1、第四章第四章 电动汽车动力系统的设计电动汽车动力系统的设计 目录第一节 电动汽车动力系统参数的设计基础 一、电机各项参数及传动系的确定 二、动力储能装置参数的确定第二节 纯电动公交客车的动力系统设计实例第三节 电动轿车采用四轮直驱轮毂电机的设计实例电动汽车是集机、电、化等多学科领域中的高新技术于一体，运用了电子微机控制、新能源和新材料等工程技术中多项最新成果，必将成为节能减排所要求的普及型交通工具，其产业化也正在进入议事日程。至2005年2月全球已有141个国家和地区签署了京都议定书，成为人类历史上首次以法规形式限制温室气体排放。当今节能、环保、安全已成为世界汽车工业发展的永恒主题。为此需尽可
2、能优化电动汽车动力系统设计，在保证其动力性的前提下，以尽量少的能源消耗来实现安全经济行驶，即同时降低制造与使用两项成本来促使普及化。 第四章第四章 电动汽车动力系统的设计电动汽车动力系统的设计 第一节第一节 电动汽车动力系统参数的设计基础电动汽车动力系统参数的设计基础据估算汽车一般行驶所用的30KW动力，是人类正常行走所需的500倍，疾速奔跑所需的100倍，马儿疾速奔跑所需的50倍。由于人类或马赛跑时都能有一种拼刺的激发力，但发动机没法具有，而电机同样能有相当的短时过载(通常数分钟内可达额定值的3倍以上)能力。所以电动汽车电机功率不能照搬相应汽车发动机功率，须充分发挥电机驱动应有的多种技术优势
3、，结合车载能源受限，因电机功率增大即会经常行驶于低效率的负荷区，还增加车载质量而影响动力性和其成本，所需合理选择电机功率以提高电动汽车性价比来促其产业化。 现代轿车的发动机动辄就是几十至上百KW，不少轿车发动机功率已为110KW，而目前电动自行车的电机功率一般仅为200W左右，即也相差500多倍。现已研发的电动轿车电机功率也有选用数千瓦至几十千瓦，甚至也有上百千瓦的，相差悬殊之大。在此介绍根据指标要求如何按公式计算设计，电动汽车动力系统的参数设计首先需参照第三章所述相关评价指标，其中最高车速uamax、加速时间t、最大爬坡度imax三项动力性指标主要与电机驱动及传动系相关，也受动力储能装置最大
4、输出功率的限制。而能量利用率、续驶里程、车载储能装置寿命的三项经济性指标主要取决于车载储能装置的性能，但还与动力驱动系统的效率和动能回收率紧密相关。进入产业化时，电动汽车动力系统参数的确定需经过：根据指标要求按公式计算设计；利用计算机软件进行仿真分析；研制部件后再对其进行性能测试与评价；整车组装后进行行驶试车，性能验证设计指标与目标工况。当然按过程所得结果，也可能返回再重新进行。如此才能确保大批量产业化生产时，具有高性价比而促使普及化良性循环。第一节 电动汽车动力系统参数的设计基础 为此本节按电机及其传动系、动力储能装置两类来说明其各部分的参数计算设计与确定，但也需注意所述相关性。一、电机各项
5、参数及传动系的确定一、电机各项参数及传动系的确定电机调速范围和过载能力与电机类型及其结构设计相关，即需参考第二章相应的比较说明。为实现最佳负载特性匹配的理想设计，要求电机制作后通过性能实际测试，以获得相应电机:效率-转速、低速恒转矩调速、高速恒功率调速、转矩-转速、功率-转速的特性曲线图；以及相应转速时的过载倍数和允许过载时间的大致数据。 需根据所制定的动力性指标按前述相关公式来计算设计，所需确定的参数主要有：电机的额定功率与其转速；电机的最高转速与其调速范围；电机峰值功率及其过载能力；机械传动比及其变速档位数等。 第一节 电动汽车动力系统参数的设计基础 由此可知为充分发挥电机驱动的多种应有技
6、术优势，在设计确定电机各项参数时，需熟练综合运用第二、三章有关知识。 按汽车实际行驶路况可知，除在高原地区的盘山公路，在大部分行驶路况中的加速或爬坡时间均不长，即可利用电机所应有的短时过载能力，良好电机通常能在数分钟内过载额定功率的三倍，甚至更高倍数，所以对一般汽车的加速性能、爬坡能力两项动力性指标均易满足，即关键是需按最高车速来确定电机所要求参数。 第一节 电动汽车动力系统参数的设计基础 再根据汽车所需行驶工况的动力性指标，以及变速器的传动比ig、主减速器的传动比i0、动力系统输出转速n(r/min)与车轮半径r(m)，按尽可能使汽车行驶的大部分路况车速ua=0.377rn/(igi0)的折
