驅動電機系統機電耦合一體化技術

雍玉芳

摘要：在本次研究中，筆者對驅動電機系統機電耦合一體化技術進行了簡單探討，分析了電動輕客汽車機電一體化、電機變速箱集成，以及典型的電動汽車的車置前驅的布置形式和結構，并根據整車性能參數N-電機變速箱集成系統各部件進行匹配，運用計算來確定變速箱檔位數及傳動系統的傳動比。

關鍵詞：電動汽車；驅動電機系統；機電耦合一體化技術

1引言

在電動汽車動力系統中，驅動電機作為核心裝置，其性能的高低直接會對汽車的整體性能產生影響。驅動電機的發展，越來越朝著低成本、輕量化、小型化、高效率、集成化方向發展。而集成化為小型輕量化、低成本與高效率的最快實現成為可能。汽車驅動電機系統的集成化主要是通過電機和制動系統機電一體化、電機和變速箱機電一體化以及機電和發動機一體化來實現的。特別是近年來，伴隨著汽車動力電氣化水平不斷提高，各類耦合深度的機電耦合動力系統進一步加深了電機和變速箱的關系。因此在汽車領域中，通過設計出全新的制動系統、地盤系統以及輪系等，實現了電機與動力傳動裝置的一體化集成，由此可見汽車機電一體化不僅僅指的是技術集成，還應該包含整合機電結構。

在本次研究中，筆者對驅動電機系統機電耦合一體化技術進行了簡單探討，分析了電動輕客汽車機電一體化、電機變速箱集成，以及典型的電動汽車的車置前驅的布置形式和結構，并根據整車性能參數對電機變速箱集成系統各部件進行匹配，運用計算來確定變速箱檔位數及傳動系統的傳動比。

2變速箱和驅動電機一體化設計方法

2.1電動汽車布置形式

機電集成化驅動形式：將驅動電機與固定速比的變速箱直接相連；傳動機構結構緊湊，傳動效率較高，安裝方便，布置靈活。

2.2驅動電機的匹配分析

汽車在行駛過程中，動力來源由驅動電機提供，通常要求驅動電機在爬坡或者低速行使時產生較大轉矩，當汽車處于高速行駛狀態時能夠提供較大功率。在匹配計算電動汽車電機參數時，常常需要根據汽車的最高車速計算電機的額定功率，根據最大爬坡能力和加速時間計算電機的峰值功率。而汽車電機的功率又由額定功率（主要指的是汽車電機在正常工作狀態下能達到的最大功）和峰值功率（主要指的是汽車電機在短時間內能達到最大功）構成，但是對汽車電機而言，不可能長時間以峰值運行，否則會降低電機壽命。在設計汽車電機匹配參數時，主要計算以下幾個方面的數值：額定轉速、最高轉速、額定功率、峰值功率、額定轉矩、峰值轉矩。下表1中，筆者列舉了輕客整車參數以及需要滿足的動力性能：

（1）輕客整車電機額定功率計算：

電機額定功率的選擇至關重要，其設計方法跟傳統發動機相似，一般是在滿足汽車預期的最高車速基礎上選擇額定功率。

（2）輕客汽車電機峰值功率計算表1輕客汽車整車參數

在確定電機的峰值功率（Pemax）的時峰值功率必須滿足最高車速時功率（Pe）、最大爬坡度時功率（Pa）、加速時間功率（Pe），即：Pcmax>max[Pe，Pa，Pc]。

（3）驅動電機匹配結果

電機通過有限元仿真分析，永磁同步電機具體參數如表2所示。

2.3變速箱參數的匹配

2.3.1變速器的檔位確定

目前，AMT作為一種當對成熟的自動變速傳動技術，已經被廣泛運用在汽車中。AMT技術的工作原理為通過適時自動換擋來保證電機在轉矩最大、最高效的區域中工作，極大提高汽車的行駛性能，并且AMT技術所需成本低，便于控制、安裝以及使用，在本次研究中，筆者采用的變速器主要為一檔、兩檔、三擋。

（1）一擋變速器

小型電動車主要采取固定速比的一擋方案，其缺點為電機的利用率較低，并且會受到電機性能的影響，導致車輛啟動加速性能、最高車速不能滿足要求。

（2）兩檔AMT

該方案能夠將電動汽車的電機性能充分發揮出來，并且保證汽車在全速范圍內絕大多數時間電機功效位于較高區間，換句話說即便在低速時依然有較高轉矩，并且還能在功率恒定的基礎上具有較高轉速，兼顧了車輛的最高車速及加速性能兩方面。

（3）三擋AMT

該方案是在三擋方案的基礎上增加了一個擋位，效果更顯著，但整個系統在換檔過程必須增加一個選檔機構，使得系統控制和整體結構變得復雜，成本也會相應增加，故在我國新能源汽車的初期階段，大部分車企因技術的不完備及同行競爭比較激烈，故在電動汽車方面較少采用三檔AMT方案。

本文選用大部分車企的標準配置，均運用的是兩檔AMT變速器，在現有主減速器的基礎上，設計出變速器兩擋位的傳動比。

2.3.2確定變速器的傳動比

（1）確定傳動比下限

傳動比的下限為變速器最高擋位傳動比乘以主減速比。

同時還由驅動電機在最高轉速時對應的輸出扭矩和運行在最高車速下對應的行駛阻力來共同決定。

（2）傳動比上限的確定

傳動比的上限等于一擋變速器傳動比乘以主減器傳動比，跟汽車最大爬坡坡度有關。

（3）由電動機最大輸出轉矩、最大爬坡度和行駛阻力確定的傳動比下限：

本文中主減速器主減速比為4.487，由此設計一檔傳動比為3.13，二檔傳動比為1.74。

綜上所述，就電動車分析，在驅動電機參數不變的情況下，其動力性能和經濟性能主要跟傳動系統的參數有關，并且傳動系統還具有調節電機轉速和汽車車速關系的功能，對電機的工作效率和工作狀態產生影響，故驅動電機與變速器機電耦合一體設計就顯的尤為重要。本文根據電動汽車的整車參數和技術要求，分析驅動電機的工作性能的要求，機電耦合的變速器的擋位數及傳動比的選擇依據及參數匹配計算。