电动汽车驱动电机和传动系统的参数匹配

图 1 内燃机特性 Fig. 1 Performance of internaI combustion engine
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电动机的机械特性对驱动车辆十分有利. 电动 机的最大功率可达额定功率的 3 倍甚至更高，而最 大功率工况不能长时间运行，因此必须用额定工况 计算电动汽车的最大爬坡度和最高车速. 汽车的加 速、起步过程时间较短，理论上可以用电动机的外特 性进行设计计算. 与传统内燃机特性不同的是，电动 机的机械特性是低速恒扭矩和高速恒功率，如图 2 所示，图中 nN 表示电动机基频所对应的转速. 转速 越小，电机输出扭矩越大，正好满足汽车起步或爬坡 工况车速较低时，需要较大扭矩的要求. 此外，由于 电动机的起动、加速性能特别好，其转速 - 扭矩特性 能满足汽车各种行驶工况的需要，故电动汽车不必 设置离合器.
电动汽车驱动电机和传动系统的参数匹配*
姬芬竹 高 峰
（ 北京航空航天大学 汽车工程系，北京 100083）
摘 要：探讨了电动汽车传动系统的传动比和挡位数确定原则，指出电动机额定功率或
转矩、转速必须与传动系统参数合理Fra Baidu bibliotek配. 并以某型号电动汽车为研究对象，计算并分析
了五挡手动变速器中两个挡位，即二挡和三挡的驱动力 - 行驶阻力平衡图，提出了去掉笨
速与基速的比值较大，nmax / nN = 9 000 / 3 600 = 2. 5， 属于第 1 节参数确定原则讨论的第一种情况，即电
动机从基频向上调速的范围足够大，变速器只需要
选择一个挡位.
电动汽车经常行驶在市区车流密度较大的情况
下，行驶速度为 30 ~ 50 km / h 左右，故首先考虑去掉
重的机械齿轮变速器而代之以固定速比减速器的单挡驱动传动方案，理论上可以减轻整
车质量，增加续驶里程. 应用电动汽车仿真软件 Advanced VehicIe SimuIato（r ADVISOR）对
整车动力性和续驶里程进行了仿真，初步验证了文中提出的传动系统参数确定原则和方
法的正确性.
关键词：电动汽车；传动系；电动机；匹配；仿真
（l）电动机从基频向上调速的范围足够大，即： nmax / nNB2. 5 时，选择一个挡位即可，即采用固定速 比. 这是一种理想情况，其功率平衡图如图 3（ a）所 示. 在设计计算时，按照要求先确定图中的 B 点和 A 点，再根据 A 点计算传动系总传动比 iI. 由于仅选择 一个挡位，若固定速比 ig = l，则主传动比 i0 = iI. 此 时应注意变频范围也不宜太大，一般考虑最高车速对 应的电动机转速为其最高转速的 90% ~ 95% 即可.
中图分类号：U 463
文献标识码：A
目前，能源问题和环境污染已成为以内燃机为 动力的燃油汽车所面临的两大突出问题，寻求低排 放、能综合利用能源的车辆是汽车研究人员的当务 之急. 具有这些特征的电动汽车又成为各国研究的 热点，它是解决能源危机和环境污染的重要途径，是 21 世纪重要的新型绿色环保交通工具［1-3］. 近年来， 关于电动汽车的研究主要集中在能量存储系统（ 如 动力电池）、电 驱 动 系 统 和 控 制 策 略 的 开 发 研 究 方 面，然而，在动力电池和其它技术没有取得有效突破 之前，对动力传动系统部件的设计进行匹配研究是 提高电动汽车性能的重要手段之一 . ［4-5］ 电动汽车 动力传动系部件的设计参数，如电动机功率（ 或转 矩）/ 转速、传动系传动比以及它们之间的合理匹配 等，对电动汽车的动力性、续驶里程等都有显著的影 响. 如果这些参数选择或匹配不当，有可能使得电动 汽车的最高车速不在最高挡上.
