1 引言
當前，國內對純電動汽車的研究主要集中以乘用車為主，對重型純電動卡車的研究較少。本文以車輛主要效能引數的要求為基本依據，研究純電動重型卡車的結構型式，動力電池、驅動電機和減速機構的選型和匹配方法，以為純電動重型卡車的方案設計提供支撐。
2 純電動重型卡車結構和動力性指標
純電動汽車採用動力蓄電池作為動力源，電動機作為驅動裝置，並配有減速機構，其結構型式可根據驅動電機的佈置方案分為集中式驅動或分散式驅動兩種。集中式驅動主要是將內燃機替換為動力電池和一臺驅動電機，並進一步將傳統車輛的減速器、差速器與驅動電機進行整合化設計，而形成集中式車橋式驅動系統方案；分散式驅動採用驅動電機直接驅動車輪，驅動輪之間也沒有差速器，簡化了車輛結構但提高了控制系統的複雜程度。
為簡化車輛結構，提高空間利用率，某四軸純電動重型卡車採用分散式輪轂電機驅動式結構，整車主要結構引數如表1所示。
車輛的機動性指標要求為：最大車速vmax為120 km/h；最大爬坡度為30°；0～30 km/h加速時間t為5 s；以70 km/h在城市道路上行駛的續航里程s不小於100 km。
表1 整車主要結構引數
3 純電動重型卡車驅動力與行駛阻力
汽車效能通常根據汽車牽引力與車速之間的關係得出，通常假設其最大牽引力受制於動力裝置的最大轉矩，而不受制於路面的附著力。車輛最大車速取決於牽引力與阻力之間的關係，或者最大轉速與傳動比之間的平衡。設動力傳動系統輸出總轉矩為Tt，總驅動力為Ft，總驅動功率為pt，等效車輪轉速為nt、半徑為rd。
輸出總轉矩可表示為：
汽車車速可表示為：
重型電動卡車行駛阻力包括滾動阻力Ff、空氣阻力 Fw，坡度阻力 Fi和加速阻力 Fj。
式中，α-汽車爬坡度，ρ-空氣密度，C-車身空氣阻力系數，v-汽車行駛速度，δ-轉動慣量係數。
4 純電動重型卡車驅動電機引數匹配設計
對驅動電機選型要求主要有：
啟動轉矩大和較大調速範圍，以滿足汽車啟動、加速、行駛、減速、制動等需求；
是高效率、低損耗，電機效率不低於90%；
高電壓、高可靠、小質量。
從調速範圍和啟動轉矩來看，開關磁阻電機和感應電機較好，但從電機效率和電機質量等來看，永磁電機和非同步電機相對較好。綜合考慮驅動電機效能要求，選擇永磁輪轂電機，並將電機、減速裝置等進行整合化設計。純電動重型卡車的驅動電機引數通常包括額定功率、最大扭矩、調速範圍等，其必須滿足所有效能要求。通常選擇永磁同步電機。
4.1 驅動電機的額定功率和峰值功率匹配設計
當車輛以最高車速行駛時，設汽車功率為p1，等效總效率為ηt。
當車輛以最大爬坡度行駛時，設爬坡速度為vs，汽車功率為p2。
由式計算得，汽車功率需求值約為410 kW。由式可得，汽車以不同車速爬坡下的功率需求如圖1所示。
圖1 不同車速下電動卡車的爬坡功率需求
若取汽車爬坡車速為15 km/h，則可初步以480 kW為汽車的總額定功率。
4.2 驅動電機額定轉速和轉矩確定
汽車驅動電機減速比不同時，單個車輪的輪轂電機額定轉速曲線如圖2所示。
圖2 不同電機減速比下驅動電機的額定轉速
綜上，根據電機功率需求，電機額定功率初步選為60 kW，考慮電機與減速裝置的合理匹配以及電機型別，選擇額定轉速6 000 r/min。
5 純電動重型卡車傳動系速比匹配設計
5.1 傳動系速比引數設計
純電動重型卡車在驅動狀態下，汽車的最大驅動力必須不超過地面對汽車輪胎的附著力，設ρ為地面附著係數，Fz為汽車垂向受力，確定傳動系速比上限：
取地面附著係數為0.8，不同輪轂電機最大驅動需求轉矩下，傳動系傳動比上限變化如圖3所示。
圖3 不同驅動電機轉矩下傳動比變化上限
純電動重型卡車以最大爬坡度行駛時，設汽車車速為15 km/h，不同輪轂電機最大驅動轉矩需求下，傳動系傳動比變化如圖4所示。
圖4 不同驅動電機轉矩下傳動比變化下限
根據重型電動卡車傳動比範圍，可初步取固定速比為7.5。
5.2 傳動系速比引數驗證
當車輛以最高車速行駛時，由式可得驅動電機轉速為：4 123 r/min，帶入式可得8個車輪總驅動轉矩為：1 112 N·m。由式可得電機所需提供的總驅動力為1 628 N、總驅動力矩為942 N·m，設計的驅動電機能夠滿足最高行駛車速行駛要求。
當車輛以最大爬坡度行駛時，車輛最低轉速為3 km/h，則由式可得驅動電機轉速為103 r/min，帶入式可得8個車輪總驅動轉矩為44 472 N·m。由式可得車輪所需的總驅動力為30 203 N，總驅動轉矩為17 488 N·m，設計的驅動電機能夠滿足最大爬坡度要求。
6 純電動重型卡車動力電池匹配設計
動力電池選型是電動卡車設計的關鍵，它儲存的電能、質量和體積，對電動汽車的效能起決定性作用。
6.1 動力電池數量
動力電池的數量主要是考慮最大輸出功率和汽車續航里程，單體電池選擇6-DG-120A型電池，該電池電壓為12 V、額定容量為120 A·h，質量為33 kg。
以最大功率需求選擇電池數量。選擇單體電池最大輸出功率Pbmax=2.8 kW，設計電機工作效率ηe和電機控制器ηec工作效率分別為0.9和0.95，根據汽車最大功率Pmax，可計算蓄電池數量為：
計算得到np不小於171節。
以最大續航里程需求選擇電池數量。設電池總能量為Wall，單體電池能量為We，汽車以速度v行駛s時消耗的能量可表示為：
蓄電池SOC在0.3～0.8之間時，放電深度最多為80%，其約束條件如下：
因此，動力電池數量為：
圖5 不同平均行駛車速下電池節數
圖6 不同續航里程下電池節數
若取平均行駛車速為70 km/h，則續航里程為100 km時的電池節數約為230節。動力電池越多，汽車質量越大，為保證汽車行駛效能，選擇電池節數為230節。
6.2 電池組電壓
電池組電壓等級電壓選用傳統336 V，採用28個單體電池串聯成為一組，一共9組並聯，最終動力電池共252塊。
7 結論
純電動卡車的匹配設計首先是根據最高車速和最大坡度速度需求，確定驅動電機的峰值功率；然後，根據車輛的最大爬坡度需求，確定車輛的轉矩需求；最後，根據驅動電機的轉矩、轉速匹配關係確定傳動系速比。