电动汽车驱动电机匹配设计.

1、电动汽车驱动电机匹配设计目录1 概述 12 世界电动汽车发展史 23 电驱动系统的基本要求 53.1 电驱动系统结构 53.2 电机的基本性能要求 64 电动汽车基本参数参数确定 74.1 电动汽车基本参数要求 74.2 动力性指标 75 电机参数设计 75.1 以最高车速确定电机额定功率 75.2 根据要求车速的爬坡度计算 85.3 根据最大爬坡度确定电机的额定功率 95.4 根据额定功率来确定电机的最大功率 95.5 电机额定转速和转速的选择 96 传动系最大传动比的设计 .107 电机的种类与性能分析 117.1 直流电动机 117.2 交流三相感应电动机 117.3 永磁无刷直流电动机

2、 117.4 开关磁阻电动机 128 电机的选择 139 电机其他选择与设计 159.1 电机形状位置设计 159.2 电机冷却设计 1510 总结与展望 1710.1 总结 1710.2 问题与展望 17致谢 18参考文献 191. 概述 汽车工业在促进世界经济飞速发展和给人们生活提供便利的同时，又 展现出了其双刃剑的另一面，它将能源与环境问题推到了日益尴尬的处 境。“能源、环境和安全”成为了 21 世纪世界汽车工业发展的 3 大主题。 其中，能源与环境问题作为全球面临的重大挑战和制约汽车工业可持续发 展的症结所在，更成为重中之重。电动汽车使用电能作为动力能源，而电 能具有来源广、清洁无污染

3、等特点。电动汽车被公认为 21 世纪重要的交 通工具。电动汽车是指汽车行驶的动力全部或部分来自电机驱动系统的汽车，它主要以动力电池组为车载能量源，是涉与机械、电子、电力、微机控制 等多学科的高科技技术产品。按照汽车行驶动力来源的不同，一般将电动 汽车划分为纯电动汽车(Pure Electric Vehicle ，PEV)、混合动力电动汽 车(Hybrid Electric Vehicle ，HEV )、插电式混合动力电动汽车 (Plug-in Hybrid Electric Vehicle ，PHEV)和燃料电池电动汽车 (Fuel Cell Electric Vehicle，FCEV)4种基

4、本类型。自1881年法国电气工程师 Gustave Trouve制造出首辆电动汽车幵 始，电动汽车经历了曲折起伏的几个发展阶段，其中的决定因素就是动力 电池技术和人们对环境、能源的关注程度，但电动汽车自身具有的显著优 点：可以实现低排放，甚至零排放行驶；采用电能作为驱动电源，能源来 源途径广；行驶噪声小；容易实现Drive-by-wire(线控)思想；实现了制动 能量回收，降低了摩擦制动器的使用强度和维修费用等决定了其必将成为 新能源汽车技术发展的一个重要方向和21世纪的重要交通工具。汽车作为一种运输工具，运输效率的高低在很大程度上取决于汽车的动力性。动力性是各种性能中最基本、最重要的性能之一

5、。动力性的好坏，直接影到汽车在城市和城际公路上的使用情况。电驱动系统是电动汽车的 心脏，是电动汽车的唯一动力来源。电机的性能直接影响到整车的最高车 速、加速性能与爬坡性能等。因此在新车幵发阶段，必须进行驱动电机性 能匹配，以判断设计方案是否满足设计目标和使用要求。2. 世界电动汽车发展史（1）19世纪30年代到20世纪一一电动车的崛起电动汽车的历史并不比内燃机汽车短， 它也是最古老的汽车之一， 甚 至比奥托循环发动机（柴油机）和奔驰发动机（汽油机）还要早。苏格兰商人罗 伯特-安德森在1832年到1839年之间（准确时间不明）研发出电动车。图11835年，荷兰教授 Si brandus Stra

6、tingh设计了一款小型电动车，他的助手克里斯托弗-贝克则负责制造。但更具实用价值，更成功的电动车 由美国人托马斯-达文波特和苏格兰人罗伯特-戴维森在1842年研制，他 们首次使用了不可充电电池。Gaston Plante 于1865年在法国研发出性能更好的蓄电池，其同乡卡米尔-福尔又在1881年对电池进行了改进，提高了电池容量，为电动车的发 展铺平了道路。奥地利发明家Franz Kravogl在1867年的巴黎世界博览会推出了一款双轮驱动电动车。法国和英国成为第一批支持发展电动汽车 发展的国家。1881年11月，法国发明家 Gustave Trouve 在巴黎举行的 国际电力博览会上演示了三