（ 3 ）电 动 机 从 基 频 向 上 调 速 的 范 围 较 窄，满 足 nmax / nNSl. 8，如图 3（ c）所示，此时增加一个挡位后 在等功率段车速无法衔接起来. 在这种情况下，当车 速达到 C 点后，先由 C 点到 D 点进入等转矩工作区， 然后再经 D 点、E 点进入等功率区段工作. 也可以考 虑再增加一个挡位，传动比的设计计算方法同前.
B120
B230 B150
> 20
率因数降低，不仅浪费电能，而且增加动力电池的容
量，综合经济效益下降［7］.
通常，从保证汽车预期的最高车速来初步选择
电动机应有的功率［8］. 最高车速虽然只是汽车动力
性能的一个指标，但它实质上也反映了汽车的加速
能力和爬坡能力. 所选择的电动机功率应不小于汽车
在良好路面上以最高车速行驶时的阻力功率之和，即
针对国家 863 项目（ 纯电动汽车子项目）的第 一轮 样 车，即 XL2000 纯 电 动 汽 车 保 留 了 原 夏 利
2000 的五挡变速器，为了减小传动系统的质量（ 去 掉笨重的五挡变速器），提高整车续驶里程，提出采 用固定速比的传动方案.
1 电动汽车传动系统参数确定原则
电动汽车的动力性评价指标与传统内燃机汽车
速器的传动比，即ig = 1. 842；而主减速器传动比保
图 4 电动汽车功率平衡图 Fig. 4 POwer baiance chart Of EVS
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第 34 卷
是合适的.
3 电动汽车性能仿真
图 5 电动汽车驱动力 - 行驶阻力平衡图 Fig. 5 Baiance chart of drive force and obstruction force of EVS
相同，即最高车速、加速时间和最大爬坡度. 而电动
机机械特性与传统汽车用内燃机特性有很大不同，
内燃机的运行工况为：
! O "·#
（1）
式中：! 为有效功率；" 为扭矩；# 为工作转速. 当功
率一定时，转速与扭矩成反比，显然内燃机的工作区
域被限制在一定范围内（ #min ~ #max ），并有一定的扭 矩储备（10% ~ 20% ），如图 1 所示. 因此，为了满足
动力曲线与阻力曲线的交点便是理论上的最高车速
1a max . 按电动机额定功率计算，若保留原五挡变速器 的三挡，则最高车速在 95 ~ 100 km / h 之间，不能满
足整车主要技术参数的需要. 若保留原五挡变速器
的二挡，则最高车速大于 120 km / h，为 125 km / h 左
右，故把原五挡变速器的二挡速比作为固定速比减
根据电动机转矩可以确定电动汽车的驱动力
Ft ，然后利用电 动 机 转 速 与 汽 车 行 驶 速 度 之 间 的 关 系计算车速 1a，即可得到各个挡位的驱动力 - 行驶 阻力平衡图.
电动汽车的驱动力 Ft 为：
Ft
=
Tigi0 " r
（3）
电动机转速与汽车行驶速度之间的关系为：
1a
=
0. 377 rn ig i0
1. 需特别说明的是采用固定速比时，电池箱也经过
了减重设计. 根据表 1 有关参数，由公式（2）计算电
动机的额定功率 Pe = 19. 6 kW. 计算时取固定速比 传动系统的效率 " = 0. 95，滚动阻力系数 f = 0. 015， 空气阻力系数 CD = 0. 29［3］.
通过对各种驱动电动机进行比较，选用三相交
（4）如果出现第 3 种情况，说明电动机参数与整 车性能要求不匹配，应考虑重新选择电动机的参数.
2 电动机和传动系统参数设计
2. l 电动机参数的确定
正确选择电动机的额定参数非常重要. 如果选 择过小，电动机经常在过载状态下运行；相反，如果 选择太大，电动机经常在欠载状态下运行，效率及功
第4 期
姬芬竹 等：电动汽车驱动电机和传动系统的参数匹配
[ ] Pe =
1 "
3
Gf 600
1
a，max
+
CDA 76 140
13 a，max
（2）
式中：Pe 为电动机额定功率，kW；G 为整车总重量， N；f 为滚动阻力系数；1a max 为最高车速，km / h；CD 为 空气阻力系数；A 为车辆迎风面积，m2 .
