万长东，汪洋洋，徐兆磊，王力军

(1.苏州市职业大学 机电工程学院，江苏 苏州 215104； 2.葫芦岛客运有限公司,辽宁 葫芦岛 125000)

0 引 言

中国旅游业的发展将成为国家经济的重要发展项目，电动旅游汽车将在产品现代化和市场发展方面都有更大的发展空间。电动观光车有环保无排放，噪音低，操作要求低等特点，使用的范围越来越广。观光车作为适应这一市场需求的特殊车辆产品，已经以非常快的速度出现在风景区，步行街，休闲度假村，大学校园，疗养院，游乐场，体育场馆包括市容监察车等场合。

为了满足某纯电动观光车的整车基本参数和性能指标要求，对动力系统的核心部件进行了计算匹配，以满足其动力性要求。

1 市场现有车型动力性比较分析

电动观光车的价格都比较便宜，普遍价格在4万左右。经过市场调研，对车型数据进行整理，从表1可以了解到一般相似车型动力参数，电机的额定功率一般都在3～5 kW，续驶里程一般都在100 km以下，最大爬坡度都在20%～25%之间，最高车速一般也都在20～40 km/h之间。

表1 不同车型性能参数比较分析

2 基本参数和性能指标

2.1 整车基本参数

采用的纯电动汽车的动力系统主要为包括动力电池、驱动电机、减速器、差速器等。纯电动观光车的整车参数如表2所列。

表2 电动观光车基本参数

(1) 旋转质量换算系数，因为没有重量大飞轮和变速箱，其它旋转部件可忽略，所以质量换算系数约等于1。

(2) 迎风面积，是指汽车主视面的投影面积，根据经验公式有：

A=前轮距×整车迎风高度=1.55

(3) 滚动阻力系数和轮胎气压和车速有关。轮胎气压越低，阻力系数越大，车速越高，阻力系数也越大。根据经验公式有：

f=0.007 6+0.000 056×车速=0.009

2.2 预期性能指标

本车型主要应用在各大高尔夫球场，高尔夫球洞因地形变化而出现不等的距离，根据对几款相近车型的比较分析，以及景区对车速的要求，确定车辆性能指标如表3所示。

表3 电动观光车的性能指标

3 动力系统参数匹配

3.1 车辆动力方程分析

电动车驱动电机动力性能匹配至关重要，驱动电机的性能参数比较多，对电机额定功率、峰值功率、额定扭矩、峰值扭矩重要参数进行了匹配计算：

(1) 电机额定功率(Pn)

以最高车速确定驱动电机的额定功率：

(1)

根据公式(1)，代入表1的车辆性能参数，最终求得：

Pn≥1 kW

其中：Pn为电机的额定功率，kW；η为传动系的效率；M为车的满载质量，kg；f为滚动摩擦系数；CD为风阻系数；A为车的迎风面积，m2；Vmax为车辆的最高速度，km/h。

(2) 峰值功率：

① 车辆以10 km/h的车速匀速爬最大坡度时计算峰值功率：

(2)

根据公式(2)，求得:

Pmax≥6.16 kW

其中imax代表最大爬坡度,其余各式与式(1)相同。

② 车辆以5 km/h的车速匀速爬最大坡度时计算峰值功率。

(3)

根据公式，求得Pmax≥3.08 kW。

综合成本及电机工艺的原因，把电动车最大爬坡速度定为5 km/h，则：

Pmax≥3.08 kW

③ 额定转矩

根据车辆在水平路面上行驶最高车速来确定额定转矩

(4)

式中：r代表车轮的滚动半径，其余符号与上式相同。

根据公式(4)，求得:

Tn≥23.5 N·m

④ 峰值转矩

车辆以5 km/h的车速匀速爬最大坡度时：

(5)

根据公式(5)，求得:

Tmax≥505 N·m

3.2 驱动电机的选型

转速分类如表4所列。

表4 永磁同步电动机转速分类 /(r/min)

由表5可知，同时考虑到制造工艺比较复杂，轴承的承载能力，中速电和高速电机的成本比较高。对于电动观光车而言，由于车辆的成本比比较低，也不需要太高的车速需求，所以更适合使用低速电机。综合分析，最终选择低速永磁同步电机。

