12座电动防爆无轨胶轮车电驱动系统的设计

王仁群 李海霞 张甲瑞

【摘 要】根据纯电动汽车的运行特点，研究了电动汽车电驱动系统的设计流程。对12座电动防爆无轨胶轮车电驱动系统的核心部件驱动电机和动力电池进行选型设计，并进行底盘方案布置。为电动防爆无轨胶轮车的设计，提供了理论依据和方法。

【关键词】电动汽车;电驱动系统;电动机;动力电池

中图分类号： U469.72 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2019）11-0011-002

【Abstract】According to the operating characteristics of the pure electric vehicle， the design flow of the electric drive system of the electric vehicle is studied. The core components of 12 electric explosion-proof trackless rubber-tyred wheel electric drive system are selected and designed， and the chassis scheme is arranged. It provides theoretical basis and method for the design of electric explosion-proof trackless rubber tire vehicle.

【Key words】Electric Vehicle; Electric drive system; Electric motors; Power Battery

煤矿辅助运输最主要的运输工具是防爆无轨胶轮车，目前无轨胶轮车的动力系统主要是采用防爆柴油机。由于防爆柴油机的技术缺陷以及防爆无轨胶轮车自重较重的原因，在煤矿辅助运输工程中，一直存在着高污染、高油耗、高噪声的问题。目前汽车的发展趋势是具有无污染、舒适性好的新能源汽车电动汽车。电动汽车噪声小，而且能量转化效率高，还可以将车轮上的制动能量回收到蓄电池中。与传统的柴油机防爆车辆相比，电动防爆车不仅改善了井下运输环境，而且降低了辅助运输成本。本文重点研究电动防爆汽车电驱动系统的设计。

1 电驱动系统的设计流程

辆设计过程中，在电驱动系统设计之前，需要初步确定车辆的基本技术参数，主要有轮廓尺寸参数：包括长宽高等参数，此类参数关系到车辆迎风面积的计算以及整备质量的预估;车辆整备质量：根据车型参数预估;载重量：设计之前确定;动力性能指标：包括最高车速、爬坡能力、原地起步加速时间要求、过载能力要求。此类参数根据车辆设计要求、行业规范以及设计经验初步确定，设计中可作微调。

电驱动系統的设计主要是根据车辆的技术参数：动力性能指标、道路工况和续航里程等要求，来确定电机的类型、性能参数（功率、扭矩）以及动力电池的参数（容量和电压），并根据选定的驱动电机和动力电池来确定电机控制系统及电池管理系统的设计。设计流程如图1。

2 电驱动系统架构设计

电动汽车的电驱动系统主要由驱动电机、电机控制器、动力电池和电池管理系统组成。驱动电机替代内燃机，为汽车的动力输出源，电机控制系统根据传感器采集的制动踏板、加速踏板等信号，对驱动电机发出输出的转矩和转速进行控制。动力电池和电池管理系统是电动汽车的主能源供给系统，动力电池的功用是提供汽车运行所需的能源[1]，电池管理系统主要是对动力电池进行监控、均衡和保护的作用。系统架构如图2所示。

电池管理系统主要由传感器，微机控制模块，执行元件和显示器等部分组成。系统在工作时通过传感器采集各电池的电压、电流以及温度等参数，并通过总线将参数信息传递给微机控制模块，微机控制模块根据实验所得的电池性能参数，确定电池的工作状态。通过电机控制器控制驱动电机的动力输出，从而控制汽车的运行，并通过显示模块向驾驶员展示以下信息：目前的系统电压，已运行里程，剩余续航里程，系统充电提示，每一节电池的性能状态参数。技术优异的电池管理系统可以延长电池的使用寿命，从而降低电动汽车的使用成本。

3 电驱动系统选型设计

电驱动系统的选型设计主要是驱动电机和动力电池的选型设计。在选型设计前需初定以下参数：整车总装质量、最大总质量、迎风面积、风阻系数、最大爬坡度滚动阻力系数、轮胎半径、传动效率、最高车速等。电机的选型主要是确定电机的额定功率，额定转矩以及最大功率和最大转矩。电动汽车整车动力性能指标中最高车速对应的是持续工作区，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（1～5min），即电动机的峰值功率[2]。取两者之间功率最大值为驱动电机的额定功率。

本文以一款5.5m长矿用防爆电动车为例进行选型设计。该车基本技术参数如表1。

3.1 驱动电机功率计算

根据车辆动力性能的要求，驱动电机的最大功率Pmax必须满足最高车速时的功率要求PMaxV;必须满足加速以及爬坡时的功率PMaxGra、PMaxJ要求[3];即Pmax≥max{PMaxV、PMaxGra、PMaxJ}。电机的额定功率是指车辆在平道上所能达到的最高巡航速度时所需要的功率，不涉及坡道阻力以及加速阻力。根据以上不同工况条件下电机功率分别为：

