ3EV為低速電動車（經濟車速為50km/h），而其余車型均為高速電動車（最高車速約在100km/h-150km/h左右）。

一方面，研究發現高速純電動汽車雖然在行駛速度上雖然優于低速純電動汽車，但是該類車型對電池電壓，電池容量，電機功率等關鍵性能部件提出了更高的要求，并且目前造價也比較高，不利于市場推廣。另一方面，雙電機驅動比單電機驅動更為靈活有利，比如對于前置前驅的車型來講，通過采用靈活的雙電機控制方案的設計達到取消機械差速器的目的，而單電機驅動需要增加此差速器；還可以將電機集成到整個車輪構成為左右驅動的輪轂電機，從而進一步減少整車零件，而單電機驅動需要傳動軸及變速箱總成來完成傳動。因此，研究雙電機低速純電動汽車是必要的并具有一定的實用價值。

1、雙電機驅動純電動汽車基本結構分析

為縮短電動汽車的研發時間和研發成本，此處純電動汽車的基本結構以成熟的傳統燃油汽車作為基本型，保留原傳統燃油汽車的車身、電氣設備及大部分底盤件，主要針對燃油汽車的電力及動力傳輸系統做變換，圖1給出了一種純電動汽車電力和動力傳輸路線示意圖。此種純電動汽車以動力電池組作為動力源，通過電池變換器驅動電動機，電動機輸出動力給傳輸系統并傳遞至車輪。

圖1 單一蓄電池為動力源的純電動汽車的電力和動力傳輸示意圖

為了使電動汽車的結構布局更細化，下面對動力傳輸部分進行拓展，分別給出三種類型結構的布置形式，見表1。從表中可以看到，雙電機驅動純電動汽車的機械傳動裝置最為簡單和緊湊，可以給整車騰出更大的空間，也便于動力電池組的優化布置。

表1 純電動汽車動力傳輸結構布置對比

2、低速純電動汽車動力性分析

汽車動力性是汽車的關鍵性能指標[4]之一，在純電動汽車的研發過程中，對整車進行動力性的分析是十分必要的，電動汽車動力性的評價指標包括最高車速、加速時間以及最大爬坡度，對這些指標進行確定將影響整個車輛的配置，包括驅動電機等關鍵部件的設計與選型。由于此項研究針對市場容量較大的低速純電動汽車用戶，其主要特性表現為出行代步車，對車速要求不高、車輛配置要求低、行駛路況較好。通過研究低速汽車市場發現，可將低速純電動汽車的動力性參數設定為：最高車速為60km/h，最大爬坡度為20%， 0-40km/h加速時間為9s。從成本和時間上來考慮，本研究選擇某輕型轎車作為基型車，在此基礎上選擇部分參數作為驅動電機的選型設計，對應的部分整車參數見表見表2。

表2 某基型車整車參數

2.1 驅動電機動力參數確定

純電動汽車的電機動力參數直接影響整個車輛的動力性能，下面通過汽車行駛方程式來確定驅動電機的動力參數，為電機的選型設計提供理論基礎。

1）電機功率的確定

首先根據最高車速[1]來確定電機的峰值功率如下：

式中：m為整車總質量，kg；g為重力加速度；f為滾動阻力系數，取0.012；CD為風阻系數，取0.4；A為迎風面積，取2.22；η為傳動效率；umax為最高車速。

其次根據最大爬坡度來確定電機的峰值功率如下：

式中：ui為在最大坡度上運行速度，取值15km/h；α =arctan(imax)，imax為最大爬坡度，取20%。

另外由加速性能[2]來計算電機的最大功率如下：

式中：um為汽車加速終了速度，取40km/h，tm為加速時間，取9s；δ為電動汽車轉動慣量換算系數，取1.05。

綜合上述三種情況，低速純電動汽車電機的峰值功率應取三者當中的最大值，才能滿足使用要求，即：

式中：Pmmax為電機的峰值功率或最大功率，單位為kW。

根據電機設計手冊，通常用額定功率來表征電機的持續工作性能，而電機的額定功率乘以過載系數即為電機的最大功率，因此可知電機額定功率為：

式中：λ為電機過載系數，通常取值2-3。

將以上相關參數代入（1）-（5），可得Pmmax≧30.5kW，電機過載系數取2.6，那么得到單電機額定功率Pe=12kW。對于雙電機驅動純電動汽車來講，單個電機額定功率為6kW便可滿足該車的動力性要求，因而電機最大功率可降為6kW。