7、算后，在电机额定转速附近运行以提高电机效率；并结合性价比等来权衡选取电机各项有关参数。若不能满足要求虽增加机械变速档位数可弥补，但会增加体积重量、成本及能耗，即不利于产业化发展。 (1)(1)根据最高车速指标确定电机的额定功率及其恒功率调速区的最高转速根据最高车速指标确定电机的额定功率及其恒功率调速区的最高转速根据第二章所述电机调速通常自额定(基速)转速以上均为恒功率调速，所再根据uamax值、车轮半径r、传动比igi0，按式ua=0.377rn/(igi0)即可求得电机在恒功率调速区的最高转速nmax。其中传动比先用估算值代入，如设igi0=10，然后按后述(3)内容确定后再重新校核计算。
8、根据我国高速公路允许最高车速为120km/h，和电动汽车能量受限的特点，所uamax也不宜定得太高，如轿车设uamax=125km/h。 第一节 电动汽车动力系统参数的设计基础 按前述额定功率 ，设爬坡度i=0，加速度du /dt =0，即忽略式中后两项，设所要求的最高车速 uamax 为式中ua，将传动系效率T、车载总重量G、空气阻力系数CD、车身迎风面积A、滚动阻力系数 f(货车按 f =0.0076+0.000056ua、轿车按 结合表3-2估算)代入计算，所得值为电动汽车以最高车速uamax行驶所需消耗的功率，再略留余量作为汽车在高速公路长期稳定运行中电机所需额定功率Pe。tumuGi
9、uAuCGfuPdd360036007614036001aa3aDaTe4a4a10100100ufufff(2)(2)按电机调速范围及其最高转速确定电机的额定转速按电机调速范围及其最高转速确定电机的额定转速ne按第二章电机调速性能所述，电机调速范围常用最高转速nmax与基速nbase(为额定转速ne)之比，即转速因子x=nmax/nbase表示。第一节 电动汽车动力系统参数的设计基础 可根据所选电机的转速因子x，和前已确定的最高转速nmax，即可求得电机的额定转速ne，从而根据所确定的额定功率Pe和额定转速ne，再根据转矩TL、转速n与功率PL的关系式TL=9.55 PL/n，求得额定转速n
10、e以下按恒转矩调速的额定转矩Te。 (3)(3)根据汽车主要运行区车速和电机额定转速确定传动系传动比根据汽车主要运行区车速和电机额定转速确定传动系传动比按现有电机调速范围一般均能满足汽车行驶工况对车速要求，可设档位数为1，即ig=1使igi0=i0。如此可根据汽车主要运行区车速ua(如按城区运行工况设ua=45km/h)，和前述已确定的电机额定转速ne，按汽车行驶的大部分路况车速尽可能运行于电机额定转速附近以提高电机效率，利用前述行驶车速ua、动力输出转速n与车轮半径r的关系式即可求得传动比i0=0.377r neua。所以只有当最大爬坡度指标难以满足；或电机调速范围很窄，并汽车常运行于很低车
11、速使电机效率很低；才需增加变速档。即通过较大减速比来放大转矩，以满足爬坡度要求；或通过多档切换来扩大变速范围。 但换档操作即需增添离合器，并应注意经齿轮减速虽可放大转矩，但功率则因增加损耗而下降。而省去换档操作过程还有利于车控平顺性和舒适性。 第一节 电动汽车动力系统参数的设计基础 若需增加档位数可按等比级数分配法确定，如设各档传动比为ig i ，则级数比 ，其中最高档ig1=1，即igi0=i0，为直接档，以满足汽车最高转速nmax 要求来设定；最低档通常以满足汽车的最大爬坡度max 及最低稳定车速uamin(如设uamin=15km/h)要求来设定。 132g2g1gigiggiiiiii
12、q(4)(4)根据最大爬坡度指标校核电机的峰值功率及其过载能力根据最大爬坡度指标校核电机的峰值功率及其过载能力第一节 电动汽车动力系统参数的设计基础 其中车速 ua设为电机额定转速ne时对应的车速，即按前述行驶车速ua、动力输出转速n与车轮半径r 的关系式折算为ua= 0.377r ne /i0；将传动系效率T、车载总重量G、空气阻力系数CD、车身迎风面积A、滚动阻力系数 f、总传动比igi0=i0、最大爬坡角度max=arctanimax相关参数均代入上上式式，可求得汽车在最大爬坡度imax的坡道上以相应车速行驶所需电机转矩Td。将该值Td与电机所测得低速时可输出的最大过载转矩相比较，即可校
13、核电机能否满足最大爬坡度imax指标。 利用前述公式 ，根据所设计dtdumaGuACGfriiTaDgsin15.21cos2T0d汽车的最大爬坡度imax指标，设加速度du /dt =0，即忽略式中最后一项。(5)(5)根据加速性能指标校核电机的峰值功率及其过载能力根据加速性能指标校核电机的峰值功率及其过载能力根据所设计汽车加速性能指标，按前述低速恒转矩调速区低速恒转矩调速区加速时间加速时间tT T和高速恒功率调速区高速恒功率调速区加速时间加速时间tP P的两个公式及相关内容，两公式重写如下：第一节 电动汽车动力系统参数的设计基础 21aa01aaT2/)(15.2115.21)(21.1
