纯电动物流车电机参数设计

雷芳 胡雄杰

摘要：电动汽车传动系统的参数匹配选择，对其动力性能和经济性有着很大影响。以3T纯电动物流车为例，介绍了在纯电动汽车设计初期，如何根据整车设计指标来确定驱动电机的参数，为电动汽车的前期设计分析及后续整车各性能指标的优化等提供了基础理论数据，极大地缩短了新产品的开发周期。

关键词：纯电动;物流车;驱动;电机;参数设计

0 引言

随着大气污染日益严重、全球石油资源供应日趋紧张以及人们环保意识的逐步提高，纯电动汽车越来越受到人们的青睐。电动汽车能否替代传统汽车的关键在于纯电动汽车的整车动力性能是否能够满足人们的需求，而保证纯电动汽车整车动力性能的关键在于如何设计电机参数，使电机既能满足整车动力性能要求，又具备经济性。本文以3T纯电动物流车为例，通过研究如何匹配电机参数，为纯电动汽车的动力匹配设计提供理论依据及基础数据，对于新产品开发具有指导意义。

1 整车设计的目标参数

1.1    整车主要参数

整车装备质量m：1 890 kg;总质量mmax：3 050 kg;传动效率n：0.9;后桥传动比i1：5.857;外形尺寸：长4 490 mm、宽1 680 mm、高2 300 mm;迎风面积A：2.98 m2;轮胎滚动半径r：0.326 m;空气阻力系数CD：0.65;滚动摩擦系数f：0.015;电池额定电压V：DC540 V。

1.2    整車动力性能要求

30 min最高车速：62 km/h;1 km最高车速：80 km/h;最大爬坡度：≥20%;0～50 km/h加速时间：≤25 s。

1.3    变速器参数

型号规格：MW515ZYF-1700020;挡位数：6;额定扭矩：150 Nm;最高输入转速：>4 500 r/min;传动效率：>95%;噪声：<72 dB;润滑方式：飞溅;变速器速比：一挡为5.17，二挡为2.88，三挡为1.645，四挡为1.00，五挡为0.839，倒挡为3.06。

2 驱动电机参数设计

2.1    动力生成装置参数

动力生成装置是车辆行驶的直接动力源，参数确定以满足车辆正常行驶和动力性能要求为准则。整车动力性能要求包括：（1）车辆能以最高车速80 km/h速度匀速行驶;（2）最大爬坡度20%时，车辆以不低于最低要求车速10 km/h行驶;（3）满足车辆起步加速性能要求，要求车辆在25 s内由0 km/h加速到50 km/h[1]。

2.2    最高车速时电机的输出功率和转矩计算

在无风条件下，汽车在平坦的水泥路面上满载行驶，车辆以最高车速匀速行驶时，动力生成装置的输出功率为：

式中：Pe为驱动电机输出功率（kW）;η为驱动电机效率（%）;m为整车质量（kg），g为重力加速度（m/s2）;f为摩擦系数;CD为空气阻力系数;A为车辆迎风面积（m2）;Vmax为最高车速（km/h）。计算可得Pe=25.6 kW。

在无风条件下，汽车在平坦的水泥路面上满载行驶，以车辆最高车速匀速行驶时，动力生成装置的输出扭矩为：

式中：Te为电机扭矩（Nm）;i为减速比;η为效率（%）;r为电机转速（r/min）。

变速箱为五挡时，电机输出扭矩最大，计算得最高车速时电机输出最大扭矩Te≥77 Nm。

2.3    最大爬坡度时电机的输出功率和转矩计算

车辆满载在20%坡度的良好水泥路面上以10 km/h车速匀速行驶时，动力生成装置的输出功率为：

式中：a为坡度。计算可得电机输出功率Pt=19.5 kW。

车辆满载在20%坡度的良好水泥路面上以10 km/h车速匀速行驶时，动力生成装置的输出扭矩为：

计算可得一挡爬坡时，Te≥75.5 Nm;二挡爬坡时，Te≥135.5 Nm。

2.4    车速与驱动电机转速关系

纯电动物流车系统结构特点为电机输出轴、变速器输出轴、传动轴同轴同向连接，满足以下关系式要求：

式中：V为车速（km/h）;n为驱动电机转速（r/min）;r为轮胎半径（m）;i为减速比。

根据上述各路况电机输出功率、电机输出扭矩、电机转速和匀速车速的关系，可选择车辆运行变速器挡位，在保证整车动力性能的前提下，使纯电动物流车系统高效、平顺运行。

2.5    驱动电机参数确定

2.5.1    电机额定功率的确定

根据水平路面下，电机输出功率与匀速车速的关系，可知最高车速为80 km/h时，电机功率为25.6 kW。车辆在20%坡度路面，以车速10 km/h爬坡时，电机功率为19.5 kW。因此，驱动电机的额定功率定为25 kW。