表5 电机参数

车辆行驶的常规车速来确定电机的额定转速：

(6)

式中：i为减速器传动比；r为车轮半径。

代入数据计算可得:nn≥2 969 r/min

车辆行驶的最高车速来确定电机的峰值转速：

(7)

代入数据计算可得nmax≥5 195 r/min

最终选定额定转速3 000 r/min，峰值转速6 000 r/min的低速电机。

综上所述，最终选型为某电机有限公司生产的低速永磁同步电机。电机的具体参数如表6所列。

表6 市场常见两座观光车减速比

3.3 减速器速比的确定

在驱动系统中，装置减速器以实现减速增扭，符合电动汽车行驶速度和驱动力的要求，电动机最 高转速于额定转速之间满足最大转速与额定转速之比大于2.5，因车速变化范围不大，同时考虑整车重量和空间，采用固定传动比减速器。

依据电动汽车运行达到最大车速来确定最小传动比，依据爬坡度来确定最大传动比。

(8)

(9)

式中：imin为最小传动比；nmax为电机最大转速；imax为最大传动比；fmax为最大行驶阻力；Tmax为电机输出最大扭矩。

最终确定传动比在12≤i≤15之间。

通过一些市场调研及文献整理统计，同时对比了市场上相近的电动观光车A、B、C车型减速比，如表4。本车型各项数据和A电动车很相似，并参照减速器公司产品报价及参数，所以将电动车的减速比取值12.76。

3.4 车用电池的匹配

在匹配的动力电池的时候，不仅需要根据性能要求计算所需电池的数量和放电容量，对电池的各项性能的选择和评估也很重要。此车型选用的铅酸电池作为动力电池。

(1) 匹配电动观光车的电压等级

电动汽车常用电压等级如表7所列。

表7 电动汽车常用电压等级 /V

在输出功率相同的情况下，输出的电流越小，电器元件使用的电流就越小，连接更方便，而且线路损耗更小，但是较高的电压等级对控制器的要求也很高，成本也越高，反之则相反。由表可知，常用的电动观光车的电压的等级分为60，72，120，考虑到线路损耗和成本问题，本车型采用72 V的电压等级。

(2) 匹配单体电池个数

本车型的电压等级为72 V，选用的电池为铅酸电池，铅酸电池的单体标准电压为2 V，则需要单体电池个数为36个。则本车型采用36个铅酸电池单体串联的方式组成电池组。

(3) 计算电池额定容量

根据本车型20 km/h等速行驶80 km的要求来计算电池额定容量。以20 km/h匀速行驶时的阻力功率为：

(10)

计算可得PV=0.44 kW

匀速行驶80 km电机控制器所需输出的电能为：

(11)

式中：ηm为电池和控制器的总效率，取0.8。

计算可得：W=2.37 kW·h

动力电池额定容量计算式为：

(12)

式中：ξ为铅酸电池的放电深度取80%；ηb表示蓄电池的放电效率，取0.9。

计算可得C≥45.72 A·h

综合以上分析，考虑到车上的其他用电设备，本车型采用某电源设备有限公司生产的电池，额定容量为50 A·h。电池箱采用36个单体电池串联而成，单体质量3 kg。

4 动力参数的验算

(1) 最高车速的验证

(13)

代入公式计算，可得Vmax=40.3 km/h，符合要求。

(2) 爬坡性能验证

(14)

(15)

(16)

(17)

爬坡速度定为5 km/h，计算可得i=0.33，符合要求。

(3)续航里程验算：

(18)

计算可得，S=130 km，符合要求。

电动汽车动力指标值为最高车速40.3 km/h，爬坡度33%，续航里程130 km。

5 总 结

以汽车动力学方程为基础，结合供应商技术工艺条件等，对电动车动力系统的指标进行了匹配计算，最终确定了电机、减速器参数及动力电池参数。结果显示动力系统匹配各项指标均满足要求。

最高车速达到40.3 km/h，满足了最高车速35 km/h的技术指标；爬坡度达到33%，满足了爬坡度30%的技术指标；续航里程达到130 km，满足了80 km的技术指标；上述电动车动力性及经济性均满足设计要求，其对纯电动汽车的后续开发具有重要的指导意义。