2007 李征 北航 电动汽车驱动电机选配方法

摘要介绍了电动汽车用电机的基本性能，并从汽车行驶动力学出发建立了纯电动汽车用电动机性能参数的数学模型，探讨总结了对电机基本特性参数的初步确定原则。

然后以目前所要开发的一辆纯电动汽车的基本参数及目标性能要求为例，按以上原则确定出电机参数并绘制符合要求的电机性能曲线，为电机的快速选择和后续车辆动力传动系统匹配优化提供了依据。

关键词纯电动汽车电动机性能参数原则ＭｅｔｈｏｄｓｏｆＣｈｏｏｓｉｎｇａｎｄＭａｔｃｈｉｎｇＤｒｉｖｉｎｇＭｏｔｏｒＵｓｅｄｏｎＥｌｅｃｔｒｉｃＶｅｈｉｃｌｅＡｂｓｔｒａｃｔ：ＭａｉｎｆｕｎｃｔｉｏｎｓｏｆｍｏｔｏｒｕｓｅｄｏｎＥＶｓａｒｅｐｒｅｓｅｎｔｅｄｈｅｒｅ，ａｎｄｆｒｏｍｖｅｈｉｃｌｅｄｙｎａｍｉｃｓ，ｍａｔｈｅｍａｔｉｃｍｏｄｅｌｓｏｆｍｏｔｏｒｓ’ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｐａｒａｍｅｔｅｒｓａｒｅｂｕｉｌｔ．Ｉｔｃｏｎｃｌｕｄｅｓｔｈｅｍａｉｎｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓｕｓｅｄｔｏｍａｋｅｃｅｒｔａｉｎｍｏｔｏｒ’ｓｂａｓｉｃｐａｒａｍｅｔｅｒｓ．ＴｈｅｌａｓｔｐａｒｔｇｉｖｅｓａｎｅｘａｍｐｌｅｗｈｉｃｈｉｓｔｏｃａｃｕｌａｔｅｔｈｅｂａｓｉｃｍｏｔｏｒｐａｒａｍｅｔｅｒｓｕｓｉｎｇａｂｏｖｅｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏａｎＥＶ’ｓｂａｓｉｃｄａｔａａｎｄｏｂｊｅｃｔｉｖｅｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔ，ａｎｄｐｌｏｔａｐｐｒｏｐｒｉａｔｅｍｏｔｏｒｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｃｕｒｖｅｓｒｏｕｇｈｌｙ．Ｔｈｉｓｐｒｏｖｉｄｅｓａｂａｓｉｓｆｏｒｃｈｏｏｓｉｎｇｔｈｅｍｏｔｏｒｆｌｅｅｔｌｙａｎｄｔｈｅｒｅａｒｄｅｓｉｇｎｏｆｖｅｈｉｃｌｅｐｏｗｅｒｔｒａｉｎ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＥｌｅｃｔｒｉｃｖｅｈｉｃｌｅＭｏｔｏｒＰｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｐａｒａｍｅｔｅｒｓＰｒｉｎｃｉｐｌｅ电动汽车驱动电机选配方法李征１周荣２（１．北京航空航天大学；２．天津清源电动车辆有限公司）引言２０世纪７０年代的石油能源危机、８０年代人们对环境保护的日益关注，促使了电动汽车科研工作的复苏。

以美国和日本等发达国家为首，许多国家都投巨资用于电动汽车的研发，尤其日本的Ｐｒｉｕｓ及ｎｓｉｇｈｔ等在全球的成功上市销售，更是在全世界引起了新一轮的电动汽车的开发热潮。

电动汽车正在以其清洁、高效和可持续的概念吸引着越来越多的人。

电驱动系统是电动汽车的心脏，从功能角度看，它可以分为电气和机械２大部分，其详细结构分类如图１所示，系统中机械传动机构是可选的。

电气和机械系统的边界形成电动机的气隙，用来完成电动机能量的转化［１］。

电动机是纯电动车辆唯一动力元件，它与能量源之间的能量流动是通过功率转化器进行调节的。

电机自身的性能将直接影响电动汽车的最高车速、加速性能及爬坡性能等，所以在开发整车之前初步确定电机类型及其参数进而对电机进行选择是至关重要的。

图１电驱动系统组成示意图１电动汽车用电动机性能要求电动车用驱动电机通常要求能够频繁启动／停车、加速／减速，低速和爬坡时要求高转矩，高速行驶时要求低转矩，并要求变速范围大。

