某微型純電動觀光車的動力系統參數匹配設計*

萬長東，汪洋洋，徐兆磊，王力軍

(1.蘇州市職業大學 機電工程學院，江蘇 蘇州 215104； 2.葫蘆島客運有限公司,遼寧 葫蘆島 125000)

0 引 言

中國旅游業的發展將成為國家經濟的重要發展項目，電動旅游汽車將在產品現代化和市場發展方面都有更大的發展空間。電動觀光車有環保無排放，噪音低，操作要求低等特點，使用的范圍越來越廣。觀光車作為適應這一市場需求的特殊車輛產品，已經以非常快的速度出現在風景區，步行街，休閑度假村，大學校園，療養院，游樂場，體育場館包括市容監察車等場合。

為了滿足某純電動觀光車的整車基本參數和性能指標要求，對動力系統的核心部件進行了計算匹配，以滿足其動力性要求。

1 市場現有車型動力性比較分析

電動觀光車的價格都比較便宜，普遍價格在4萬左右。經過市場調研，對車型數據進行整理，從表1可以了解到一般相似車型動力參數，電機的額定功率一般都在3～5 kW，續駛里程一般都在100 km以下，最大爬坡度都在20%～25%之間，最高車速一般也都在20～40 km/h之間。

表1 不同車型性能參數比較分析

2 基本參數和性能指標

2.1 整車基本參數

采用的純電動汽車的動力系統主要為包括動力電池、驅動電機、減速器、差速器等。純電動觀光車的整車參數如表2所列。

表2 電動觀光車基本參數

(1) 旋轉質量換算系數，因為沒有重量大飛輪和變速箱，其它旋轉部件可忽略，所以質量換算系數約等于1。

(2) 迎風面積，是指汽車主視面的投影面積，根據經驗公式有：

A=前輪距×整車迎風高度=1.55

(3) 滾動阻力系數和輪胎氣壓和車速有關。輪胎氣壓越低，阻力系數越大，車速越高，阻力系數也越大。根據經驗公式有：

f=0.007 6+0.000 056×車速=0.009

2.2 預期性能指標

本車型主要應用在各大高爾夫球場，高爾夫球洞因地形變化而出現不等的距離，根據對幾款相近車型的比較分析，以及景區對車速的要求，確定車輛性能指標如表3所示。

表3 電動觀光車的性能指標

3 動力系統參數匹配

3.1 車輛動力方程分析

電動車驅動電機動力性能匹配至關重要，驅動電機的性能參數比較多，對電機額定功率、峰值功率、額定扭矩、峰值扭矩重要參數進行了匹配計算：

(1) 電機額定功率(Pn)

以最高車速確定驅動電機的額定功率：

(1)

根據公式(1)，代入表1的車輛性能參數，最終求得：

Pn≥1 kW

其中：Pn為電機的額定功率，kW；η為傳動系的效率；M為車的滿載質量，kg；f為滾動摩擦系數；CD為風阻系數；A為車的迎風面積，m2；Vmax為車輛的最高速度，km/h。

(2) 峰值功率：

① 車輛以10 km/h的車速勻速爬最大坡度時計算峰值功率：

(2)

根據公式(2)，求得:

Pmax≥6.16 kW

其中imax代表最大爬坡度,其余各式與式(1)相同。

② 車輛以5 km/h的車速勻速爬最大坡度時計算峰值功率。

(3)

根據公式，求得Pmax≥3.08 kW。

綜合成本及電機工藝的原因，把電動車最大爬坡速度定為5 km/h，則：

Pmax≥3.08 kW

③ 額定轉矩

根據車輛在水平路面上行駛最高車速來確定額定轉矩

(4)

式中：r代表車輪的滾動半徑，其余符號與上式相同。

根據公式(4)，求得:

Tn≥23.5 N·m

④ 峰值轉矩

車輛以5 km/h的車速勻速爬最大坡度時：

(5)

根據公式(5)，求得:

Tmax≥505 N·m

3.2 驅動電機的選型

轉速分類如表4所列。

表4 永磁同步電動機轉速分類 /(r/min)

由表5可知，同時考慮到制造工藝比較復雜，軸承的承載能力，中速電和高速電機的成本比較高。對于電動觀光車而言，由于車輛的成本比比較低，也不需要太高的車速需求，所以更適合使用低速電機。綜合分析，最終選擇低速永磁同步電機。

