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电动汽车驱动电机的设计与选型

全世界的汽车保有量和使用量的逐日增大,世界能源问题越来越突出,电动汽车方向逐渐出现并在汽车领域占有了一个非常重要的位置。

早在20世纪50年代初,美国人罗伯特就发明了一种将电动机、传动系统和制动系统融为一体的轮毂装置。该轮毂于1968年被通用电气公司应用在大型的矿用自卸车上。

相对与传动汽车、单电机集中驱动的汽车,轮毂电机式电动汽车具有以下优点:

动力控制通过电子线控技术实现对各电动轮进行无级变速控制,以及各电动轮之间的差速要求,省略了传统汽车所需的波箱、离合器、变速器、传动轴等;在电机所安装的位置同时可见,整车的结构变得简洁、紧凑,车身高降低,可利用空间大,传动效率高。

容易实现各电动轮的电气制动、机电复合制动和制动能量回馈。

底盘结构大为简化,使整车总布置和车身造型设计的自由度增加。若能将底盘承载功能与车身功能分离,则可实现相同底盘不同车身造型的产品多样化和系列化,从而缩短新车型的开发周期,降低开发成本

若在采用轮毂电机驱动系统的四轮电动汽车上导入线控四轮转向技术(4WS),实现车辆转向行驶高性能化,可有效减小转向半径,甚至实现零转向半径,大大增加了转向灵便性。

(说起来很轻松,但是如果真正实现起来,上面那段话恐怕十年之内都没办法产业化,比如机电复合制动,比如制动能量回馈,原理不难,难的是在技术、成本、产业、供应商等等条件都成熟起来之后......)

1.电动汽车基本参数参数确定

1.1 该电动汽车基本参数要求,如下表:



1.2 动力性指标如下:

  • 最大车速X;
  • 在车速 =60km/h时爬坡度 5%(3度);
  • 在车速 =40km/h时爬坡度 12% (6.8度);
  • 原地起步至100km/h的加速时间 ;
  • 最大爬坡度 (16度);
  • 0到75km/h加速时间 ;
  • 具备2~3倍过载能力。

2.电机参数设计

一般来说,电动汽车整车动力性能指标中最高车速对应的是持续工作区,即电动机的额定功率;而最大爬坡度和全力加速时间对应的是短时工作区(1~5min),即电动机的峰值功率。

2.1 以最高车速确定电机额定功率

根据虽高车速计算电机功率时,不考虑加速阻力和坡道阻力,电机功率 应满足:




式中:

  • 电机输出功率,kw;
  • 传动系效率,取0.9;
  • 最大车重,取1400kg;
  • 滚动摩擦系数,取0.014;
  • 风阻系数,取0.33;
  • 迎风面积,取2.50㎡;
  • 最高车速,取100km/h。

根据(1)(2)式,可以计算出满足最高车速时,电机输出额定功率为21.023kw[3]。

2.2 根据要求车速的爬坡度计算





根据公式(4),其中在车速 =60km/h时爬坡度 5%可得:




根据公式(4),其中在车速 =40km/h时爬坡度 12%可得:




根据(4)式,可以计算出满足车速为60km/h时,爬坡度为5%,电机输出额定功率为20.95kw,满足车速为40km/h时,爬坡度为12%,电机输出额定功率为23.307kw[3][5]。

2.3 根据最大爬坡度确定电机的额定功率

根据公式(4),其中在车速 =20km/h时爬坡度 28%(16度)可得:



根据(4)式,可以计算出满足车速为20km/h时,爬坡度为28%,电机输出额定功率为24.634kw,在这里假定额定功率为25kw。

2.4 根据额定功率来确定电机的最大功率

电机的最大功率可以由下式计算得出:




式中: ——电机最大功率,kw;

——电机过载系数,一般取2~3。

根据式(3),可计算得 =50~75kw,所以初步假设电机的峰值功率为75kw 。由于选用的是轮毂电机,所以每个电机设定为:峰值功率20kw,额定功率为10kw[5]。

2.5 电机额定转速和转速的选择

对电机本身而言,额定功率相同的电机额定转速越高,体积越小,质量越轻,造价越低;而且电机功率恒定时,随着电机额定转速和最高转速的增加,电机的最大转矩会减小,从而避免造成转矩过太的不利影响。

因此,选择高速电机是比较有利的。但当电机转速超过一定程度后,其转矩降低幅度明显减小.因此,电机最高转速过高时,将导致电机及减速装置的制造成本增加。电机转速的选择既要考虑负载的要求.又要考虑电机与传动机构的经济性等固素。

综合上述各种因素,由于选用轮毂电机,根据车用驱动电机的特点井参考其他电动车辆上采用的电机,选定电机的额定转速为2000r/min,最高转速为3000r/min。




式中: ——电机的最大转矩,N•m;