2.5.2    电机额定转速的确定

纯电动物流车常用车速为50～55 km/h，变速器为四挡时，根据匀速车速与驱动电机转速的关系，可知电机工作转速为2 323～2 621 r/min。因此，驱动电机的额定转速定为2 600 r/min。

2.5.3    电机额定转矩的确定

根据公式T=9 550P/n，代入电机额定功率和额定转速，计算可得驱动电机额定转矩为92 Nm。

2.5.4    电机峰值转矩的确定

车辆在20%坡度路面行驶时，变速箱为一挡，以车速10 km/h爬坡，驱动电机输出扭矩为75.5 Nm;变速箱为二挡时，以车速10 km/h爬坡，驱动电机输出扭矩为135.5 Nm。而变速器的额定扭矩为150 Nm，所以驱动电机的峰值扭矩应该控制在136 Nm≤T≤150 Nm，选取140 Nm为宜。

3 驾驶员换挡操作点选择

汽车在行驶过程中，通过一定的传动比来满足不同行驶工况的需要。异步电机具有较宽的调速区间，在电动汽车的驾驶过程中选择合理的传动比，一方面能满足不同工况需要，另一方面使得电机在不同工况运转时，电机效率尽量处于0.80～0.95的高效范围内，以获得较高的电机效率，减小功率损耗，延长车辆续驶里程。

根据电机效率特性曲线可知，0.80～0.95高效区域的电机转速n≥2 450 r/min，电机能快速响应，加速性能强劲，车辆加速性能特点为0～50 km/h加速时间小于25 s，故纯电动物流车挡位选择原则为：（1）匀速车速选择0.80～0.95高效区域的电机转速;（2）起步加速或行车超速为短时车况，目标匀速车速为0.80～0.95高效区域的电机转速，换挡点可以选择低于高效区域的电机转速;（3）以0.80～0.95高效区域的电机转速为目标选择换挡点，但要避免过度频繁换挡，造成驾驶人员疲劳。

各个挡位换挡时可参考以下几点：（1）城市拥堵路段或冬季路面结冰，车速保持在0～15 km/h时，物流车一挡行驶0～15 km/h的加速時间小于8 s，能有效保证整车高效运行;（2）城市早晚车流高峰期，车速保持在0～25 km/h时，物流车二挡行驶0～25 km/h的加速时间小于10 s，能有效保证整车高效运行;（3）城市一般行驶路况，车速保持在25～50 km/h时，物流车起步加速或行车加速可以直接选择三挡行驶，也可以先选择二挡加速到25 km/h，再操作换挡进三挡加速到目标车速，能有效保证整车高效运行;（4）城市郊区行驶路况，车速保持在50～65 km/h时，物流车三挡起步加速行驶到50 km/h，在操作换挡进四挡到目标车速，能有效保证整车高效运行;（5）车速需要运行在65～80 km/h时，车辆的换挡动作为三挡起步加速到50 km/h，换挡进四挡加速到65 km/h，再换挡进五挡加速到80 km/h。

4 结语

为了提高纯电动汽车动力性能，本文在原车采用固定传动比变速器的基础上，设计了五挡变速器。通过对驱动电机与传动系统参数的理论分析计算，确定了驱动电机的相关重要参数，并对动力传动系统参数进行了合理匹配，能很好地满足汽车动力性能要求。

[参考文献]

[1] 邹国棠.电动汽车电机及驱动：设计、分析和应用[M].北京：机械工业出版社，2018.

[2] 陈世坤.电机设计[M].北京：机械工业出版社，2017.

收稿日期：2020-07-06

作者简介：雷芳（1983—），女，湖北荆州人，硕士研究生，讲师，研究方向：机电产品设计。