电动汽车电机与传动系统参数匹配方法的研究_胡明辉

前言
电机作为纯电动汽车的唯一动力源， 其性能参 数对整车的动力性和经济性有很大影响， 因此对电 机与传动系统的合理匹配具有非常重要的意义 。 对 1］ 2］ 于电机峰值功率的选择， 文献［ 和文献［ 中提出 采用汽车动力性所要求的最大功率为电机的峰值功 3］中提出根据电机的额定功率乘以过载 率； 文献［ 系数来确定电机的峰值功率， 这些方法都没有考虑 电机额定转速和传动系统对峰值功率、 峰值转矩的 影响， 导致选择的峰值功率过大， 造成能源的浪费。
的车速 u e （ 用传动系统最大传动比计算 ） ， 假设汽车 从 0 到 u t 的加速时间要求为不大于 t， 某时刻的车速 为 u， 则 t = 1 δm du 3. 6 0 F t － （ F f + F w ）
u t
∫
（ 3）
F f = mgfcosα； F i 为爬坡阻力， 式中： F f 为滚动阻力， F i = mgsinα； F w 为气动阻力， Fw =
2
其中， 驱动力 F t 为 3 600 P max η t ， ue Ft = P η 3 600 max t ， u
u ≤u e （ 4） u ＞ ue
； m 为整车
由式（ 3 ） 和式（ 4 ） 可知， 电机的峰值功率和电机 额定转速对应的车速对加速时间 t 都有直接影响， 仅凭加速时间确定电机的峰值功率是不合理的 。 2. 1. 2 电动汽车高速加速功率需求分析 电动汽车高速加速过程对电机功率的需求一般 比低速加速需求功率大。 假设汽车从 u1 到 u2 的加 速时间要求不大于 t， 某时刻的车速为 u （ u1 ≤ u ≤ u2 ） ， 则有 1 δm t = du 3. 6 u1 F t － （ F f + F w ）
时间减小缓慢， 此时功率的增大对降低加速时间没 有多大意义。 2. 2 2. 2. 1 电动汽车爬坡性能分析 电动汽车爬长坡性能分析
汽车能够连续爬长坡的能力也是衡量汽车动力 性的重要指标。 根据《汽车工程手册 · 试验篇 》 对
［10 ］ 汽车爬长坡的定义 ， 为满足汽车连续长时间爬长 要求电机工作在额定工况附近； 同时 坡行驶的需求，
且可同时满足几乎包含了所有等速行驶工况的需求 功率和小坡度上行驶车速的功率需求 。
1
电机额定功率的选择
电机的额定工况是可长时间连续高效运行的电
2
电机峰值功率的选择
机工作状态， 因此可根据整车的长时间等速运行工 况确定电机的额定功率。由于低速和高速的电动汽 车有不同的性能指标要求和运行工况， 所以电机的 额定功率应该采用不同的选择方法 。 1. 1 低速电动汽车额定功率选择方法 低速电动汽车的运行车速一般较低， 并且长时 间运行在巡航车速下， 应当在巡航车速下使电机运 行在高效率区， 以提高整车的经济性， 减少耗电量， 因此把巡航车速下的需求功率作为电机的额定功 考虑到实际车辆低速运行时纵向坡度对 率。另外， 需求功率的影响较大， 应加一定的坡度对需求功率 ［7 － 8 ］ 中 进行修正。根据我国相关公路工程技术标准 对道路纵向坡度的要求， 可取适量的道路坡度 i 进 行额定功率计算。电机的额定功率 P e 为 Pe = （ Ff + Fi + Fw ） u 3 600 η C D Au2 21. 15 （ 1）
整车的加速工况和最大爬坡工况属于短时工作 状况； 电机的峰值功率作为电机工作外特性的一个重 要参数， 决定这种短时工况的工作性能。峰值功率选 择过低， 不能满足汽车的动力性要求； 选择过高会导 致后备功率过大， 经济性下降。故应做出合理选择。 2. 1 电动汽车加速性能分析 2. 1. 1 电动汽车低速加速功率需求分析 设电机的峰值功率为 P max ， 电机额定转速对应
∫
（ 5）
一般而言 u1 ＞ u e ， 所以驱动力 F t 不必像低速加 速过程进行分段讨论， 则 Ft 为 F t = 3 600 P max η t u （ 6）
Pe =
(
mgf +
C D Au m 2
21. 15 车 50 － 100km / h 加速的过程， 根 据式（ 5 ） 和式 （ 6 ） 可以得到加速时间随电机峰值功 率变化的情况， 如图 1 所示。 由图可见： 加速时间随电机峰值功率的增大而 缩短； 峰值功率较小时， 再减小峰值功率， 加速时间 增加很快； 峰值功率较大时， 再增加峰值功率， 加速
图1 某电动车 50 － 100km / h 加速时 间随电机峰值功率变化情况
假设最大爬坡度 i = i _max ， 爬坡车速为 u = u e ， 类 似式（ 8 ） 和式（ 9 ） 的推导过程， 则最大爬坡过程需求 功率与车速的关系为 （ Ff + Fi + Fw ） ue P max = （ 10 ） 3 600 η 式（ 10 ） 表示最大爬坡度上， 需求功率随电机额 定转速对应车速的变化情况。 从式 （ 8 ） 和式 （ 9 ） 的 分析过程可知， 能满足式 （ 10 ） 的功率需求， 也可以 满足爬坡时对转矩的需求。 2. 3 电机峰值功率的选择 从以上对电动汽车低速加速和最大爬坡过程的 影响上述电动汽车动力性的主要因素是 分析可知， 电机的峰值功率和电机额定转速对应的车速 。 因此 把上述分析过程表述在同一图中， 以上述车型为例， 以方便进一步分析和确定电机的峰值功率与电机额 定转速对应的车速， 如图 2 所示。
可保证整车高效率运行。因此， 对应的行驶车速 （ 用 传动系统最大传动比计算 ） 应包含电机额定转速对 P = （ 0. 8 ～ 1. 1 ） P e ， 应的车速。取道路坡度 i = 8% ， 于是有 2 880 P e η = （ F f + F i + F w ） u a
2013 年（ 第 35 卷） 第 12 期
汽 车 工 程 Automotive Engineering
2013 （ Vol． 35 ） No． 12
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电动汽车电机与传动系统参数匹配方法的研究
胡明辉， 谢红军， 秦大同
（ 重庆大学， 机械传动国家重点实验室， 重庆 400044 ）