其主要参数包括：电动机类型、额定电压、机械特性、效率、尺寸参数、可靠性和成本等。

另外为电动机所配置的电子控制系统和驱动系统也会影响驱动电动机的性能。

１）高电压。

在允许范围内尽量采用高电压，可减小电动机的尺寸和导线等装备的尺寸，特别是可降低逆变器的尺寸。

２）高转速。

高转速电动机体积小、质量轻，有利于降低电动汽车的整车整备质量。

３）质量轻。

电动机采用铝合金外壳，以降低电动机质量、各种控制器装备的质量和冷却系统的质量等也要求尽可能轻。

４）较大的起动转矩和较大范围的调速性能。

这样使电动汽车有良好的启动性能和加速性能。

电动机有自动调速功能，因此可以减轻驾驶员的操纵强度，提高驾驶的舒适性，并且能达到与内燃机汽车加速踏板同样的控制响应。

５）效率高、损耗少，并具有制动能量回收功能。

电动汽车应具有最优化的能量利用，以在车载总能量不变的情况下最大限度的增加续驶里程，再生制动回收的能量一般可达到总能量的１０％～２０％，这是在内燃机汽车上不能实现的。

６）必须有高压保护设备。

７）可靠性好、耐温耐潮性能强及运行时噪声低。

８）结构简单、维修方便及价格便宜。

２纯电动汽车用电动机性能参数初步确定原则设计内燃机为动力的汽车时，一般先根据汽车预期的最高车速来初步选择内燃机的功率。

作为纯电动汽车的动力源———电机，其速度－扭矩特性与内燃机的截然不同，同时电机又有过载和“堵转”特性，所以合理选择电机的功率和传动比，将对纯电动汽车的动力性及整车续驶里程产生重大影响。

下面是确定电机重要基本参数的数学模型。

２．１以最高车速确定电机额定功率ＰＮ＝１３６００ηＴ·ｍ·ｇ·ｆ＋Ｃｄ·Ａ·Ｕ２ｍａｘ２１．１５!"·Ｕｍａｘ（１）式中：ＰＮ———电机额定功率，ｋＷ；ηＴ———传动系效率；ｍ———最大车重，ｋｇ；ｆ———滚动摩擦系数；Ｃｄ———风阻系数；Ａ———车辆迎风面积，ｍ２；Ｕｍａｘ———最高车速，ｋｍ／ｈ。

２．２以常规车速确定电机额定转速ｎＮ＝ｉｇ·ｉ０·ｕＮ０．３７７·ｒ（２）式中：ｎＮ———电机额定转速，ｒ／ｍｉｎ；ｉｇ———传动比；ｉ０———主减速比；ｕＮ———常规车速，ｋｍ／ｈ；ｒ———滚动车轮半径，ｍ。

２．３以额定功率／转速确定电机额定转矩ＭＮ＝９５５４·ＰＮｎＮ（３）式中：ＭＮ———额定转矩，Ｎ·ｍ。

２．４以最大爬坡度确定其短时工作线低速转矩假定以匀速爬坡，车辆所受阻力项中没有加速阻力，则所需电机驱动力为：Ｆｔ＝Ｆｆ＋Ｆｗ＋Ｆｉ（４）式中：Ｆｔ———电动汽车驱动力，此时也即为车辆所受的阻力；Ｆｆ———电动汽车行驶时的滚动阻力，Ｆｆ＝ｍ·ｇ·ｆ·ｃｏｓα（α为坡道角度值）；Ｆｗ———电动汽车行驶时的空气阻力，Ｆｗ＝Ｃｄ·Ａ·ｕ２２１．１５；Ｆｉ———电动汽车行驶时的坡道阻力，Ｆｉ＝ｍ·ｇ·ｓｉｎα。

再根据车辆驱动力与电机输出轴转矩关系式，便可得出所需转矩：Ｍ＝Ｆｔ·ｒｉｇ·ｉ０·ηｒ（５）电动机性能必须分为连续工作性能和短时工作性能，其连续工作特性曲线由电机的额定值来确定，短时工作特性曲线是电机过载一定倍数之后的转矩功率特性曲线。