14、56.3uuArCrGfiTuurmteDTdGee)()(2/ )(15.2115.21)(21.156 . 3211aaa2a22aa0a2aPuuuutuuArCrGfiTuurmteeTeDTdGe确定起始车速ua1、终止车速ua2；电机额定转速ne对应车速uae=0.377r ne/i0；对应ua2的电机转速na2；按转矩TL、转速n与功率PL的关系式TL=9.55PL/n及其过载倍数，可分别求得对应ne、na2的过载转矩TdGe、TdG2，及其平均过载转矩TdG=(TdGe+TdG2)/2。再将汽车的旋转质量换算系数、车载总重量G、质量m=G/g、空气阻力系数CD、车身迎风面积A、
15、滚动阻力系数f、传动系效率T、传动比i0、车轮半径r各相关参数代入该两个公式，即可得汽车从初速度ua1加速到末速度ua2所需加速时间t=tT+tP。与设计所要求的加速时间比较，来校核电机的过载能力是否满足汽车所要求的加速性能指标。再按所需额定转速时最大过载转矩，利用转矩TL、转速n与功率PL的关系式TL=9.55PL/n计算所要求电机相应峰值功率PeG=TdGne9550(kW)。然后除以电机及其驱动控制器效率mc，再加上汽车所需的空调、照明等辅助装置用电功率，并略留余量确定汽车电源系统所要求的功率。按上述顺序设计计算、校核中若某一步骤未能通过，则需修改调整前序相关设计参数，再重新按序进行，直
16、至满意为止。计算获得电机额定功率及其转速后，应根据国家标准推荐的电机功率等级为5.5kW、7.5kW、11kW、15kW、18.5kW、22kW、3OkW、37kW、45kW、55kW、75kW、90kW、110kW、132kW、150kW、160kW、185kW、200kW及以上，和有关GB/T47721999旋转电机尺寸与输出功率等级的要求，按略留余量来选定电机额定功率。第一节 电动汽车动力系统参数的设计基础 然而即可按下述确定动力储能装置的电压等级、能量利用率、续驶里程所需蓄电池能量、车载储能装置寿命等。二、动力储能装置参数的确定二、动力储能装置参数的确定 为此还需重温第一章所述有关动力
17、储能装置的知识。为提高汽车的动力性，要求蓄电池具有较大的功率密度，即能瞬时提供大电流、大功率给驱动电机；而为满足续驶里程要求，希望蓄电池有较高能量密度。所为兼顾两类指标，在第一章提出了采用比功率较大的超级电容或高速飞轮，与较高比能量蓄电池组合的复合储能装置。第一节 电动汽车动力系统参数的设计基础 根据电动汽车的类型不同，车载能源可采用各类蓄电池、超级电容、高速飞轮及燃料电池等，在此以蓄电池为例说明。(l)(l)动力系统电压等级的确定动力系统电压等级的确定具体电压应参照国标对电动汽车电机推荐的电源电压等级：120V、144V、168V、192V、216V、240V、264V、288V、312V、
18、336V、360V、384 V、408 V等来选取。标准要求电机及控制器必须能在所选电源的120额定电压值下能安全承受最大电流；并在电源电压降为额定值的75%时，电机仍能在最大电流下运行(不要求连续运行)。所以一般比较稳妥的是保证电源电压不低于电机额定电压的80。动力系统的电压等级通常也为电机的额定电压，即由所选电机的结构参数决定，随电机输出功率加大而增高。电压的增高一般也有利于提高运行效率，在相同输出功率下，电压提高即使电流减小而降低线路损耗。也对导线和开关等元器件要求较低，即采用合理的高电压设计，可减小电机逆变器的成本和体积。但电压过高易引起对功率开关器件的较大冲击，即也受到IGBT最高允
19、许电压的限制。第一节 电动汽车动力系统参数的设计基础 现以磷酸铁锂电池为例来说明，单体电压参见前述表1-3即为3.2V，乘以系数即电压应用范围为2.63.8V；而单体电池容量有多种规格，常见的为20Ah，蓄电池的串并联方式，从可靠性考虑应采用先并后串，所厂家通常将单体电池按需并联成电池组经封装后提供，如 4个单体电池并联的电池组容量为80Ah。若选该电池组120个串联，可使电源系统的标称电压为384(=3.2120)V；容量仍为80Ah；即使总电能为30.7kWh；按标准要求电机即能在312456V的电压应用范围内运行。在按续驶里程指标确定车载蓄电池能量后，要求电压越高所需串联的电池组数越多，
