纯电动汽车的电机与变速器匹配

曾 虎 ，黄菊花

（1.南昌大学机电工程学院，江西南昌330031；2.江西机电职业技术学院，江西南昌330013）

汽车对人类社会的进步产生了巨大推动作用，但也带来了一系列负面效应，如严重的环境公害，石油供应危机等。节约能源与开发替代能源，被认为是缓解环境污染、保障能源供给的有效方法，开发代用燃料和电动汽车，是解决环境问题的重要手段之一，丰田prius,yaris、比亚迪F3DM等混合动力车型，均引起了较大市场反响。目前，对电动汽车的研究，主要集中在能源储存、驱动方式和控制策略方面，而纯电动汽车电机与变速器的匹配，对电动汽车的动力性、经济性、续航里程也有显著影响。目前众多在内燃发动机汽车基础上改造的电动汽车，大都沿用了原有变速器的一个或两个档位来传动，不利于变速器的专用化、轻量化及市场化。本文是在昌河IdealⅡ纯电动汽车的基础上，根据电机扭矩特性提出的传动方案。

1 电动机性能参数的确定

1.1 电动机主要性能参数确定

（1）以最高车速确定电机额定功率PN。

PN——电机额定功（kW）；

ηT——传动系效率0.90～0.92；

m——最大总质量（kg）；

f——滚动摩擦系数，良好沥青路面0.010~0.018，一般沥青与水泥路面0.018~0.020；

Cd——风阻系数，轿车Cd=0.30～0.41；

A——迎风面积（m2），轿车A=1.7～2.1；

umax—— 最高车速（km/h）。

（2）以常规车速确定电机额定转速nN。

nN——电机额定转速（r/min）；

ig——变速器传动比；

i0——主减速器传动比；

r——车轮滚动半径（m）。

（3）以额定功率、转速确定额定转矩MN。

MN——电机额定转矩(N·m)；

PN——电机额定功率(kW)；

nN——电机额定转速（r/min）。

（4）以最大爬坡度确定短时工作线低速转矩MNmax。

按式（4）先计算出汽车在最大坡度下需要的汽车驱动力Ft；再按式（5）计算出产生此驱动力所需要的电机转矩MNmax。

Ft——汽车驱动力（N）；

Fr——汽车行驶阻力（N）；

u——上坡时汽车速度（km/h）。

MNmax——电机最大转矩(N·m)；

r——车轮滚动半径（m）；

ig——变速器传动比；

i0——主减速器传动比；

ηT——传动系效率，0.90~0.92。

1.2 选择交流变频电动机的基本原则

（1）电机的额定功率，应满足电动汽车最高车速要求；

（2）电机的短时工作转矩，应能满足汽车最大爬坡度要求；

（3）电动汽车的常规车速，应落在变频电机的基频上；

（4）电动汽车的最高车速功率平衡点，应落在电动机特性曲线的等功率段上。

2 变速器传动比和档位确定原则

采用交流驱动系统需要考虑两个主要的动力、阻力平衡点：点：其一是常规车速行驶的转矩平衡点；其二是最高车速下的转矩平衡点。

图1 单一传动比的功率平衡

图2 两级传动比的功率平衡图

图3 产生缺口的功率平衡图

3 I dealⅡ纯电动汽车传动设计

3.1 性能参数（见表1）

表1 I dealⅡ纯电动汽车性能参数要求

3.2 各工况阻力，电机转速、功率、转矩计算结果

（1）各工况阻力Fr（见表2）。

表2 各工况阻力Fr

（2）电机的参数要求（见表3、表4，初选变速器传动比ig2=1.447，主减速器传动比i0=4.3）。

表3 各工况对电机参数的要求

表4 所选电动机主要参数

由表3可见，爬坡时电机转矩不足，因此增加变速器一个档位，爬坡时采用ig1=2.2，主减速器传动比不变i0=4.3，对应的电机转速和转矩如表5。

根据以上计算结果，选择的电动主要参数如表4，特性曲线如图4。档位及传动比的选择和电动机的参数匹配相辅相成，初选方案前面已述，即变速器采用两个档位，一档传动比ig1=2.2，二档传动比ig2=1.477，主减速器传动比i0=4.3，计算表明可以达到汽车最高车速和最大爬坡度要求。

表5 爬坡时采用ig1=2.2，i0=4.3时电机参数要求

图4 电动机特性

3.3 传动方案设计

本变速器采用两档变速，因为倒档可用电机反转实现，故变速器无需再设置倒档，驱动方式为前轮驱动，在设计主减速器时要注意传动比i0不可太大，否则主减速器被动齿轮直径过大，既影响变速器尺寸，也使汽车离地间隙变小，传动方案如图5。

图5 变速器传动方案

4 结束语

本文采用两档变速器与电动机匹配，传动比大小只是一个方案，不一定最佳，利用matlab软件建立优化目标函数，可进一步优化传动比参数，得到更好的动力性能。

[1]陈清泉，孙逢春，祝嘉光.现代电动汽车技术[M].北京：北京理工大学出版社，2002.

[2]余志生．汽车理论（第4版）[M]．北京：机械工业出版社，2006.

[3]姬芬竹，高 峰，周 荣.纯电动汽车传动系参数匹配的研究[J].汽车科技，2005，(6)：22-24.

[4]李 征，周 荣.电动汽车驱动电机选配方法[J].汽车技术，2007，(2)：16-18.