电动摩托车动力性能计算模型_张安祥

第21卷　第1期1999年2月
武　汉　汽　车　工　业　大　学　学　报
JO U RN A L O F W U HAN A U T O M O T IV E PO L Y T ECHN IC U N IV ER SIT Y
Vol.21No.1
Feb.1999　电动摩托车动力性能计算模型
张安祥
(汽车工程学院)
摘　要 为取得电动摩托车的蓄电池、电动机及整车之间的最佳动力匹配关系,按动力与整车的功能关系,分成蓄电池、电动机和整车3个部分,分别建立各自独立又相互联系的动力性能计算数学模型,以确定蓄电池、电动机的最佳工作参数和工作特性并可模拟整车动力性能。

关键词 电动摩托车;蓄电池;电动机
中图法分类号 U266.2
在世界各国日益高涨的开发污染小的摩托车的热潮中,电动摩托车的研究与应用最为深入和广泛。

与内燃机相比,电动摩托车的蓄电池及电动机的工作特性有很大的差异。

因此,需建立正确的理论计算模型,模拟其性能,以便在电动摩托车的初步设计中,合理设计与整车动力性能相匹配的蓄电池和电动机工作参数。

同时,也可以通过计算模型模拟整车的一次充电行驶距离、最高车速、最大爬坡度和加速度等性能,以利于改进和提高电动摩托车性能。

按动力与整车的功能关系,笔者将电动摩托车分成蓄电池、电动机和整车等3个子系统。

1　蓄电池系统特性
1.1　蓄电池性能指标
①质量能m d(W·h/kg),表示一次充电车能够行驶的距离。

②体积能l d(W·h/L),决定了蓄电池所占车内空间的大小。

③质量功率p d(W/kg),是整车最高车速和加速度的决定因素。

④充电次数(次),表示蓄电池的寿命。

⑤能量价格(元/W·h),表示电池成本。

1.2　蓄电池的工作参数
①蓄电池放电时的端电压U d
U d=U0-R i I d
式中,U0为蓄电池的开路电压;R i为蓄电池的内阻;I d为蓄电池的放电电流。

蓄电池的电压应与电动机的电压相匹配。

为保证车用电动机调速控制元器件带来的压降(ΔU),蓄电池的端电压应高于电动机的输入电压;否则,电动机的实际端电压降低,势必要增加电流,各项损耗随之增加,蓄电池的放电效率下降。

②蓄电池输出功率P d
稿件收到日期:1998-09-23.
张安祥,男,50岁,副教授,现从事内燃机方面的教学与研究工作.武汉,武汉汽车工业大学汽车工程学院(430070).
若忽略蓄电池内阻的变化,则蓄电池的输出功率为
P d=U d I d=(U0-R i I d)I d
③蓄电池放电时间t
按Peakert方程t=K I-n d
式中,K、n分别为与蓄电池型式有关的参数。

④蓄电池的放电效率Z d
Z d=(U d I d)/(U0I d)=U d/U0
=(U0-R i I d)/U0=1-(R i I d/U0)(1) 由式(1)可见,蓄电池的效率随放电电流的增大而减小。

因此,为提高蓄电池效率,应使电动机的工作电流尽可能小,即在保证安全的情况下,尽可能地提高电动机的额定电压。

1.3　蓄电池质量M d、体积L d及输出功率P d
一般而言,装备铅酸电池的电动摩托车质量较同级别燃油摩托车大40%左右,这主要是蓄电池的质量所至。

因此,蓄电池的能量密度是影响电动摩托车性能的最主要因素。

在初步设计中,通常是按电动摩托车克服行驶阻力所做的功来确定电池一次充电后应储备的能量及相应装备的蓄电池质量、体积。

整车以速度V行驶S公里所做的功
A c=F R S
式中,F R为行驶阻力。

行驶所消耗的功率P c=F R V
蓄电池应储备的能量A d=A c/Z z
式中,Z z为整车效率,Z z=Z i Z j Z m;Z i为电池及馈电线路效率;Z j为电动机效率;Z m为机械传动效率。