——电机的额定转矩,N•m;

——电机的额定转速,r/min。

通过式(5),可算出电机的最大转矩为: =143.25N•m,额定转矩为: =47.75N•m[1]。

3.传动系最大传动比的设计

(1) 的选择首先应满足车辆最高行驶速度要求, 由最高车速 与电机最高转速 确定传动比的上限。

根据公式:




得: 3.732

(2)由电机的最高转速对应的最大输出转矩 和最高车速对应的行驶阻力 确定速比的下限值:




由前面的计算可得: 681.16(N)

最大输出转矩 143.25(N•m)

(3)由电机最大输出转矩和最大爬坡度对应行驶阻力确定 。

根据公式:




203.997(N)

最大输出转矩 143.25(N•m)

由以上的计算我们选定一个合适的减速比 =3.4[1]。

4.电机的种类与性能分析

4.1 直流电动机

有刷直流电动机的主要优点是控制简单、技术成熟。具有交流电机不可比拟的优良控制特性。在早期开发的电动汽车上多采用直流电动机,即使到现在,还有一些电动汽车上仍使用直流电动机来驱动。

但由于存在电刷和机械换向器,不但限制了电机过载能力与速度的进一步提高,而且如果长时间运行,势必要经常维护和更换电刷和换向器。另外,由于损耗存在于转子上,使得散热困难,限制了电机转矩质量比的进一步提高。鉴于直流电动机存在以上缺陷,在新研制的电动汽车上已基本不采用直流电动机

4.2交流三相感应电动机

交流三相感应电动机的基本性能

交流三相感应电动机是应用得最广泛的电动机。其定子和转子采用硅钢片叠压而定子之间没有相互接触的滑环、换向器等部件。结构简单,运行可靠,经久耐用。

交流感应电动机的功率覆盖面很宽广,转速达到12000~15000r/min。可采用空气冷却或液体冷却方式,冷却自由度高。对环境的适应性好,并能够实现再生反馈制动。与同样功率的直流电动机相比较,效率较高,质量减轻一半左右,价格便宜,维修方便。

4.3 永磁无刷直流电动机

永磁无刷直流电动机的基本性能:

永磁无刷直流电动机是一种高性能的电动机。它的最大特点就是具有直流电动机的外特性而没有刷组成的机械接触结构。加之,它采用永磁体转子,没有励磁损耗:发热的电枢绕组又装在外面的定子上,散热容易,因此,永磁无刷直流电动机没有换向火花,没有无线电干扰,寿命长,运行可靠,维修简便。

此外,它的转速不受机械换向的限制,如果采用空气轴承或磁悬浮轴承,可以在每分钟高达几十万转运行。永磁无刷直流电动机机系统相比具有更高的能量密度和更高的效率,在电动汽车中有着很好的应用前景。

永磁无刷直流电动机的不足:

永磁无刷直流电动机受到永磁材料工艺的影响和限制,使得永磁无刷直流电动机的功率范围较小,最大功率仅几十千瓦。

永磁材料在受到振动、高温和过载电流作用时,其导磁性能可能会下降或发生退磁现象,将降低永磁电动机的性能,严重时还会损坏电动机,在使用中必须严格控制,使其不发生过载。

永磁无刷直流电动机在恒功率模式下,操纵复杂,需要一套复杂的控制系统,从而使得永磁无刷直流电动机的驱动系统造价很高

4.4 开关磁阻电动机

开关磁阻电动机的基本性能

开关磁阻电动机是一种新型电动机,该系统具有很多明显的特点:它的结构比其它任何一种电动机都要简单,在电动机的转子上没有滑环、绕组和永磁体等,只是在定子上有简单的集中绕组,绕组的端部较短,没有相间跨接线,维护修理容易。因而可靠性好,转速可达15000 r/min。

效率可达85%~93%,比交流感应电动机要高。损耗主要在定子,电机易于冷却;转子元永磁体,调速范围宽,控制灵活,易于实现各种特殊要求的转矩一速度特性,而且在很广的范围内保持高效率。更加适合电动汽车动力性能要求。

开关磁阻电动机的不足

开关磁阻电动机的控制系统比其他电动机的控制系统复杂一些,位置检测器是开关磁阻电动机的关键器件,其性能对开关磁阻电动机的控制操作有重要影响。由于开关磁阻电动机为双凸极结构,不可避免地存在转矩波动,噪声是开关磁阻电动机最主要的缺点。

但近年来的研究表明,采用合理的设计、制造和控制技术,开关磁阻电动机的噪声完全可以得到良好的抑制。另外,由于开关磁阻电动机输出转矩波动较大,功率变换器的直流电流波动也较大,所以在直流母线上需要装置一个很大的滤波电容器。