表5 電機參數

車輛行駛的常規車速來確定電機的額定轉速：

(6)

式中：i為減速器傳動比；r為車輪半徑。

代入數據計算可得:nn≥2 969 r/min

車輛行駛的最高車速來確定電機的峰值轉速：

(7)

代入數據計算可得nmax≥5 195 r/min

最終選定額定轉速3 000 r/min，峰值轉速6 000 r/min的低速電機。

綜上所述，最終選型為某電機有限公司生產的低速永磁同步電機。電機的具體參數如表6所列。

表6 市場常見兩座觀光車減速比

3.3 減速器速比的確定

在驅動系統中，裝置減速器以實現減速增扭，符合電動汽車行駛速度和驅動力的要求，電動機最 高轉速于額定轉速之間滿足最大轉速與額定轉速之比大于2.5，因車速變化范圍不大，同時考慮整車重量和空間，采用固定傳動比減速器。

依據電動汽車運行達到最大車速來確定最小傳動比，依據爬坡度來確定最大傳動比。

(8)

(9)

式中：imin為最小傳動比；nmax為電機最大轉速；imax為最大傳動比；fmax為最大行駛阻力；Tmax為電機輸出最大扭矩。

最終確定傳動比在12≤i≤15之間。

通過一些市場調研及文獻整理統計，同時對比了市場上相近的電動觀光車A、B、C車型減速比，如表4。本車型各項數據和A電動車很相似，并參照減速器公司產品報價及參數，所以將電動車的減速比取值12.76。

3.4 車用電池的匹配

在匹配的動力電池的時候，不僅需要根據性能要求計算所需電池的數量和放電容量，對電池的各項性能的選擇和評估也很重要。此車型選用的鉛酸電池作為動力電池。

(1) 匹配電動觀光車的電壓等級

電動汽車常用電壓等級如表7所列。

表7 電動汽車常用電壓等級 /V

在輸出功率相同的情況下，輸出的電流越小，電器元件使用的電流就越小，連接更方便，而且線路損耗更小，但是較高的電壓等級對控制器的要求也很高，成本也越高，反之則相反。由表可知，常用的電動觀光車的電壓的等級分為60，72，120，考慮到線路損耗和成本問題，本車型采用72 V的電壓等級。

(2) 匹配單體電池個數

本車型的電壓等級為72 V，選用的電池為鉛酸電池，鉛酸電池的單體標準電壓為2 V，則需要單體電池個數為36個。則本車型采用36個鉛酸電池單體串聯的方式組成電池組。

(3) 計算電池額定容量

根據本車型20 km/h等速行駛80 km的要求來計算電池額定容量。以20 km/h勻速行駛時的阻力功率為：

(10)

計算可得PV=0.44 kW

勻速行駛80 km電機控制器所需輸出的電能為：

(11)

式中：ηm為電池和控制器的總效率，取0.8。

計算可得：W=2.37 kW·h

動力電池額定容量計算式為：

(12)

式中：ξ為鉛酸電池的放電深度取80%；ηb表示蓄電池的放電效率，取0.9。

計算可得C≥45.72 A·h

綜合以上分析，考慮到車上的其他用電設備，本車型采用某電源設備有限公司生產的電池，額定容量為50 A·h。電池箱采用36個單體電池串聯而成，單體質量3 kg。

4 動力參數的驗算

(1) 最高車速的驗證

(13)

代入公式計算，可得Vmax=40.3 km/h，符合要求。

(2) 爬坡性能驗證

(14)

(15)

(16)

(17)

爬坡速度定為5 km/h，計算可得i=0.33，符合要求。

(3)續航里程驗算：

(18)

計算可得，S=130 km，符合要求。

電動汽車動力指標值為最高車速40.3 km/h，爬坡度33%，續航里程130 km。

5 總 結

以汽車動力學方程為基礎，結合供應商技術工藝條件等，對電動車動力系統的指標進行了匹配計算，最終確定了電機、減速器參數及動力電池參數。結果顯示動力系統匹配各項指標均滿足要求。

最高車速達到40.3 km/h，滿足了最高車速35 km/h的技術指標；爬坡度達到33%，滿足了爬坡度30%的技術指標；續航里程達到130 km，滿足了80 km的技術指標；上述電動車動力性及經濟性均滿足設計要求，其對純電動汽車的后續開發具有重要的指導意義。