20、但并联的单体电池相应减少，在此还需强调第一章所述蓄电池容量与能量的区别。对于电源系统的标称电压及电压应用范围，需按所选电池类型来确定标称电压；根据蓄电池允许放电终止电压，和电池耐过充能力下的充电最高电压，即需乘以约0.81.2的系数来确定电压应用范围。第一节 电动汽车动力系统参数的设计基础 (2)(2)概略确定动力系统在几种特定车速工况下的能量利用率概略确定动力系统在几种特定车速工况下的能量利用率 在良好水平路面按所需确定的特定车速uai匀速行驶，实测行驶中所耗功率， 或行驶1小时所需消耗电能，将所测值除以行驶车速uai即得该特定车速uai行驶 时能量利用率(kWh/km)。注意行驶中升降速及
21、电能回馈引起的测量误差。 第一节 电动汽车动力系统参数的设计基础 1 1）按参数计算法）按参数计算法 按前述额定功率 ，设爬坡度i=0，加速度du /dt =0，即忽略式中后两项。并指定几种需确定的特定车速uai，如uai分别为20、60、120km/h，将传动系效率T、车载总重量G、滚动阻力系数f、空气阻力系数CD、车身迎风面积A及其uai相关参数代入计算，所得值即为电动汽车以特定车速uai行驶所需消耗功率，再除以电机及其驱动控制器效率mc，并加上汽车辅助装置用电功率，所得值除以相应的行驶车速uai即为在该几种特定车速uai行驶时的能量利用率(kWh/km)。 tumuGiuAuCGfuPd
22、d360036007614036001aa3aDaTe2 2）行驶测试法）行驶测试法 (3)(3)按续驶里程指标确定车载蓄电池能量按续驶里程指标确定车载蓄电池能量 1 1）按能量利用率）按能量利用率计算法。计算法。考虑到蓄电池荷电状态SOC的应用范围一般为1090，需按蓄电池可放出总能量的80%计算。利用前述所得相应车速行驶时的能量利用率(kWh/km)，乘以所要求的续驶里程数后，再除以0.8即为所要确定的车载蓄电池能量(kWh)。 2 2）实际行驶估算法。）实际行驶估算法。即携带预估所需能量的蓄电池，充满电后按所设定的车速工况行驶，将达到的最大里程数与所定续驶里程数之比进行折算。考虑到蓄电池
23、增减使车载质量变化而影响续驶里程，应乘适当修正系数。续驶里程有两种指标：以特定车速如60km/h匀速、综合工况行驶所能达到的里程数。显然综合工况下的续驶里程较低，通常约为60km/h等速行驶所能达到续驶里程的60%80%。考虑到新旧蓄电池等因素，需进行适当的冗余设计，通常将所得值再增加1030的冗余量。确定满足所定续驶里程指标所需车载蓄电池能量可采用如下两种方法：第一节 电动汽车动力系统参数的设计基础 (4)(4)按驱动时最大放电电流和发电回馈时瞬间按驱动时最大放电电流和发电回馈时瞬间充电电流校核车载储能装置的充放电能力充电电流校核车载储能装置的充放电能力必要时需在该特殊工况下测试充放电电流与
24、蓄电池允许值比较。并按需采用第一章所述的与超级电容或高速飞轮组合使用的复合储能装置。 可按蓄电池厂家提供的电池充放电工作循环次数和使用寿命， 结合前述续驶里程即为一次充满电可行驶里程数，来估算所配 蓄电池最多能行驶的里程数，即为车载储能装置的寿命。 尤其在制动或下坡时经电机发电回馈，会以瞬间大电流向蓄电池充电；而在上坡道起步时，电机极大的起动电流也相应增大蓄电池放电的电流。即需充分预估蓄电池在此特殊工况的充放电能力以免损坏而降低寿命等。第一节 电动汽车动力系统参数的设计基础 (5)(5)按蓄电池的充放电循环寿命等估算车载储能装置寿命按蓄电池的充放电循环寿命等估算车载储能装置寿命(6)(6)按所
25、选电池的比能量等估算车载储能装置附加的载重按所选电池的比能量等估算车载储能装置附加的载重将所配蓄电池的总能量除以所选电池的比能量，即可估算车载储能装置所附加的载重。如该值与前述确定动力性参数时，给定车载总重G为其所留的余量出入较大，则需修正后再重新计算。蓄电池经分组后即可作为配重物，采用适当分散安放也利于通风散热，所蓄电池在悬架安装位置，应尽可能按降低车辆质心高度等要求来布局，如安置于座位下面等。同时也需考虑到便于散热、更换、维护等要求。第一节 电动汽车动力系统参数的设计基础 (7)(7)按车辆动力学对汽车质心的要求等确定蓄电池的分组数及其布局按车辆动力学对汽车质心的要求等确定蓄电池的分组数及
