纯电动汽车电机驱动系统传动机构参数设计

第三章 传动系参数设计3.1 概述电动汽车动力传动系统的设计应该满足车辆对动力性能的要求和续驶里程的要求。

确定汽车的动力性，就是确定汽车沿行驶方向的运动状况。

我们得到动力性能的要求，即最高车速50km/h ，加速性能0~45km/h 小于10s ，爬坡度不小于20%。

为此，需要掌握沿汽车行驶方向作用于汽车的各种外力，即驱动力与行驶阻力。

根据这些力的平衡关系建立汽车行驶方程式，就可以估算汽车的最高车速、加速度和最大爬坡度。

汽车的行驶方程式为：t F F =∑ (1)式中：F t ——驱动力；ΣF——行驶阻力之和。

3.1.1 驱动力发动机产生的转矩，经传动系传至驱动轮上。

此时作用于驱动轮上的转矩T t 产生一对地面的圆周力F 0，地面对驱动轮的反作用力F t （方向与F 0相反）即是驱动汽车的外力，此外力称为汽车的驱动力。

其数值为：t t T F r= （2） 式中：T t —作用与驱动轮上的转矩；r —车轮半径。

图 汽车的驱动力 由于电动汽车采用电动机驱动，所以在电动汽车中T t 是由电动机输出的转矩经传动系统传递到车轮上的。

令传动系统总传动比为Σi ，主减速器的传动比i 0，变速器的传动比i g ，传动系统的机械效率为ηt ，驱动电动机的输出转矩为T tq ，则有：t tp t T T i η=⋅⋅∑ (3)0g i i i ∑= (4)3.1.2 行驶阻力汽车在水平道路上等速行驶时，必须克服来自地面的滚动阻力和来自空气的空气阻力。

当汽车在坡道上上坡行驶时，还必须克服坡度阻力。

汽车加速行驶时还需要克服加速阻力。

因此汽车行驶的总阻力为：f w i j F F F F F=+++∑ （5） 式中：F f —滚动阻力；F w —空气阻力；F i —坡度阻力；F j —加速阻力其中：(1) 滚动阻力：F f 可以等效的表示为：f F W f =⋅ （6）式中：W —作用于车辆上的法向载荷；ｆ—滚动阻力系数，与路面种类，行驶车速以及轮胎的结构、材料、气压等有关。

研究中滚动阻力系数，按经验公式取值。

(2) 空气阻力：212w D r F C A u ρ=⋅⋅⋅⋅ （7） 式中：ＣＤ—空气阻力系数；Ａ—迎风面积，即车辆行驶方向的投影面积；ρ—空气密度，一般ρ＝1.2258Ns 2m -4。

ｕｒ—相对速度，在无风时即车辆的行驶速度。

在无风条件下汽车的运动，ｕｒ即为汽车的行驶速度u a 。

如u a 以km ／h 计，A 以m 2计，则空气阻力(N)为：221.15D r w C A u F ρ⋅⋅⋅= (8) (3) 坡度阻力：s i n i F G α=⋅ (9)式中：α—坡度。

一般道路的坡度均较小，此时sinα=tanα=i 。

(4) 加速阻力：j du F m dtδ=⋅⋅ (10)式中：δ—车辆旋转质量换算系数；m —车辆质量；du dt—行驶加速度。

这样，汽车行驶阻力为： 2s i n 21.15D a C A u du F W f G m dt αδ⋅⋅=⋅++⋅+⋅⋅∑ (11)车辆行驶时，不仅驱动力和行驶阻力相互平衡，电动机功率和车辆行驶阻力功率也总是平衡的。

即：在车辆行驶的每一时刻，电动机发出的功率P e 总是等于机械传动损失的功率与全部运动阻力所消耗的功率之和。

在纯电动汽车中，P e 为电动机的输出功率。

车辆运动阻力所消耗的功率有滚动阻力功率P f ，空气阻力功率P w ,坡度阻力功率P i 以及加速阻力功率P j 。

即：1()e f w i j P P P P P η=⋅+++ (12)根据以上的推导，可得车辆行驶过程中的平衡方程如下：9550tq e T nP ⋅= (13)21()36007614036003600D a a a e C A u G u i m u W f du P dtδη⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅=⋅+++⋅ (14) 对纯电动汽车而言，式中：P e —电动机输出功率(kW)；n —电动机输出转速(rpm)。