XL2000 型电动汽车的整车主要技术参数见表
流异步电动机［9-10］. 主要技术参数为额定功率 / 峰值
功率：20 / 60 kW；额定转速 / 最高转速：3600 / 9000 r· min - 1 ；额定转矩 / 峰值转矩：53. 6 / 150 N·m；额定电
压：180 V .
2. 2 传动系统参数的确定
由所选择电动机的主要技术参数可知，最大转
第 34 卷 第 4 期 2006 年 4 月
华 南 理 工 大 学 学 报（ 自 然 科 学 版 ） Journal of South China University of Technology
（ Natural Science Edition）
Vol. 34 No. 4 April 2006
文章编号：1000-565X（2006）04-0033-05
图 3 电动汽车功率平衡分析图 Fig. 3 Power baiance anaiysis c1art of EVS
（ 2 ）电 动 机 从 基 频 向 上 调 速 的 范 围 不 够 宽，电 动机最高转速不能满足 nmax / nN B2. 5 时，应考虑再 增加一个挡位，如图 3（ b）所示. 与前一种情况不同 的是要根据 iI = i0 ig ，再合理分配 i0 和变速器各挡 位的传动比 ig.
（4）
式（3）和（4）中，T 为电动机扭矩，N·m；r 为车轮滚
动半径，m；n 为电动机转速，r / min；i0 为主减速器传 动比.
由式（2）计算电动汽车的功率平衡图，见图 4.
由式（3）和（4）计算驱动力 - 行驶阻力平衡图，见图
5. 图中 Ff + Fw 为行驶阻力. 由图 4 可以看出，两曲 线的交点所对应的车速略高于 120 km / h. 图 5 中驱
汽车速度在宽广范围内变化的要求，所有以内燃机
为动力的车辆必须设置离合器.
收稿日期：2005-05-11 *基金项目：国家 863 计划资助项目（2003AA5010600）
作者简介：姬芬竹（1963-），女，副教授，博士生，主要从事 电动汽车驱动系统研究. E-maiI：jfz@ ae. buaa. edu. cn
第 34 卷
图 2 电动机机械特性 Fig. 2 Mec1anicai performance of eiectromotor
传动系统有多个挡位时，驱动力图与内燃机汽 车相比也有其特殊性，所以在选择挡位数和速比、确 定最高车速时也与内燃机汽车不同，需要考虑两个 主要的动力与阻力平衡点. 一个是以常用车速在良 好路面上匀速行驶的转矩平衡点，另一个是最高车 速时的转矩平衡点. 它们对电动汽车传动系中变速 器挡位数的选择产生重要影响. 理论上，应使电动汽 车的常用车速落在基频上，以直接挡获得最高车速， 功率平衡点在等功率段上［6］. 图 3 是电动汽车功率 平衡分 析 图，图 中 Pf + Pw 为 汽 车 行 驶 阻 力 功 率， kW；Pe 为电动机额定功率，kW；! 为传动系统效率； ig 为变速器传动比；1N 为电动机基频所对应的汽车 速度，km / 1；1max为电动汽车最高速度，km / 1；1a 为汽 车行驶速度，km / 1. 下面对可能出现的几种情况进 行分析.
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车型
XL2000 电动汽车（ 含 五挡变速器）
XL2000 电动汽车（ 固 定速比）
总质量 m / kg 1 800
1 615
表 1 电动汽车整车主要技术参数 Tabie 1 The main technicai parameters Of EVS
整车整备 质量 / kg
传动比
最高车速
续驶里程 / km
1max （/ km·h - 1 ） 等速法 工况法
1 500
1 ~ 5 挡传动比 3. 181 / 1. 842 / 1. 250 / 0. 864 / 0. 707 主减速比：4. 266
B120
B200 B150
最大爬坡 度 !/
> 20
1 315
固定速比：1. 842 主减速器速比：4. 266
传动比小于 1 的两个挡位（ 四、五挡）；另一方面，由
于电动汽车经常行驶的路面质量较好，很少有起伏
不平或 较 大 坡 度，故 去 掉 原 变 速 器 的 爬 坡 挡（ 一
挡）. 那么接下来的工作就是从二、三挡中确定一个
能够满足整车技术要求的挡位. 但如果此两个挡位
都不能满足要求，则需要重新设计该传动比.