26、其布局按车辆动力学对汽车质心的要求，希望车身的质心高度越低越有利于汽车行驶的平稳性、附着利用率等；而质心至前、后轮轴距对前、后轮驱动方式的附着率，以及通过性等也均有影响。(8)(8)按电池组允许工作温度范围等确定其散热、温控及其电源管理按电池组允许工作温度范围等确定其散热、温控及其电源管理 电池组的工作温度范围主要取决于蓄电池类型，如磷酸铁锂电池的工作范围为-2060；锰酸锂电池的工作范围为-2050；Ni/ MH镍氢电池的温度范围一般在- 2055。低温时电源系统应能满足车辆起步所要求的电机启动电流。正常使用工况中应估算车辆行驶过程发热引起的温升。而充电过程中蓄电池本身会产生较多热量，尤其在
27、快充时产热量更大。需按不同情况采取相应散热方式，如正常行驶中产热不大，可利用车身前方底部吹入的风散热；而充电中需有停车充电的固定散热或温控设施。第一节 电动汽车动力系统参数的设计基础 电源管理系统 BMS 功能主要包括检测电池各性能参数、信息采集、数据运算处理分析、充放电能量管理、电池温度热管理控制、安全管理、状态数据显示和故障诊断报警等。使电池工作在合理的电压、电流、温度范围及荷电状态 SOC 等下，必要时通过限流控制避免蓄电池过充放电，以确保电池组安全有效运行，在最大发挥能量的同时，延长电池循环使用寿命。回到本章目录第二节第二节 纯电动公交客车的动力系统设计实例纯电动公交客车的动力系统设计
28、实例为具体说明上节所述电动汽车动力系统参数的设计，本节和下一节分别以纯电动公交客车和四轮直驱电动轿车为例，并均从设计要求、驱动电机所需的动力参数确定、车载储能装置所需总能量确定的三个方面来介绍。第二节 纯电动公交客车的动力系统设计实例表表4-1 4-1 纯电动公交客车的基本参数纯电动公交客车的基本参数参数数值参数数值 整车满载总质量m(kg)18000 滚动阻力系数f0.0076+0.000056ua 给蓄电池预留的附加载重mB(kg)3000空气阻力系数CD0.7电机调速的转速因子x=nmax/nbas3迎风面积A(m2)7.95电机额定转速时5min内过载倍数ke52旋转质量换算系数1.2
29、9电机额定转速时1min内过载倍数ke12.5预估传动系统总效率T 0.92车速50km/h时电机在1min内过载倍数ka12车轮滚动半径rr(m)0.475 最高车速要求uamax(km/h)80经常行驶车速(km/h)26.8 050km/h加速时间要求t(s)12最大爬坡度要求imax(%)12 车速26.8km/h时续驶里程要求S(km)200空调等辅助装置功率Pk(kW)81 1、整车设计要求、整车设计要求均列于下表所示。为使公交客车在城区常行驶的低速工况运行于电机额定转速附近，以仍能获得较高效率，并又需满足公交客车的最高车速要求，为此选择调速范围较宽的交流变频调速异步电机，按该类电
30、机的转速因子x=nmax/nbase通常可达4，在此设为3。如此即可采用仅一档齿轮减速，预估电机在不同转速及其过载时间内的转矩过载倍数如表所示。 在此选公交车常用轮胎型号为275/70R22.5，即该轮胎无载荷时的自由半径为22.525.4/2+27570%=478.25mm=0.47825m，由于轮胎载荷时变形减小，所选取车轮滚动半径rr为0.475m。其中车轮滚动半径rr由所选轮胎型号确定，即按图示计算轮胎直径为轮辋直径25.4+2轮胎断面宽度扁平率百分数。第二节 纯电动公交客车的动力系统设计实例速度级别：以字母顺序BG、JN、RU、H、V、W、Y分别表示车速为50300km/h负荷指数：
31、用数字62114表示，随数字及胎内气压增加，可受负荷增大轮辋直径(in)：即轮胎内径，有10吋、1218吋、2032吋等规格轮胎结构：字母R表示子午线结构；斜交结构用“-”表示轮胎扁平率：轮胎断面高度与宽度之比，轮胎宽度扁平率百分数=轮胎高度轮胎断面宽度（mm）：有125165、175、185、195、205285等尺寸 245/45R18 80 H图4-1 轮胎型号规格表示法2 2、驱动电机所需的动力参数确定、驱动电机所需的动力参数确定按国家标准推荐的电机功率等级，以偏大值选驱动电机额定功率Pe为110kW。 第二节 纯电动公交客车的动力系统设计实例(1)(1)确定电机的额定功率确定电机的额