5.电机的选择

电动汽车采用的备种驱动电动机性能比较

电动汽车在不同的历史时期采用了不同的电动是采用了控制性能最好和成本较低的直流电动机。随着电机技术、机械制造技术、电力电子技术和自动控制技术的不断发展,交流电动机。

永磁元刷直流电动机和开关磁阻电动机显示出比直流电动机更加优越的性能,在电动汽车上,这些电动机逐步取代了直流电动机。

表1为现代电动汽车所采用的各种电动机的基本性能比较。目前交动机、永磁电动机和开关磁阻电动机以及它们的控制装置,成本还比较高,形成批量生产以后,这些电动机和单元控制装置的价格会迅速降低,将能够满足经济效益的要求,并使电动汽车整车价格降低[4]。



经比较,该车选用轮毂式电动轿车开关磁阻电机(专利号:201020193561),数量为4个,具体参数如下,表2:

表2 计算和最终确定电机参数




6.电机其他选择与设计

电机是纯电动车(EV)最为重要的部分之一,但由于轮毂所处的部位同时是比较恶劣的地方,所以轮毂电机的电动汽车设计中也需特殊设计。

6.1 电机形状位置设计

轮毂电机位于车轮,该车采用轮胎型号:215/65 R16;

则根据公式:自由半径




汽车车轮的自由半径r=(215*65%*2+16*25.4)/2=0.343m

根据公式:滚动半径





其中,F为计算常数,子午轮胎F=3.05,d为轮胎的自由直径。

所以车轮半径 =(3.05×2r)/2π=0.333m。

6.2 电机冷却设计

在传统电动机一般风冷便可以达到电机冷却效果,但是电动汽车的电机是整个汽车动力的来源,由上面数据可知轮毂电机最大功率可达20kw,所以,我选择水冷方式对轮毂电机冷却。

电机密封表面与水套连接,电机部分整体浸在冷却液中,电机发热大部位有凸出的散热片,电机旋转同时,散热片对冷却液压缩驱动,代替汽车水泵。原理图如下:




图1 轮毂电机水冷设计简图

本设计包括左轮毂架、右轮毂架、箱体、外转子电机、轴、车轮和制动器,左轮毂架和右轮毂架与箱体相对固定连接,电机定子与轴之间的空腔内设置内冷却水箱,内冷却水箱固定设置在箱体内,电机定子紧密贴合固定套在内冷却水箱的外壳上;还包括外冷却水箱,外冷却水箱设置于电机外圆周,外冷却水箱和内冷却水箱之间通过至少一条通道连通。

利用冷却水的对流原理,能够有效散失电机运转产生的热量,并且在电机长时间运转时仍能有效散失热量,保证电机有较高的工作效率,从而节约能源,延长电机使用寿命;结构简单紧凑,并不增加电动轮毂的体积,适合于电动车辆轻便灵活的特点;外冷却水箱构成箱体壁。

7.总结与展望

7.1 总结

随着现在的世界能源短缺,电动汽车在汽车行业里的地位逐步占有不可忽视位置,而轮毂电机便是汽车的另一个改革方向。由于传统汽车的发展已达一个相当成熟的阶段,这里只能参考部分传统性能参数进行设计选择电动汽车的动力参数,经过计算得出电机的标准参数。

7.2 问题与展望

本文仅由电机理论参数,设计选择出电机的最基本参数,在其中,选择的开关磁阻电机也是比较新的技术,对其数据仿真对比相对比较困难,也同时难以形成比较真实的仿真。

未来应当将它放入电机测试平台进行功率、扭矩测试进行更近一步的数据仿真。此外,这里还涉及了电机的密封与散热问题,水套如何与电机进行更好的密封,以及抵抗外界碰撞、震动的能力需要进一步的测试设计。

最后,电动汽车是一个集机械设计、电控技术、电池技术为一体的复杂的、多样的系统工程。本文还有很多需要改进的地方和有待进一步研究的难点。相信电动汽车必定在新技术的开发下有个美好的前景。

参考文献

[1]陈伟.《电动汽车的动力学建模与仿真研究》.吉林大学,2003.

[2]李燕民,郜志峰.《电路与电子技术》.北京理工大学出版社(第二版),2010.

[3]杨万福,余晨光.《汽车理论》.华南理工大学出版社,2010.

[4]褚文强,辜承林.《电动汽车用轮毂电机现状研究与发展趋势》.华中科技大学,电气与电子工程学院,2007.

[5]杨金星,乔维高,刘宠誉.《电动汽车动力系统参数设计》.武汉理工大学汽车工程学院,2009.

[6]王桂姣.《电动汽车轮毂电机驱动系统的运动特性与能量分配》.武汉理工大学,2009.

[7]胡骅,宋慧.《电动汽车(第二版)》.人民交通出版社,2006.

发布于 2018-11-27

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