蓄电池质量
M d=A d/m d
蓄电池体积
L d=A d/l d
蓄电池输出功率
P d=M d p d
2　电动机系统特性
目前车用电动机有直流电动机、交流感应电动机、直流无刷电动机、磁阻电动机等多种类型。

其中,直流无刷电动机在摩托车上的应用呈发展的趋势。

直流无刷电动机的工作参数如下。

①电动机输出功率P j=F R V/Z m
式中,V为摩托车行驶速度。

②电动机额定转速n=60
2πi V r L
式中,i为电动机与车轮的速比;r L为车轮半径。

③电动机额定转矩T n=P j/n 41
第21卷第1期 张安祥:电动摩托车动力性能计算模型
④电动机额定电流I n =I max /N
式中,I max 为电动机允许的最大电流;N 为转矩过载倍数。

⑤电动机最大转矩
T max =T n N ⑥电动机效率
Z j =P j /(U j I n )
式中,U j 为电动机端电压。

图1摩托车动力传动方框图蓄电池控制器电动机传动系统车轮3　整车动力性能计算
电动摩托车动力传动方框图如图1所示。

3.1　摩托车行驶时的动态平衡方程
①驱动力平衡方程:
F t =F R 驱动力F t =P j Z m /V
驱动力F t 与电动机转矩T 的关系为:
F t =T Z m i /r L
行驶阻力
F R =F f +F w +F i +F j
(2)式中,F f 为滚动摩擦阻力,F f =M c g f ,M c 为包括乘员在内的整车质量,f 为滚动摩擦阻力系数;F w 为空气阻力,F w =C d A d V 2/2,C d 为空气阻力系数,A 为迎风面积,d 为空
气密度;F i 为坡道阻力,F i =M c g sin T ,T 为坡道角;F j 为加速阻力,F j =M c J ,J 为加速度。

综合上述各式,有:
T Z m i r L =M c g f co s T +d V 22
C d A +M c g sin T +M c J (3) ②驱动功率平衡方程:P j Z m =F t V =F R V
式中,车速V 与电动机转速n 的关系为V =n r L /i
3.2　整车动力性能计算
①最高车速V max
在驱动力平衡方程中,令T =0,J =0,则有F t =F f +F w ,由式(3)有
T Z m i r L
=M c g f +d V 22 C d A 则
V max =T v Z m i r L -M c g f 2C d A d (4)
式中,T v 为对应于最高车速下的电动机转矩。

②加速度J
在驱动力平衡方程中,令T =0,则有F t =F f +F w +F j ,由式(3)有
T Z m i r L =M c g f +d V 22
C d A +M c J J =T Z m i r L M c -g f -d V 22M c C d A (5)
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③一次充电行驶距离S
在式(2)中,令T =0;J =0,并由F R S =A d Z z Z E (Z E 为蓄电池放电深度)和式(3)得:
M c g f +d V 22 C d A S =A d Z z Z E S =A d Z z Z E /M c g f +d V 22 C d A (6)
4　结　论
①按照电动摩托车行驶所需的动力要求,通过数学模型的计算,来求得蓄电池及电动机的工作参数将有利于动力与整车之间的匹配。

②按照动力传递关系建立起来的数学模型是按车运行工作状况计算的,这将给整车设计和性能的改进带来很大方便。

参　考　文　献
1　崔万安.电动自行车的电池选用.摩托车技术,1997(12):12～16
2　周　涵.电动车驱动用无刷直流电动机系统的设计.微特电机,1997(3):9～11
Dynamic Characteristic Model of the Electric Motorcycle
Zhang Anx iang
(School of Au tomo tive Engineering )
Abstract T o acquire the best dynamic co rr espondence amo ng batte ry ,mo tor and mo to rcycle,the elec tric mo tor cycle is divided into three pa rts to esta blish independent and r elativ e ma thematical mo dels o f dynamic cha racte ristic .The model can provide th e best w or king pa rame ters and cha racte ristics of the batte ry and mo -to r,a nd also simula te the dy na mic cha racteristics of electric mo to rcy cles.
Key words
electric moto rcy cle ;ba ttery ;mo to r (本文责任编辑:刘美玲)43第21卷第1期 张安祥:电动摩托车动力性能计算模型。