由公式（１）～（５）计算后所得的参数便可满足以下基本原则：１）用电机的额定工况计算电动汽车的最高车速；２）用电机的短时工作性能曲线计算车辆的最大爬坡度；３）电动汽车的常规车速应落在电机的基频上；图２电机扭矩特性示意图４）电动汽车最高车速功率平衡点应落在电机连续工作性能曲线的等功率段上。

３计算实例下面以目前正在开发的一辆纯电动汽车为例，根据它的基本参数和目标性能要求（见表１～表４），以上面所述计算原则为基础，可初步绘出所需电机的特性曲线，并以此为参考选择电机。

满足要求的电机特性曲线如图２所示。

说明：可以图２为参考选择电动机。

图２中要着重控制电机的连续工作特性曲线，对短时工作曲线要控制电机在６２２ｒ／ｍｉｎ转速时扭矩Ｔ要达到１００Ｎ·ｍ。

４结论电机驱动系统是纯电动汽车的核心组成部分，所以对电动机的选型就显得非常重要。

由于电机的低速恒扭矩高速恒功率的特性，以及一般电机在基速、低转矩范围内效率和功率因数比较高，故常把车辆的常规车速放在基速上，把最高车速放在等功率线上。

可根据本文所介绍方法计算出电机的性能参数，绘出车用电机所应具有的特性曲线图，可用于生产电机或初步快速选定电机，然后根据所选电机实际性能，确定出车辆实际的最高车速、最大爬坡度及加速性能等。

本文的计算实例采用了固定速比的传动系统，这是对传动系统的一种简化形式，在实际应用中要综合考虑变速箱所能承受的最大扭矩以及所允许的最大转速等；另外，虽然通常来说高转速电机效率较高，综合性能也较好，但高转速会带来电机控制系统实现的难度，因此这对矛盾也是需要统筹考虑的。

参考文献１陈清泉，孙逢春，祝嘉光．现代电动汽车技术．北京：北京理工大学出版社，２００４２姬芬竹，高峰，周荣．电动汽车传动系统参数设计和续驶里程研究．辽宁工程技术大学学报，２００６，（２５）３３刘清虎，郭孔辉．动力参数的选择对纯电动汽车性能的影响．湖南大学学报，２００３，（３０）３（收稿日期：２００７－０３－０４）ｎ／（ｒ／ｍｉｎ）Ｔ／（Ｎ·ｍ）Ｘ：２５００Ｙ：２７表２目标性能参数表３计算结果（假设以３档速比１．３３３为固定速比）表４由上面计算数据可初步确定电机基本参数表１整车基本参数参数ｍＡＣｄｒｉｇｉ０ηＴ名称整车整备质量（ｋｇ）最大总质量（ｋｇ）迎风面积（ｍ２）风阻系数轮胎半径（ｍｍ）单档变速器减速比主减速比传动系效率类型及数值６５０８００２．１（轿车１．７～２．１）０．３５（轿车０．３～０．４１）负荷下静半径２３２，滚动半径２４７Ｉｇ１＝３．５８５，Ｉｇ２＝２．１６６Ｉｇ３＝１．３３３，Ｉｇ４＝０．８６４倒档速比：３．３６３（可选用固定速比变速器）主减速比４．３５０．９（轿车０．９～０．９２）最高车速（ｋｍ／ｈ）最大爬坡度（％）７０２５最高车速（７０ｋｍ／ｈ）常规车速（４０ｋｍ／ｈ）最大爬坡度（２５％）（恒速１０ｋｍ／ｈ）电动机转速（ｒ／ｍｉｎ）４３５９２４９０６２２电动机功率（ｋＷ）７．０６２．６０６．３２电动机扭矩（Ｎｍ）１５．５０１０．００９７．１４额定转速／最高转速（ｒ／ｍｉｎ）２５００／６２５０额定转矩／最高转矩（Ｎ·ｍ）２７／１００额定功率／最高功率（ｋＷ）７／１５以热爱祖国为荣、以危害祖国为耻；以服务人民为荣、以背离人民为耻；以崇尚科学为荣、以愚昧无知为耻；以辛勤劳动为荣、以好逸恶劳为耻；以团结互助为荣、以损人利己为耻；以诚实守信为荣、以见利忘义为耻；以遵纪守法为荣、以违法乱纪为耻；以艰苦奋斗为荣、以骄奢淫逸为耻。

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