32、定功率P Pe e及其最高转速及其最高转速n nmaxmax按前述式 ，设爬坡度i=0，加速度du /dt =0，代入表4-1中相关数据，其中车速为所要求的最高车速uamax=80km/h，重量G为重力加速度g(=9.8)与质量m乘积，得功率Pe为：tumuGiuAuCGfuPdd360036007614036001aa3aDaTekWP15.9276140807.950.7360080800.0000560.00769.8180000.9213e）（将uamax=80km/h、车轮滚动半径rr=0.475m、预设总传动比igi0=17.4，代入前3-14式求电机恒功率调速区最高转速 。按计算
33、值略留余量，选取电机最高转速nmax=7800r/min。 min/7773475. 0377. 04 .1780377. 00amaxmaxrriiunrg(2)(2)确定电机的额定转速确定电机的额定转速n ne e及其额定转矩及其额定转矩T Te e按表4-1所给公交车经常行驶的车速uae=26.8km/h，为在该车速时提高电机运行效率，利用式(3-14)即可求得车速uae对应于电机额定转速ne的传动比i0=0.377rr neuae=0.3770.475260026.8=17.373，对其四舍五入后正好选择i0=17.4。 第二节 纯电动公交客车的动力系统设计实例按所选电机调速范围所能达
34、到的转速因子x=nmax/nbase=3，可求得对应于基速nbase的额定转速ne=nmax/x=7800/3=2600r/min。再代入前述式(2-1)，求得对应的额定转矩 。mnPTeeN044260000011055. 99.55e(3)(3)确定采用一档齿轮减速的传动比确定采用一档齿轮减速的传动比i0(4)(4)校核最大爬坡度校核最大爬坡度imax要求要求第二节 纯电动公交客车的动力系统设计实例按电机额定转速时5min内过载倍数ke5=2、预估传动系总效率T=0.92、车轮滚动半径rr=0.475m，及所求得额定转矩Te=404Nm、传动比i0=17.4。代入前述式3-13得电机额定转
35、速时5min内过载转矩传输至驱动轮相应的过载驱动力27230N0.4750.9217.4240405etemaxrTerikTF再将表4-1中相关数据代入前述式3-7，求得对应车速uae=26.8km/h时的空气阻力189N21.1526.87.957 .015.2122aeAuCFDwe然后将上述相关数据代入前述式3-20，可求得对应uae=26.8km/h时的5min过载动力因数1533. 08 . 91800018927230maxmaxmgFFDwetee所得值0.146是26.8km/h车速在5min内可达爬坡度，即当坡度i=14.6%，以uae=26.8km/h车速可爬坡长为223
36、3米。而随速度降低或过载时间缩短，过载倍数还能相应增加，即可使爬坡度加大。现已大于表4 - 1中所要求的最大爬坡度imax=12%，说明满足该项指标。第二节 纯电动公交客车的动力系统设计实例计算uae=26.8km/h时滚动阻力系数fe=0.0076+0.00005626.8=0.0091，将Demax=0.1533代入前述最大爬坡角 ，求得最大爬坡度222max1max1max11arcsinffDfD146. 00091. 011533. 00091. 010091. 01533. 0arcsintan222maxi(5)(5)校核加速性能指标校核加速性能指标根据表4-1要求050km/h
37、加速时间t=12s；电机额定转速时1min内过载倍数ke1=2.5；车速50km/h时电机在1min内过载倍数ka1=2。第二节 纯电动公交客车的动力系统设计实例将车轮半径r=0.475、传动比igi0=17.4代入式(3-14)求得车速ua=50km/h时的电机转速n50=uaigi0/(0.377r)=5017.4/(0.3770.475)=4858r/min，再将已得功率Pe一起代入式(2-1)求得电机转速n50时的转矩T50=9.55Pe/n= 9.55110000/4858=216Nm，相应的过载转矩TdG2=2162=432Nm；按前已得电机额定转速ne=2600r/min，额定转
38、矩Te=404Nm，求相应的过载转矩TdGe=4042.5=1010Nm；两个过载转矩平均值TdG=(1010+432)/2=721Nm。前已得电机额定转速时车速uae=26.8km/h，对应滚动阻力系数fe=0.0091，而车速ua=50km/h时滚动阻力系数fa=0.0076+0.00005650=0.0104。 求汽车050km/h加速时间t=tT+tP=5.34+5.7=11.04s，小于要求值12s， 即恰满足指标。先分别计算tT中间项21.15rGf=21.150.475180009.80.0091=16127；tP中间项21.15rGf=21.150.475180009.80.0
