汽車用驅動電機的特點和選型方法

賀希昌

摘 要：本文簡單介紹了各類驅動電機的特點，以及電機基速、額定扭矩、峰值功率等參數如何選定，以及個人的一些見解。

關鍵詞：驅動電機；特點；選型

1 引言

近年來電動汽車受到越來越多的關注，各個汽車廠相繼推出新能源汽車，相應的電機越來越多的作為汽車的動力源，筆者作為一位汽車行業從業人員，有幸參與車用電機和減速機的項目，本文是筆者對這段時間學習的總結和個人的一些見解。

2各類車用驅動電機的特點

從汽車應用角度來說主要關注電機的效率、調速范圍、功率密度和控制性能等特征。約束驅動電機的主要指標是汽車的加速能力、最高時速、最大行駛里程。

a、驅動汽車的電機特性

（1）驅動電機轉矩控制的動態性能要求較高；

（2）要求保持較高的運行效率，同時要求調速范圍盡量大；

（3）驅動性能好，還要兼顧發電機的功能，且要求發電效率高；

（4）要求驅動電機重量輕、體積小。

b、目前電動汽車常用驅動電機比較

注：表中性能從高到底的符號依次為：◎、○、□

從高效率區來講，表現出來的結果是永磁同步電機高效率區更寬，這也和電機的本身原理是有關系。像交流異步電機轉子一定要勵磁，就會損失一部分的能量，永磁電機因為轉子永磁體本身可以產生磁場，使得效率占優。對于開關磁阻電機來說，轉子上沒有永磁體，也不需要感應，完全靠磁阻的變化，所以效率比永磁電機來說更低一些。作為電動汽車驅動電機使用，直流電機和永磁式電機在結構和面對復雜的工作環境適應性太差，很容易發生機械和退磁的故障。開關磁阻電機應用到電動汽車是必然的趨勢。

3.電機參數的選擇

驅動電機選型主要參考的參數為：最大轉矩，峰值功率，額定功率，最高轉速，基速。在驅動電機選型時，確定峰值功率的決定性因素是百公里加速時間，確定最大轉矩的決定性因素是最大爬坡度。

3.1 驅動電機的額定功率選擇

汽車行駛的方程式為[9]：

（1）

其中， Ttq/ Nm為電機轉矩，nt為傳動系統效率，i為當前擋位的總傳動比，ua/（km/h）為車速，g為重力加速度，α/°為爬坡角度，最大質量m/kg、迎風面積 A/m2、空氣阻力系數CD、車輪滾動半徑r/m。

電動汽車需要滿足上述力的相互平衡，同時滿足功率的平衡。驅動電機的額定功率應當滿足純電動汽車對最高速度的要求?？紤]到驅動電機有一定過載能力，可以代入90%最高速度計算額定功率[8]。即額定功率須滿足：

（2）

其中umax/（km/h）為持續最高車速。根據式（1）可計算得出額定功率P。

3.2 驅動電機的峰值功率選擇

驅動電機的峰值功率應同時滿足電動汽車瞬時最高車速，最大爬坡度和加速性能的要求。

a.純電動汽車以某一速度完成最大爬坡時的功率需求為：

（3）

其中，Pmax-i/kW為滿足最大爬坡度要求的峰值功率，αmax/°為最大爬坡角度， ui/（km/h）為爬坡車速。代入數據得到Pmax_i。

b.純電動汽車加速時的功率需求為：

（4）

其中，Pmax_a/kW為滿足最短加速時間要求的峰值功率。

對等式兩邊進行處理并對時間積分，得到：

（5）

其中，Ft/N為驅動力，ut/（km/h）為加速過程的終速，根據動力性能要求應取值100 km/h，t/s為百公里加速時間。要特別注意的是，驅動電機基速前恒轉矩，基速后恒功率的特性決定了驅動力Ft為一分段函數，即：

（u≤ui） （6）

（u>ui） （6）

其中ue/（km/h）為驅動電機基速時對應的車速。在驅動電機特性和一擋傳動比均未知的情況下，ue也是未知的。驅動電機在基速附近工作時效率最高，據此大致擬定ue的范圍。由式（5）和（6）可得要求百公里加速世界小于t時，峰值功率的最小值Pmax_a。

綜合比較驅動電機的峰值功率Pmax_a和Pmax-i，取較大者作為驅動電機的峰值功率。

3.3 減速機傳動比的選擇

對于二擋減速機來說，一檔的傳動比應保證車輛要求的最大爬坡度，二擋的傳動比應保證車輛能達到所要求的最高車速，另外還應綜合考慮減速機的載荷、潤滑、離地間隙、主減中心距等，擋間比不宜過小 以便能有效的調節電機轉速。減速機換擋規律會影響車輛動力性和經濟性能。對于小型乘用車，以加速踏板開度和車速為參數的換擋規律最為常用，根據優化目標不同又可分為動力性換擋規律和經濟性換擋規律。動力性換擋規律需要找到一個車速點，在相同油門開度下，此點處的一檔驅動轉矩與二擋相同。該點就是此油門開度下的換擋點，通過標定不同的油門開度即可得到換擋曲線。經濟性換擋規律要讓電機盡可能的工作在效率高的區域，同樣是求的一點，在相同油門開度的情況下此點一二擋的效率相同，通過標定可得出經濟性的換擋曲線。通過以上得出的傳動比可通過模擬NEDC循環工況以求的經濟性最優的傳動比組合。

4.結語

現在國內汽車驅動電機行業，永磁電機的使用是普遍趨勢，磁阻式電機是今后發展的方向，但大規模應用仍需時間，至于輪轂電機需要更加長的路要走，驅動電機的基速、最大轉矩、峰值功率以及減速機的傳動比等重要參數，其匹配對電動汽車的動力性能和能量消耗有顯著影響，傳動比的匹配不僅要考慮在理論上滿足整車的動力性和經濟性要求，也要考慮實際工程的約束條件，如離合器最大傳遞轉矩、變速器尺寸及主減速器離地間隙、齒數配比等等。

參考文獻：

[1] 陳新亞. 電動汽車為什么會跑. 機械工業出版社 .2016.5.2

[2].Iqbal Husain（美）.純電動及混合動力汽車設計基礎.2015.7.1endprint