*
［ 摘要］ 以整车动力性和经济性为目标 ， 提出了电动汽车电机与传动系统参数的匹配方法 。 根据电动汽车常 给出了电机额定功率的选择方法。分析了电机峰值功率和额定转速的对应车速对整车的 规车速对电机功率的需求 ， 加速和爬坡性能的影响， 提出了电机峰值功率和额定转速对应车速的选择方法。综合分析了电机比功率、 恒功率扩大 系数和传动系统传动比范围的耦合关系， 进而得到恒功率扩大系数、 挡位数和传动比范围的确定原则和具体步骤。
um （ 2）
这样， 不仅可以保证汽车高速行驶时的经济性 ，
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汽
车
工
程
2013 年（ 第 35 卷） 第 12 期
于是， 有 T max N e Ft ue P max = = 9 549 3 600 η
（ 9）
式（ 9 ） 表示整车以最低车速爬最大坡度时， 能 满足最大需求转矩的峰值功率随电机额定转速对应 车速的变化情况。这一分析过程避免了传动系统传 把爬坡过程对转矩 动比的变化对需求转矩的影响， 的需求转化为对功率的需求， 有利于对电机峰值功 率的分析。
原稿收到日期为 2011 年 9 月 26 日， 修改稿收到日期为 2012 年 4 月 13 日。
2013 （ Vol． 35 ） No． 12
胡明辉， 等： 电动汽车电机与传动系统参数匹配方法的研究
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车耗电量最低、 经济性最佳为目标， 对纯电动汽车的 电机及其传动系统参数进行匹配 。
u 2
kg； g 为重力加速度， m / s ； f 为滚动阻力系 的质量， （ ° ） ； C D 为风阻系数； 数； α = arctani， 为纵向坡度角， A 为汽车迎风面积， m2 ； u 为巡航车速， km / h。 如此选择的电机额定功率可同时满足低速电动 汽车在一定坡度上对功率的需求和较高车速水平等 速行驶的功率需求。 1. 2 高速电动汽车额定功率选择方法 高速电动汽车应当保证高速运行时整车有良好 的经济性。考虑到电机有一定的过载能力， 并且在 （ 0. 8 ～ 1. 1 ） P e 功率范围内电机的效率都比较高［9］， 故用最高车速的 90% 水平行驶时的需求功率作为 额定功率， 这样可使电机额定功率不至于太大 ， 并能 满足汽车大部分匀速行驶工况对功率的需求 。 设 u m = 0. 9 u max ， 则
关键词： 电动汽车； 参数匹配； 动力性； 经济性
A Study on the Parameter Matching Between the Motor and Transmission System of an Electric Vehicle
Hu Minghui，Xie Hongjun ＆ Qin Datong
* 重庆市自然科学基金（ CSCTjjA60001 ） 资助。
车速对应的功率作为额定功率
［4 － 5 ］
， 这虽然包含了
所有匀速行驶工况所需的功率， 但没有考虑电机有 一定的过载能力， 造成后备功率过大和成本增加。 6］中提出采用常规车 对于额定转速的选择， 文献［ 速确定电机的额定转速， 但考虑到传动系统的传动 比与额定转速有很强的耦合性， 所以这样选择并不 合理。 本文中以整车动力性要求为约束条件， 分析了 电机性能参数对整车加速和爬坡性能的影响规律， 分析了电机额定转速 / 最高转速与传动系统挡位数、 传动比范围的耦合关系； 且结合标准循环工况， 以整
Chongqing University，State Key Laboratory of Mechanical Transmission，Chongqing 400044
［ Abstract］ With the power performance and fuel economy of vehicle as objectives，a scheme of parameters matching between motor and transmission system in an electric vehicle is proposed． A selection method of motor rated power is given according to the required power at normal speed． Through the analysis on the influence of the motor peak power and the vehicle speed corresponding to motor rated speed on the acceleration and grade climbing performances of vehicle，a way of choosing motor peak power and vehicle speed corresponding to the motor rated speed is put forward． The coupling relation among motor's specific power，constant power expansion coefficient and transmission ratio range is comprehensively analyzed，and hence the principle and specific procedure for determining the constant power expansion coefficient，the number of speeds and the transmission ratio range are obtained． Keywords： electric vehicle； parameter matching； power performance； economy efficiency 对于电机额定功率的选择， 有相关文献提出以最高