7、轮电动车，托马斯-帕克表示电动车可在1884年实现量产。图2在内燃机汽车兴盛之前，电动车就创造了许多速度和行驶距离的记录。例如，Camille Jenatzy 在1899年4月29日用自行研发的电动车突 破了 100 km/h ，创造了 105.88 km/h 的极速。1891 年，A. L. Ryker 研 发出电动三轮车， WilliamMorris on制造了六座电动厢式客车，电动车幵始得到美国人的重视。19世纪90年代到20世纪初期，电动车技术得到 了高速发展，相对于内燃机汽车的优势逐渐形成。1897 年,美国费城电车公司研制的纽约电动出租车实现了电动车的商用化。20世纪初，安东尼电气

8、、贝克、底特律电气（安德森电动车公司）、爱迪生、Studebaker 和其它公司相继推出电动汽车，电动车的销量全面 超越汽油动力汽车。电动车也逐渐成为上流社会喜好的城市用车，电动车 清洁、安静，并且易于操控的特点，非常适合女性驾驶。由于当时没有晶 体管技术，因此电动车的性能也受到限制，这些早期的电动车极速大约只 有 32 km/h。图3在19世纪末20世纪初迎来经济繁荣的美国，人们的收入快速增长，汽车幵始流行起来。1899年和1900年，电动车销量远远超过其它动力的 汽车。电动汽车相比同时代的其它动力汽车具有非常明显的优势，它们没 有震动，没有难闻的废气，也没有汽油机巨大的噪音。汽油机汽车需要

9、换 挡，令其操控起来比较繁杂，而电动车不需要切换挡位。虽然蒸汽机汽车 也不需要换挡，但却需要长达45分钟的漫长的预热时间。并且蒸汽机汽车加一次水的续航里程，相比电动车单次充电的续航里程更短。由于当时 只有城市中才拥有良好路面，大部分时候汽车都只能在本地使用，因此电 动车续航里程短的问题并没有成为阻碍其发展的原因。相对于汽油发动机汽车，电动车不需要人力起动和频繁的换挡，成为大部分人的选择。当时的基本型电动车售价在1000美元以下，但也发展出电动豪华车，它们的外形被设计得非常华贵，拥有宽敞的座舱，座舱内则用 上价格不菲的高级材料。在1910年时，这类电动豪华车的均价达到了3000美兀。图4电动车最

10、初因为缺乏充电配套设施而阻碍了发展，但是随着电网的高 速发展，到了 1912年，很多美国家庭都已经通电，从而能够在家中完成 充电。在世纪之交，有40%的美国汽车采用蒸汽机，38%的汽车采用电力 驱动，22%的汽车使用汽油动力。美国的电动车保有量达到33842辆，电动车在19世纪20年代大获成功，销量在1912年达到了顶峰。(2) 20世纪20年代到80年代一一汽柴油机成为主流电动车在20世纪初迎来成功之后，很快又失去了成长的势头。从20世纪20年代幵始，电动汽车逐渐被内燃机汽车替代，究其原因主要有 四点。第一，美国在城市间建立起良好的公路网络，需要汽车拥有更长的 续航里程；第二，德克萨斯、俄克

11、拉荷马和加利福尼亚等大油田的发现， 降低了汽油价格，令普通消费者也能负担燃油费用；第三，CharlesKettering在1912年发明的电力起动系统使得汽油机不再需要人力起动； 第四，Hiram Percy Maxim 在1897发明的消声器，大幅降低了内燃机的 噪音。而当时的电动车速度低，续航里程短，而内燃机汽车的速度更快， 续航里程更长，并且价格便宜许多。图5伟大的亨利-福特幵始在美国大批量生产内燃机汽车，并且售价平易近人，例如1915年时福特汽车的售价低至 440美元（相当于今天的9200美 元）。与此相反，效率较低的电动车却价格昂贵，一款1912年的电动双座敞篷车售价1750美元（相