式中各参数见表1。

根据Pmax选择驱动电机的峰值功率，本文选择驱动电机额定功率为50kW，峰值功70kW。

3.2 驱动电机转矩计算

驱动电机的转矩包括额定转矩和最大转矩。最大转矩Tmax需要克服汽车起动时所需要的转矩和最大爬坡度时所需要的转矩，同时根据传动系统的最大传动比imax和最大爬坡度αmax可以确定最大转矩。额定转矩由额定功率和额定转速确定。

式中各参数见表1。

目前电动汽车上常用的驱动电机为异步电机和永磁同步电机，由于永磁同步电机具有较高的功率密度与转矩密度，所以本文选择永磁同步电机作为驱动电机。主电机额定功率/最大功率：60kw/108kw;额定转速/最高转速：1200/4000（转/分）;额定转矩/最大转矩：430Nm/720Nm;额定电压：180V。

式中各参数见表1。

3.3 动力電池参数匹配及选型设计

动力电池是电动汽车的能量供给系统，电池参数的确定主要包括单体电池的选择，电池总容量和总电压的确定。煤矿安标要求单体电池箱内的电池只能串联不允许并联，且单体电池箱的电压不可以超过320V。本文选取的电芯为标称电压3.2V，容量100Ah的大容量磷酸铁锂电池。电池的总容量根据车辆的动力性能要求和续航里程确定，电压与选定的电池特性、整车的总量以及电池的布置型式相关。理论需要的总电能为QL

式中：f为车辆总质量;S为目标续驶里程;φ为单位质量能耗系数。

为了保证车辆行驶到规定的续航里程后还有一定的富裕电量，同时避免温度等外界因素对电池的影响，通常在电池的理论总能量之前乘以一个系数ζ，作为整车的总电能系数。通常这个系数选择1.2～1.3，

经计算总电量Q为51.2KWH，电池数量为160节。考虑到煤矿电气设备安标要求，将电池分为四个箱体安装，每个箱体包含40节电池，。四个箱体采用两并两串的连接方式。系统电压平台为3.2×80=256V，可以满足整车高压平台要求。

4 电驱动系统布置方案

纯电动汽车去除了传统的内燃机发动机、同时省去了内燃机正常工作所需要的冷却系统、尾气处理系统以及燃料供给系统。有效的减轻了汽车自重，同时也留出了许多空间，其整车结构变化很大。车辆整体布置需重新设计并全面考虑各种因素。纯电动汽车是单纯用动力电池作为驱动能源的汽车，对电驱动系统进行合理的布置不但可以合理利用空间，还能充分发挥电驱动系统的优势。纯电动汽车驱动系统布置的原则是：符合车辆动力学对汽车重心位置的要求，并尽可能降低车辆质心高度[4]。

本文电驱动系统在整车上的布置，主要是考虑电机和电池箱的合理布置。传动系统应尽可能简化，车辆的质量分布要合理，同时要考虑装配维修的方便性因此采用驱动电机中置式。因此将电池 分为四组，由于本文采用的后驱方式，所以电池组分别布置在底盘车架两侧，以及前后排座椅下方。以达到均布车身载荷，同时起到增加驱动桥的附着力的作用，充分发挥电驱动系统的输出动力。系统布置框图如图3。

根据选型设计，已知参数信息和底盘的方案布置，对本文的电动汽车底盘进行三维建模。通过底盘的三维布置设计，可以了解设计过程装配布置的情况以及方便地对电驱动系统布置方案进行修改。三维布置如图4。

5 结论

纯电动汽车的核心是电驱动系统，同时也是研发与设计的重点。本文通过对12座电动防爆无轨胶轮车的电动汽车驱动系统的电机功率、扭矩和电池的容量进行选型设计，以及底盘三维布置，来说明纯电动汽车电驱动系统的设计流程。为电动汽车的研发提供了理论计算方法，不仅适合防爆无轨胶轮车，同样适合路面普通电动汽车的设计。

【参考文献】

[1]孙振东.电动汽车正面碰撞试验技术研究[J].汽车工程，2007，29（10）：833-837.

[2]杨金星.电动汽车动力系统参数设计[J].汽车工程师，2009（12）：31-32.

[3]刘灵芝.某型纯电动汽车动力系统参数匹配研究[J].合肥工业大学学报自然科学版，2007，30（5）：591-593.

[4]邵玉霞.纯电动汽车驱动系统及其布置形式[J].汽车维护与修理，2013（3）：82-86.