3.2 传动比某车型的固定减速比为6.3(1) 传动比的选择首先应满足车辆最高车速的要求，由最高车速v max 与电机的最大转速n max 确定传动比的上限，即m a x 0m a x0.377n r i v ⋅⋅≤ (15) 已知最高车速v max =50km/h ，电机的最大转速n max =3100，车轮半径r=0.245，则：00.3770.2453100i 5.750⋅⋅≤= (2) 由电机的最高转速对应的最大输出转矩Tmax ，和最高车速对应的行驶阻力F max 确定速比的下限，即m a x 0'm a x F r i T η⋅≤⋅ (16)2max ()21.15D C A n F m g f ⋅⋅=⋅⋅+已知f=0.01，r=0.245，C D =0.4，A=1.8/m 2，m=800kg ，则2max 0.41.850(8009.80.012)179.221.15F N ⋅⋅=⋅⋅+=0179.20.245 6.50.975i ⋅≤=⋅⋅(3) 由电机最大输出转矩T max 和最大爬坡度对应的行驶阻力F amax 确定，即 m a x 0m a x2a F r i T η⋅≥⋅⋅ (17) 其中：F amax =m g cosαf+m g sinα =800·9.8·0.98·0.012+800·9.8·0.2=1628.5 N ，r=0.245m 。

01628.50.245 3.6920.960i ⋅≥=⋅⋅ 原车型主减速比不满足要求3.3 电机参数设计设计原则：动力系统的额定功率必须满足车辆以最高车速行驶、动力系统必须满足车辆加速性的要求、动力系统必须满足车辆以最大爬坡度爬坡的要求、 动力系统必须满足车辆以额定转矩在额定车速行驶的要求、根据汽车的动力性指标选择最适合的驱动电机。

3.3.1 电动机额定功率所选择的电动机功率应不小于在平坦良好路面上车辆以最高车速行驶时阻力功率之和，即3max max 1360076140g d t M f C A Pe V V η+⎛⎫= ⎪⎝⎭（18） 满载时：G=800×9.8N ，f=0.012，C D =0.4，A=1.8m 2，η=0.9，u a =50km/h218009.80.012500.41.850() 1.470.9360076140Pe kw ⋅⋅⋅⋅⋅=+=式中，P e 为电动机额定功率；M 为整车总质量；g 为重力加速度；f 为滚动阻力系数；U max 为最高车速；C d 为空气阻力系数；A 为车辆迎风面积；ηt 为传动系效率。

3.3.2 电动机额定转矩当电动汽车以额定车速在平地上匀速行驶时，电动机输出的转矩即为额定转矩。

2021.15D T i C A u M g f r η⋅⋅⋅⋅=⋅⋅+ (19) 已知车型常规车速为20km/h ，20()21.15 4.76D C A u r M g f T i η⋅⋅⋅⋅+==⋅ 根据 9554T P n=⋅ (20) 将P=5kw ，n=3100带入，得T=15.4，额定转矩（15.4）大于额定转速下的转矩（4.76），因此此车型满足行驶条件。

3.3.3 电动机加速性能在水平良好路面上，车辆的行驶加速度表示为：2021.15tq u D tT i d C A u M g f M rd ηδ⋅⋅⋅⋅=⋅⋅++⋅ (21) 0tq g t T i i F r η⋅⋅⋅= (22)式中：T tq —电机额定转矩；i g —变速器传动比；i 0—主减速器传动比；r —车轮半径；η—传动机构效率，包括变速器、传动轴和主减速器；F w —车辆行驶的空气阻力，221.15D w C A u F ⋅⋅=；F f —车辆行驶滚动阻力 f F M g f =⋅⋅；M —总质量；δ—转动质量换算系数则，电动汽车从起步加速到速度为U 的加速时间为：00()uu t w f dt M t du du du F F F δ⋅=⋅=--⎰⎰ (23)4.3.4 根据电动汽车的最大爬坡度要求，可得电动汽车需求的最大转矩。

0tq g t f i T i i F F F rη⋅⋅⋅=+= F f =m·g·f·sinα；F i =m·g·cosα；i g =1，i 0=6.3，η=0.9，m=800kg ，g=9.8m/s 2，f=0.012，α=tan -1（0.2）=11.3°0(sin cos )68.35tq g m g m g r T N m i i ααη⋅⋅+⋅⋅⋅==⋅⋅⋅ 3.4 电池参数的确定结合确定的电机参数，参考市面上已有的动力电池，我们选定某型号的锂铁动力电池作为我们的动力源。

最大电池容量为150Ah ，起始容量为90%，额定电压为72.0V ，最大电压82.2V ，最小电压60V 。

电池组电池数量为1，电池组质量为120kg 。

综上所述，选取车型的额定功率5kW ，最大功率15kW ，可以满足功率要求。

电动机的最大转速是3100r/min ，额定转速是1500 r/min 。

采用的最大转矩50 N·m ，最大转速时的转矩为15 N·m 。

额定电压60V 。