2.2 電機轉速與轉矩確定

在電機轉速與轉矩選擇當中，主要圍繞額定和最高兩個工作點來進行，在這里額定轉速由低速純電動汽車的常規行駛速度來確定，如下式：

式中：uc為低速電動汽車常規行駛車速，取40km/h；r=0.258m為輪胎半徑；iFG為電機固定減速比，取值6.45；將以上參數代入（6）可得，ne=2653r/min，此處取整為2800r/ min。

當車速為最高車速時，仍可利用（6）式計算電機最高轉速，將uc=60km/h代入可得：nmax=3978r/min，此處取整為4000r/min。

電機轉矩可按轉矩與功率的轉換式進行計算，即：

將上述得到的參數代入式（7），可知電機額定轉矩為20.5N.m，則電機的最大轉矩為：

將過載系數2.6代入可得，電機最大轉矩為53.6N.m。

根據上述計算結果，在表3中列出了驅動電機的基本性能參數。

表3 電機基本性能參數

3、驅動電機的選擇要求

電機的選擇對于純電動汽車的驅動性能等指標起著重要的作用，因此需要對驅動電機[3]做一些必要的設計上和使用上的要求：能滿足汽車經常性的啟動、停車、加速以及減速等工況需求；對于雙電機驅動純電動汽車而言，由于取消了變速器等換擋部件，因此在車輛低速或爬坡時，要求電機輸出扭矩大，高速運行時，要求電機轉矩小；在一些極限工況，通常要求電機要有一定的過載能力；為了提高雙電機驅動電動汽車的運行效率，節省能耗，要求電機具有較高的效率；要求電機具有較大的調速范圍，既要求電機工作在恒轉矩區，又要求電機工作在恒功率區；從汽車的使用和結構設計角度來考慮，要求電機機電本體具有較高的結構可靠性，布置方便性及低成本。從驅動性來考慮，要求電機的扭矩特性與汽車的運行特性相匹配。

3.1 驅動電機的對比

目前，應用于電動汽車上的常用電機有直流電動機、異步電動機、永磁直流無刷電機和開關磁阻電動機，通過查閱相關資料的發現，對這四種電機的性能特點匯總至表4。

表4 四類電機參數對比

通過對表中電機的各項對比項目研究發現，永磁無刷直流電機在功率密度、運行效率、操控性能、結構可靠性和整車布置性等方面比其他三種電機占有優勢。因此，選擇永磁無刷直流電機作為雙電機低速純電動汽車的驅動電機是比較好的選擇。

4、總結

文章從汽車的動力特性著手，給出了一種雙電機驅動純電動汽車的動力系統布置方案，并與單電機驅動純電動汽車做了比較研究，研究發現雙電機驅動低速純電動汽車在技術路線選擇上具有一定的先進性，并對雙電機驅動的驅動電機進行了參數計算和選型對比；因低速純電動汽車具有成本低，適合于家庭用車及城市代步車等，因而低速純電動汽車對新能源汽車的推廣與應用起到了促進作用。同時也為今后低速純電動汽車的設計開發做了前期準備工作。

[1] 馮鎮等.電動場地教練車動力系統匹配設計與仿真研究[J].鄭州大學學報,2011,32(6):72.

[2] 劉新.純電動汽車動力參數匹配與仿真研究[D].重慶大學，2013,6.

[3] 郭建龍等.電動汽車驅動用電機的選擇[J].汽車電器,2007,1:9-12.

[4] 純電動汽車動力驅動系統參數優化設計及性能仿真研究[J].重慶工貿職業技術學院學報，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

肖壽高，就職于陜西交通職業技術學院，汽車設計工程師，主要從事汽車維修檢測教學與實訓，新能源汽車等相關專業研究。基金項目：2015年中央高校基本科研基礎研究計劃項目（310822151023）；2015年度中央高校基本科研創新團隊項目（310822153303）。