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純電動重型電驅動系統(tǒng)匹配設計
2020-05-18 23:41:52· 來源：北京特種車輛研究所 作者：袁磊
1 引言當前，國內對純電動汽車的研究主要集中以乘用車為主，對重型純電動卡車的研究較少。本文以車輛主要性能參數(shù)的要求為基本依據(jù)，研究純電動重型卡車的結構型
1 引言
當前，國內對純電動汽車的研究主要集中以乘用車為主，對重型純電動卡車的研究較少。本文以車輛主要性能參數(shù)的要求為基本依據(jù)，研究純電動重型卡車的結構型式，動力電池、驅動電機和減速機構的選型和匹配方法，以為純電動重型卡車的方案設計提供支撐。
2 純電動重型卡車結構和動力性指標
純電動汽車采用動力蓄電池作為動力源，電動機作為驅動裝置，并配有減速機構，其結構型式可根據(jù)驅動電機的布置方案分為集中式驅動或分布式驅動兩種。集中式驅動主要是將內燃機替換為動力電池和一臺驅動電機，并進一步將傳統(tǒng)車輛的減速器、差速器與驅動電機進行集成化設計，而形成集中式車橋式驅動系統(tǒng)方案；分布式驅動采用驅動電機直接驅動車輪，驅動輪之間也沒有差速器，簡化了車輛結構但提高了控制系統(tǒng)的復雜程度。
為簡化車輛結構，提高空間利用率，某四軸純電動重型卡車采用分布式輪轂電機驅動式結構，整車主要結構參數(shù)如表1所示。
車輛的機動性指標要求為：最大車速vmax為120 km/h；最大爬坡度為30°；0～30 km/h加速時間t為5 s；以70 km/h在城市道路上行駛的續(xù)航里程s不小于100 km。
表1 整車主要結構參數(shù)
3 純電動重型卡車驅動力與行駛阻力
汽車性能通常根據(jù)汽車牽引力與車速之間的關系得出，通常假設其最大牽引力受制于動力裝置的最大轉矩，而不受制于路面的附著力。車輛最大車速取決于牽引力與阻力之間的關系，或者最大轉速與傳動比之間的平衡。設動力傳動系統(tǒng)輸出總轉矩為Tt，總驅動力為Ft，總驅動功率為pt，等效車輪轉速為nt、半徑為rd。
輸出總轉矩可表示為：
汽車車速可表示為：
重型電動卡車行駛阻力包括滾動阻力Ff、空氣阻力 Fw，坡度阻力 Fi和加速阻力 Fj。
式中，α-汽車爬坡度，ρ-空氣密度，C-車身空氣阻力系數(shù)，v-汽車行駛速度，δ-轉動慣量系數(shù)。
4 純電動重型卡車驅動電機參數(shù)匹配設計
對驅動電機選型要求主要有：
（1）啟動轉矩大和較大調速范圍，以滿足汽車啟動、加速、行駛、減速、制動等需求；
（2）是高效率、低損耗，電機效率不低于90%；
（3）高電壓、高可靠、小質量。
從調速范圍和啟動轉矩來看，開關磁阻電機和感應電機較好，但從電機效率和電機質量等來看，永磁電機和異步電機相對較好。綜合考慮驅動電機性能要求，選擇永磁輪轂電機，并將電機、減速裝置等進行集成化設計。純電動重型卡車的驅動電機參數(shù)通常包括額定功率、最大扭矩、調速范圍等，其必須滿足所有性能要求。通常選擇永磁同步電機[3-4]。
4.1 驅動電機的額定功率和峰值功率匹配設計
當車輛以最高車速行駛時，設汽車功率為p1，等效總效率為ηt。
當車輛以最大爬坡度行駛時，設爬坡速度為vs，汽車功率為p2。
由式（5）計算得，汽車功率需求值約為410 kW。由式（6）可得，汽車以不同車速爬坡下的功率需求如圖1所示。
圖1 不同車速下電動卡車的爬坡功率需求
若取汽車爬坡車速為15 km/h，則可初步以480 kW為汽車的總額定功率。
4.2 驅動電機額定轉速和轉矩確定
汽車驅動電機減速比不同時，單個車輪的輪轂電機額定轉速曲線如圖2所示。
