新能源清扫车电机驱动系统的设计

冯玉松，张丛丛

（长安大学汽车学院，陕西 西安 710064）

前言

随着环境污染，能源枯竭等问题的不断加剧，电动汽车再次受到人们的重视。并随着科技水平的进步，使得许多关于电动汽车的难题得以解决。以现有传统汽车为研究对象，再加上部分纯电动技术则会大幅度降低设计、制造成本，还可减短设计周期，使得短时间量产成为可能。本文在传统车型的基础上，按照对新能源清扫车动力驱动系统的性能要求，来对动力驱动系统进行合理匹配设计，包括对驱动电机、动力电池等部件的性能参数进行设计以及它们之间的合理匹配技术。

1 整车参数和性能要求

1.1 整车参数

传统轻型货车基本参数及与其载重质量相仿的清扫车性能参数如表1所示。

1.2 动力性能指标

最大车速：清扫模式≥20km/h；最大爬坡度：≥20%；续航里程：等时速≥20km/h时，≥50km。

2 电动汽车动力系统参数设计

电动汽车的驱动系统的参数选择，对汽车的动力性、经济性都会有很大的影响。本文针对新能源清扫车的驱动系统进行了参数选择和匹配分析。

表1 新能源清扫车整车参数

2.1 驱动电机参数设计

2.1.1 电机功率选择

纯电动汽车的动力性能有三个主要指标分别是最高车速、加速性能和爬坡度等[1]。所以，我们选用电机功率时要考虑到这些条件。但是对于新能源清扫车一般对加速性能没有过多要求，可以以汽车的其余两个指标来计算驱动电机的功率。

（1）驱动电机在正常范围内工作时，可以实现最高车速，并能够保持行驶一定距离。所以根据本车的最高车速可来计算驱动电机的额定功率P1：

式中：νmax为汽车最高车速（km/h）；A 为迎风面积（m2）；CD为迎风阻力系数；f为滚动阻力系数；m为汽车最大总质量（kg）。

（2）本文所设计的新能源清扫车的最大爬坡度为20%，所以可以根据清扫车的最大爬坡度来确定电机的额定功率P2：

式中：νt为爬坡速度（km/h）。

所设计的电动汽车的电机功率需满足最高车速及最大爬坡度的性能要求，所以比较两者并取较大者来作为电机的额定功率：

式中：ηt为机械传动效率，取0.92；Pz为新能源清扫车作业功率。

2.1.2 驱动电机转速和转矩选择

所选电机的转速n和转矩T应均可满足汽车的动力性能指标，所以有：

式中：ν为车速（km/h）；ig为汽车以ν行驶时的档位所对应的传动比；i0为主减速器传动比；r为车轮半径（m）。

2.2 电池组参数设计

为了保证电动汽车对动力性和行驶里程的要求，动力电池组容量的选择应考虑汽车行驶时的最大功率和消耗的能量[2]。

2.2.1 根据电动汽车所需功率来确定动力电池的电池总数

为了保证电动汽车的行驶要求，所选动力电池组的电能须大于或等于电动汽车的最大总消耗量才可，所以据此可要求动力电池总数N1为：

式中：PM额定为模块电池的最大功率（kW）；P额定为电机额定功率（kW）；ηec为电机控制器工作效率；ηe为电机工作效率。

2.2.2 根据续航里程来确定动力电池组总数

所选择的动力电池应保证一次充电后，可使电动汽车行驶一定的距离，而且为保证电池寿命，电池放电的深度尽量小于90%，据此动力电池总数N2为：

式中：P恒为匀速行驶时的功率（kW）；V恒为汽车匀速行驶时的车速（km/h）；L为续航里程；CS为模块电池容量；VS为模块电池电压（V）。

所以综上两点电动汽车的电池总数N为：

3 电动汽车驱动系统选型和匹配

3.1 驱动电机的选型及匹配

用于电动汽车的电机类型有直流电机、感应电机、永磁同步电机及开关磁阻电机等，其中永磁同步电机具备功率密度高，峰值效率高，体积小，质量轻，安全性高等优点[3]。所以本文选用永磁同步电机。

根据表 1的相关参数，由公式（1）～（3）计算所需电机的额定功率，取νmax=20km/h，νt=10km/h，可得：

P1=39.69kW；P2=44.16kW；Per=48kW+20kW=68kW

取ig=4.243，i0=5.57进而算的驱动电机转速n和转矩T得：

n=2943rpm；T=220N·M

因为所选电机的功率应大于计算值，再综合其他因素，选用驱动电机的额定功率为 70kW，类型为永磁同步电机，型号GLMP60L0，其性能参数如表2所示。

表2 永磁同步电机性能参数

3.2 电池的选型及匹配

电动汽车动力电池主要性能指标包括能量密度、功率密度等[4]。型号包括，铅酸蓄电池，镍镉蓄电池，锂电池等，其中锂电池的种类多，比能量高，使用寿命长，性价比高，广泛应用于电动汽车上。综合考虑各种因素，选用磷酸铁锂电池，模块电池额定电压3.2V，额定容量5Ah，以46个模块并联为一组，那么模块组电池的电压为 3.2V，容量为230Ah。则

取ηe=90%，ηec=90%，则根据式（6）计算可得：

取V恒=20km/h，则根据公式（7）计算可得

选择N1，N2中较大者并进行取整，再综合考虑误差，效率等因素，最终确定的电池容量应大于计算值，所以取电池模块组数为120，其性能参数如下表3所示。

表3 电池性能参数

4 电动汽车动力驱动系统布局设计

4.1 动力驱动系统布局设计概述

驱动方式上选择电机集中驱动的方式，并将原车的动力装置更换为驱动电机和动力电池等相关装置，保留原车的传动系统。电动汽车动力系统的布局需满足安全性、继承性、一致性和标准性，这四个要求。

4.2 驱动电机布局设计

新能源清扫车使用原车的驱动布置方式，电机的输出轴与变速箱的输入轴位于同一轴线，所以电机的输出轴以花键与飞轮链接，飞轮再与离合器主动盘连接，便可以将电机的动力经过变速箱传递下去。电机通过螺栓与法兰盘前端相连，法兰盘后端与变速箱相连。

4.3 电动汽车动力电池的布局设计

设计动力电池的布局时需要注意以下几点：安全性、散热性、空间性、前后轴轴荷分配合理性和拆装方便性[5]。电动汽车的动力电池有分布式布置和集中式布置两种方式。根据本车型实际情况，采用分布式布置，将电池分为三部分，布置于汽车横、纵梁下方，传动轴两侧和主减速器后方。

4.4 其它部件布局设计

驱动系统的其它部件，如电机控制器、电池管理系统、整车控制器等部件的布置，需考虑以下几点：安装方式、外形尺寸、布线便利性和测试、检修便利性。

5 结论

本文传统车型的基础上，对新能源清扫车驱动系统进行了改装设计，计算出驱动电机和动力电池的相关参数，并选用合适型号，还对驱动系统进行了合理的布局设计分析。