39、104=18430。然后再将所得值和相关数据代入计算如下：第二节 纯电动公交客车的动力系统设计实例5.342/26.87.950.70.475161270.9217.4101015.21)026.8(0.47521.156 . 3180001.292Tt5.726.823.25.342/ )26.850(7.950.70.475184300.9217.472115.21)26.850(0.47521.156 . 3180001.29212Pt21aa01aaT2/)(15.2115.21)(21.156.3uuArCrGfiTuurmteDTdGee)()(2/ )(15.2115.21)(2
40、1.156 . 3211aaa2a22aa0a2aPuuuutuuArCrGfiTuurmteeTeDTdGe将上述所求得值及表4-1中相关数据代入前述的如下低速恒转矩调速区低速恒转矩调速区加速时间加速时间tT T和高速恒功率调速区高速恒功率调速区加速时间加速时间tP P两个公式中：(6)(6)确定电源系统所要求的总功率确定电源系统所要求的总功率将所得电机额定转速时最大过载转矩TdGe=1010Nm，代入式(2-1)计算电机所需峰值功率PeG=TdGene /9550=10102600/9550=275kW。然后除以电机及其驱动控制器预估效率mc=90%，再加上表4-1中的空调等辅助装置功率P
41、k=8kW，求得: 275/0.9+8=314kW，略留余量确定汽车电源系统所要求的总功率P总为320kW。第二节 纯电动公交客车的动力系统设计实例3 3、确定蓄电池组所需总能量和校核其续驶里程、确定蓄电池组所需总能量和校核其续驶里程参照国标对电动汽车电机推荐的电源电压等级，选取电压U=384V。所要求最大电流I=320000384=833A，略留余量选取I=840A。在此选磷酸铁锂LiFePO4蓄电池，按前所述单体电池电压为3.2V，单体电池容量为20Ah，如此采用84020=42个单体电池并联成电池组容量为840Ah，再由120个该电池组进行串联。第二节 纯电动公交客车的动力系统设计实例(
42、l)(l)确定电源系统标称电压和总能量确定电源系统标称电压和总能量由此可确定电源系统的标称电压为384V；蓄电池总容量为840Ah；总电能EB=3840.84=322.56kWh；电压应用范围为312456V。(2)(2)校核车速校核车速26.8km/h26.8km/h时的续驶里程时的续驶里程将计算所得值及表4-1中数据代入前述式3-4和式3-8，即可求得汽车以车速26.8km/h平路匀速行驶所需功率Pe为：考虑到新旧蓄电池等因素，蓄电池以总电量的放电量系数q=0.8；预估蓄电池平均放电效率q=95%；及已定的T=92%、mc=90%；代入蓄电池总电能EB=322.56kWh；和车速26.8k
43、m/h平路匀速时所需功率Pe=13.357kW，一次充满电以车速26.8km/h平路匀速行驶可达续驶里程s按下式计算: :即大大超过了表4-1中所要求车速26.8km/h时的续驶里程S=200km。 第二节 纯电动公交客车的动力系统设计实例kWfGuPPPaawfe13.3577614026.87.950.7360026.89.8180000091. 076140AuC360033DkmuEqsamcTBq40713.35726.80.900.9256.32295. 00.8Pe从以上设计参数来看，基本利用了电机的调速范围和过载能力，使汽车在车速26.8km/h平路匀速行驶时每公里的能耗仅为0
44、.5kW(13.357/26.8)。根据前述表1-3中的磷酸铁锂蓄电池比能量SE=100Wh/kg，及所需蓄电池总电能EB=322.56kWh，估算车载储能装置附加载重mB=EB/SE=322560/100=3225.6kg，即已超出表4-1中mB=3000kg。但由于在爬坡、加速时利用了电机过载能力，需要车载电源提供较大的电流，使所需蓄电池容量及其附加载重均有较大提高，并且还没有将制动或下坡时由电机发电回馈向蓄电池以瞬间大电流充电计算在内。第二节 纯电动公交客车的动力系统设计实例按表1-3中的磷酸铁锂蓄电池循环寿命为2000次，可得所配蓄电池最多所能行驶的里程数为4072000=814000