圖2 不同電機減速比下驅動電機的額定轉速
綜上，根據(jù)電機功率需求，電機額定功率初步選為60 kW，考慮電機與減速裝置的合理匹配以及電機類型，選擇額定轉速6 000 r/min。
5 純電動重型卡車傳動系速比匹配設計
5.1 傳動系速比參數(shù)設計
純電動重型卡車在驅動狀態(tài)下，汽車的最大驅動力必須不超過地面對汽車輪胎的附著力，設ρ為地面附著系數(shù)，F(xiàn)z為汽車垂向受力，確定傳動系速比上限：
取地面附著系數(shù)為0.8，不同輪轂電機最大驅動需求轉矩下，傳動系傳動比上限變化如圖3所示。
圖3 不同驅動電機轉矩下傳動比變化上限
純電動重型卡車以最大爬坡度行駛時，設汽車車速為15 km/h，不同輪轂電機最大驅動轉矩需求下，傳動系傳動比變化如圖4所示。
圖4 不同驅動電機轉矩下傳動比變化下限
根據(jù)重型電動卡車傳動比范圍，可初步取固定速比為7.5。
5.2 傳動系速比參數(shù)驗證
當車輛以最高車速行駛時，由式（4）可得驅動電機轉速為：4 123 r/min，帶入式（2）可得8個車輪總驅動轉矩為：1 112 N·m。由式（4）可得電機所需提供的總驅動力為1 628 N、總驅動力矩為942 N·m，設計的驅動電機能夠滿足最高行駛車速行駛要求。
當車輛以最大爬坡度行駛時，車輛最低轉速為3 km/h，則由式（4）可得驅動電機轉速為103 r/min，帶入式（2）可得8個車輪總驅動轉矩為44 472 N·m。由式（4）可得車輪所需的總驅動力為30 203 N，總驅動轉矩為17 488 N·m，設計的驅動電機能夠滿足最大爬坡度要求。
6 純電動重型卡車動力電池匹配設計
動力電池選型是電動卡車設計的關鍵，它儲存的電能、質量和體積，對電動汽車的性能起決定性作用。
6.1 動力電池數(shù)量
動力電池的數(shù)量主要是考慮最大輸出功率和汽車續(xù)航里程，單體電池選擇6-DG-120A型電池，該電池電壓為12 V、額定容量為120 A·h，質量為33 kg。
（1）以最大功率需求選擇電池數(shù)量。選擇單體電池最大輸出功率Pbmax=2.8 kW，設計電機工作效率ηe和電機控制器ηec工作效率分別為0.9和0.95，根據(jù)汽車最大功率Pmax，可計算蓄電池數(shù)量為：
計算得到np不小于171節(jié)。
（2）以最大續(xù)航里程需求選擇電池數(shù)量。設電池總能量為Wall，單體電池能量為We，汽車以速度v行駛s時消耗的能量可表示為：
蓄電池SOC在0.3～0.8之間時，放電深度最多為80%，其約束條件如下：
因此，動力電池數(shù)量為（圖5）：
圖5 不同平均行駛車速下電池節(jié)數(shù)（續(xù)航里程100 km）
圖6 不同續(xù)航里程下電池節(jié)數(shù)（車速為70 km/h）
若取平均行駛車速為70 km/h，則續(xù)航里程為100 km時的電池節(jié)數(shù)約為230節(jié)（圖6）。動力電池越多，汽車質量越大，為保證汽車行駛性能，選擇電池節(jié)數(shù)為230節(jié)。
6.2 電池組電壓
電池組電壓等級電壓選用傳統(tǒng)336 V，采用28個單體電池串聯(lián)成為一組，一共9組并聯(lián)，最終動力電池共252塊。
7 結論
純電動卡車的匹配設計首先是根據(jù)最高車速和最大坡度速度需求，確定驅動電機的峰值功率；然后，根據(jù)車輛的最大爬坡度需求，確定車輛的轉矩需求；最后，根據(jù)驅動電機的轉矩、轉速匹配關系確定傳動系速比。
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