纯电动动力设计

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摘要：讲解了纯电动动力产品的设计流程、电机设计计算、设计完成后的样机测试验证等。介绍了在研发过程中遇到的典型故障问题及其解决方法案例。

关键词：纯电动动力 设计 典型故障

项目背景：随着新型动力电源锂离子电池开发，加快了电动行业的进程。2010年电动车整体销售总量将逼近2300万辆。为了让电动车适应丘陵地带，现设计了变档的纯电动动力。

1 总体设计流程

1.1 资料收集

1.1.1 整车配置及性能要求。设计电动动力产品时，我们需要收集该产品所要匹配车型的完整资料，其中包括整车质量、轮胎规格、电池规格、以及客户对整车性能目标值要求等可用资料。以产品ZG05产品为例，其整车整车配置及性能要求如下：

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1.1.2 纯电动动力工作原理见下图。

1.2 设计计算流程

1.2.1 整车性能计算。①最高车速计算。以ZG05为例，计算最高车速时，需对整车该状态下的阻力进行计算。平路最高车速阻力为：ΣF=Fr+Fw+Fg。Fr为滚动阻力，Fr=Mg×f0×cosα；Fw为空气阻力Fw=0.5×ρ×Ar×Cd×（V+Vw）2；Fg=坡度阻力。f0（平整硬化路面）=0.011，α（路面斜度），若平路时：α=0；ρ（空气密度）=1.2258，Ar（迎风面积）=2m2，Cd（阻力系数）=0.7，V=11m/s（40KM/h时速），Vw（风速）=0。M=ΣM=Mg（整车质量）+M人（驾驶员标准体重）=145kg。则ΣF=42.87N，扭矩T=9.13N.m，对应此车速下电机需输出转速n=497r/min。②最大爬坡能力计算。如果要求爬坡车速不低于10km/h（2.8m/s），则功率P=V×F=

2.8×312=867W。若要求最大功率P=750W，则可行驶坡度ASIN（F/Mg）=（750/2.8/（145×9.8）=10.7°（18.8%），即最大爬坡能力为10.7°。③续航能力计算。以车速V=30

km/h计算，后率P2=258W，如果电压为48V，效率按η=0.6计算，输入功率P1=P2/η=430w、电流I=P2/48=

8.96A、理论放电时间t=20/I=2.2h和续航里程S=V*T=

66Km。

1.2.2 电机系统性能计算

①电机主要性能参数

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通过上述整车能耗计算，可确定电机最大功率、额定功率、转速、扭矩、效率等数据。而根据以上数据，可进行电机定转子绕组、磁路等一系列的计算。以下对电机定转子计算进行讲解。

②Ansoft Maxwell软件应用。依据以上对电机和车辆的动力特性匹配分析，综合考虑离合器的工作特性、现有电机的选择范围做出电机的基本要求。利用Ansoft Maxwell电磁场有限元软件，将相应参数输入并得到其输出。利用Ansoft Maxwell软件，对电机磁场进行有限元分析，见下图。最后，得到其基本性能输出。

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1.2.3 减速系统设计。①离合器计算。ZG05离合器离心力为Fw=M・R・ω2，其中角速度ω=2πn/60；弹簧拉力F1=F2=100g；蹄块对从动盘的压力为P=Fw-（F1+F2）；摩擦力f=μP，其中，μ为摩擦系数，取0.18。将数据生成折线图，加入电机扭矩和阻力矩，用图算出完全结合转速。②变速比计算。a一档变速比。电机最大扭矩略为5.5Nm（28A），而整车行驶最大阻力矩≥70Nm，故低速档转速比为S1≥70÷5.5=12.73。b二档变速比。最大车速35km/h时：折合后轮转速为n=35×1000÷（2×3.14×0.2×60）=465r/min。电机空载最高转速约4500r/min，因此2档速比S2≤4500÷465=9.7。查电机输出特性，满足效率≥75%（≤3800）和离合器转速（≥2500 r/min）以上特性段，兼顾1档效率，取3500r/min，此时扭矩2.5Nm，按3500 r/min，试算S2≥3500÷465=7.52。如果取值7.5。输出扭矩为18N.m。③齿轮设计计算。以ZG05为例，传动系统为定轴轮系、三轴两级。三轴分别为连接转子的电机轴、中间轴、连接驱动轮的输出轴。两级为初级变速、末级减速。

1.2.4 三维外形设计 传动箱内