12、当于今天的3.9万美元）。19世纪20年代，电 动车销量迅速下滑，电动汽车在10年后彻底消失 。3. 电驱动系统的基本要求3.1电驱动系统结构通常电驱动系统从功能角度可分为电气和机械两大部分，由于驱动电机低速大扭矩的特性 ，其中机械传动部分的结构是可选的。电气部分包括电机和电功率控制转化部分。系统原理简示如下图：图 6 电驱动系统结构简图3.2 电机的基本性能要求电动汽车的电机驱动系统把电能转化为机械能，并通过传动装置（或 直接）将能量传递到车轮进而驱动车辆按照驾驶人意志行驶，是电动汽车 的关键系统之一。它在电动汽车上的具体任务是：在驾驶人操纵控制下， 将内燃机 -发电机系统、 动力电池组的电

13、能转化为车轮的动能驱动车辆， 并 在车辆制动时把车辆的动能再生为电能电能反馈到动力电池中以实现车 辆的再生制动。电动汽车运行工况复杂， 对驱动电机要求能够频繁的启动 / 停止、加速 / 减速，低速和爬坡的时候要求转矩高， 高速时转矩低， 并要求宽广的调速 范围。电机的选型要素通常包括：电机的类型、额定电压、机械特性、效 率、尺寸参数、可靠性和成本等。在基本物理参数定型的基础上通过匹配 驱动系统和电子控制系统是电机工作在最佳的性能区间。对电机基本性能指标有以下要求： 1）高电压。在允许的范围内采用高电压可以减小电机尺寸，较小损 耗。2）高转速。高转速电机体积更小、质量轻，可降低整车整备质量。3

14、）质量轻。轻量化设计可以降低整备质量，节省宝贵的能量。4）较大的启动转矩和较大的调速范围。这样匹配的电动车具有较好 的启动性能、加速性能，并可以提高驾驶舒适性，减低驾驶员操作强度，达到与传统驾驶习惯的适应。5）效率高、损耗小，能实现制动能量回收。在车载能源系统不变的 情况下，最大限度的增加续航里程，突出能源利用优势。6）良好的安全性。必须具备高压绝缘、保护设备。7）可靠性好，适应汽车运行的各种恶劣环境。8） 结构简单、维修方便，维护成本低。4. 电动汽车基本参数参数确定4.1该电动汽车基本参数要求，如下表:表1电动汽车基本参数要求参数数值参数数值整车正装质量1200滚动阻力系数f0.014（k

15、g）最大总质量（kg）1400轮胎半径（m）0.33迎风面积（仃）2.50传动效率0.90风阻系数0.33最咼车速100(km/h )最大爬坡度（%）284.2动力性指标如下:(1 )最大车速呸乂 1O0Km ;(2) 在车速Ua=60km/h 时爬坡度i 5%(3度)；(3) 在车速Ua =40km/h 时爬坡度i 12%( 6.8度)；(4) 原地起步至100km/h 的加速时间t 35s ；(5) 最大爬坡度imax 28%( 16度)；(5) 0到75km/h 加速时间t 25s ；(6) 具备23倍过载能力 。5. 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

16、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(15min),即电动机的峰值功率。5.1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Pn应满足:Uamax3600 tCD2 amax21.15(1)ff°(1 u；/19400)(2)式中：Pn电机输出功率，kW ；T 传动系效率，取 0.9 ；m最大车重，取 1400kg;滚动摩擦系数，取0.014 ;CD 风阻系数，取 0.33 ;A 迎风面积，取 2.50仃;Uamax 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

17、机输出额定功率为21.023kw。5.2根据要求车速的爬坡度计算Ua Ff Fw Gsin 丘3600(3)根据公式（4），其中在车速Ua=60km/h时爬坡度i5%可得:Ff0.0141602/194001400 9.8 cos 32274( N)PN20.95(kw)根据公式（4），其中在车速Ua=40km/h时爬坡度i12%可得:Ff0.0141 402 /194001400 9.8 cos12203.38( N)20.33 2.5 60一门，140.42115( N)140.4 277.4 1400 9.8 0.052603600 0.9°33 25 40262.412115

18、( N)PN6241 迪38 1400 9.8 O.1184023.3073600 0.9(kw)根据（4）式，可以计算出满足车速为60km/h时，爬坡度为5%，电机时，爬坡度为12%，电输出额定功率为 20.95kw，满足车速为40km/h机输出额定功率为23.307kw5.3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Ua=20km/h 时爬坡度i 28%（ 16度）可得:Ff 0.0141 202 /194001400C0S16188395（ N）20.33 2.5 2021.1515.602（N）PN24.634（kw）188.395 15.602 1400 9.8 0.