45、公里。 (3)(3)校核车载蓄电池附加载重及其循环寿命内的行驶里程校核车载蓄电池附加载重及其循环寿命内的行驶里程即需采用与超级电容组合的复合型储能装置，如此将50%的蓄电池成本用于超级电容；附加载重也减少约50%，约为1612kg，即有利于改善动力性；续驶里程还能为200km，基本为每天所需行驶里程数。回到本章目录第三节第三节 电动轿车采用四轮直驱轮毂电机的设计实例电动轿车采用四轮直驱轮毂电机的设计实例列于下表所示。为使轿车在城区常行驶的低速工况运行于电机额定转速附近以仍有较高效率，并又能满足高速公路行驶的最高车速，特选择调速范围较宽的开关磁阻电机，其转速因子x=nmax/nbase通常可达6
46、，在此设为4。 1 1、整车设计要求、整车设计要求表表4-2 4-2 电动轿车设计的基本参数电动轿车设计的基本参数参数数值参数数值整车满载总质量m(kg)1300滚动阻力系数f0.008+0.00006ua给蓄电池预留的附加载重mB(kg)500空气阻力系数CD0.4电机调速的转速因子x=nmax/nbase4迎风面积A(m2)2电机低额定转速时5min内过载倍数kDe52.5旋转质量换算系数1.38电机高额定转速时5min内过载倍数kGe52最高车速要求uamax(km/h)125电机高额定转速时1min内过载倍数kGe12.5最大爬坡度要求imax(%)30车速70km/h时电机在1min
47、内过载倍数ka71.80100km/h加速时间t(s)12车速100km/h时电机在1min内过载倍数ka101.6车轮滚动半径rr(m)0.335车速16km/h时续驶里程要求S(km)280经常行驶车速(km/h)1632车速32km/h时续驶里程要求S(km)300空调等辅助装置功率Pk(kW)1 由于采用SR轮毂电机要求轮胎轮辋直径尽可能大。为此选用轮胎型号为245/45R18，按图示计算该轮胎的自由半径为1825.4/2+24545%= 338.85mm，由此选取车轮滚动半径rr=0.335m。 按我国高速公路最高允许车速120km/h，在此要求最高车速为125km/h。第三节 电动
48、轿车采用四轮直驱轮毂电机的设计实例 采用四轮毂电机直驱，即可按前述根据路况负荷来灵活调配驱动功率，并对蓄电池采用前述串、并联换接进行两级调压，使SR电机同时具有高、低两级额定转速。即使电机在市区低速工况，及高速公路均有较高效率。由于采用轮毂直驱要求所用SR电机为五相20/16极结构，即采取第二章所述有关低速运行时可极大改善转矩脉动的结构设计。 速度级别：以字母顺序BG、JN、RU、H、V、W、Y分别表示车速为50300km/h负荷指数：用数字62114表示，随数字及胎内气压增加，可受负荷增大轮辋直径(in)：即轮胎内径，有10吋、1218吋、2032吋等规格轮胎结构：字母R表示子午线结构；斜交
49、结构用“-”表示轮胎扁平率：轮胎断面高度与宽度之比，轮胎宽度扁平率百分数=轮胎高度轮胎断面宽度（mm）：有125165、175、185、195、205285等尺寸 245/45R18 80 H图4-1 轮胎型号规格表示法表表4-2 4-2 电动轿车设计的基本参数电动轿车设计的基本参数参数数值参数数值整车满载总质量m(kg)1300滚动阻力系数f0.008+0.00006ua给蓄电池预留的附加载重mB(kg)500空气阻力系数CD0.4电机调速的转速因子x=nmax/nbase4迎风面积A(m2)2电机低额定转速时5min内过载倍数kDe52.5旋转质量换算系数1.38电机高额定转速时5min内
50、过载倍数kGe52最高车速要求uamax(km/h)125电机高额定转速时1min内过载倍数kGe12.5最大爬坡度要求imax(%)30车速70km/h时电机在1min内过载倍数ka71.80100km/h加速时间t(s)12车速100km/h时电机在1min内过载倍数ka101.6车轮滚动半径rr(m)0.335车速16km/h时续驶里程要求S(km)280经常行驶车速(km/h)1632车速32km/h时续驶里程要求S(km)300空调等辅助装置功率Pk(kW)1第三节 电动轿车采用四轮直驱轮毂电机的设计实例 滚动阻力系数f参考前述式3-5、式3-6、表3-2及其相关内容，由于最高车速仅