19、276203600 0.9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 25kw5.4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:pmaxPn（4）式中：max电机最大功率，kw ;电机过载系数，般取 23 o根据式（3），可计算得Pmax =5075kw ，所以初步假设电机的峰值功率为75kwo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 o5.5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

20、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，将导致电机与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 。PnTn nN9550TmaxnN9550PnDmaxTmax n N9550(5)式中：Tmax 电机

21、的最大转矩，Nm ;电机的额定转矩，N m ;nN电机的额定转速，r/min通过式(5)，可算出电机的最大转矩为：Tmax = 143.25N m，额定转矩为:Tn =47.75N m 。6. 传动系最大传动比的设计(1) i0的选择首先应满足车辆最高行驶速度要求，由最高车速Uamax与电机 最高转速nmax确定传动比的上限。根据公式：(6)得：i0 3.732(2) 由电机的最高转速对应的最大输出转矩Tmax和最高车速对应的行驶阻 力Fmax确定速比的下限值：(7)由前面的计算可得：Fmax Ff Fw 681.16 (N)最大输出转矩Tmax 143.25 ( N m )(3)由电机最大输

22、出转矩和最大爬坡度对应行驶阻力确定根据公式：(8)F maxG( fCOSSin ) 203.997( N )最大输出转矩Tmax 143.25 (N m)由以上的计算我们选定一个合适的减速比i0=3.47. 电机的种类与性能分析7.1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。在早期幵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

23、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7.2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1200015000r/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。7.3 永磁无刷直流电动机永磁无刷直流电动机的基本性能

24、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

25、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7.4 开关磁阻电动机幵关磁阻电动机的基本性能幵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/mi

26、n 。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。幵关磁阻电动机的不足幵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 检测器是幵关磁阻电动机的关键器件，其性能对幵关磁阻电动机的控制操 作有重要影响。由于幵关磁阻电动机为双凸极结构，不可避免地存在转矩 波动，噪声是幵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，幵关磁阻电动机的噪声完全可以得到良好 的抑制。另外，由于幵关磁阻电动机

27、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。8. 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幵关 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2为现代电动汽车所米用的各种电动机的基本性能比较。目前交动机、永磁电动机和幵关磁阻电动机以与它们的控 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

28、 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 。表2现代电动汽车驱动电动机的基本性能比较项目直流感应永磁无刷幵关磁电动机电动机直流电动阻机电动机功率密度低中高较咼峰值效率/%858990959597<90负荷效率/%8087909285977886转速范围/ (r/min )400081200015400010>15000000000000可靠性一般好优秀好结构的坚固性差好一般优秀电机的外形尺寸大中小小电动机的质量重中轻轻电动机成本/ (美兀108101015810/kW)控制操作性能最好好好好控制器成本低高高一般经比较，该车选用轮毂式电动轿车幵关磁阻电

29、机(专利号：2),数量为4个，具体参数如下，表 3 :表3计算和最终确定电机参数电机参数计算总数值确定总数值每个电机数值峰值功率/kw758020额定功率/kw254010最大转矩/N m143.25150150额定转矩/N m47.755050最大转速/ (r/min )300030003000额定转速/ (r/min )200020002000幵关磁阻电机是幵关磁阻电机传动系统的执行元件，其结构如图7和图8所示图7 电动汽车幵关磁阻电机图8定子、转子结构其工作原理如图9图9 幵关磁阻电机的工作原理图9. 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

30、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。 9.1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；H B 2 in 25.4r则根据公式：自由半径2（ 9）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（10）其中，F为计算常数，子午轮胎 F=3.05，d为轮胎的自由直径。r所以车轮半径 r =（3.05 X2r）/2 n=0.333m。9.2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

31、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5轮毂电机水冷设计简图本设计参考于 专利：水冷电动轮毂，此发明包括左轮毂架、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，本发明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