电动汽车驱动力与行驶阻力分析

电动汽车在行驶中，动力电池输出电能给驱动电机，驱动电机输出功率，用于克服电动汽车机械装置的内阻力以及由行驶条件决定的外阻力所消耗的功率。内阻力通常由汽车内机械装置的效率表示。外阻力即电动汽车行驶阻力。从分析电动汽车行驶时的受力状况出发，建立行驶方程式，这是分析电动汽车行驶性能的基础。

1.驱动力

电动汽车的驱动电机输出轴输出转矩M，经过减速齿轮传到驱动轴上的转矩为M_t，使驱动轮与地面之间产生相互作用，车轮与地面作用一圆周力F₀，同时，地面对驱动轮产生反作用力F_t。F_t与F₀大小相等，方向相反，F_t的方向与驱动轮前进方向一致，是推动汽车前进的外力，定义为电动汽车的驱动力。有：

式中 F_t——驱动力（N）；

M——驱动电机输出转矩（N·m）；

i_g——减速器或者变速器传动比；

i₀——主减速器传动比；

η——电动汽车机械传动效率；

r——驱动轮半径（m）。

电动汽车机械传动装置指与驱动电机输出轴有运动学联系的减速齿轮变速器、传动轴以及主减速器等机械装置。机械传动链中的功率损失有：齿轮啮合点处的摩擦损失、轴承中的摩擦损失、旋转零件与密封装置之间的摩擦损失以及搅动润滑油的损失等。因为影响因素复杂，所以单独计算每个损失比较困难。现代机械传动装置生产技术水平比较高，传动装置中的损失较小，为了简化计算，将各项损失合并到啮合损失内。对于一般机械传动装置效率，可以按式（2-2）计算：

式中 η_y——圆柱齿轮对的效率，η_y=0.97～0.98；

η_z——圆锥齿轮对的效率，η_z=0.96～0.97；

n——传递转矩时处于啮合状态的圆柱齿轮对数；

m——传递转矩时处于啮合状态的圆锥齿轮对数。

对于采用行星轮系或行星排的机械传动效率，计算方法更为复杂，在此不予讨论。单排行星减速器的效率一般取值为0.97～0.98，万向传动轴的效率取值为0.98。

汽车在各种工况下行驶时，所需的转矩和功率是行驶速度的函数，取决于不同车速行驶时所遇到的行驶阻力。原动机的转矩-转速特性必须满足汽车的这种需要。假设原动机在不同转速时的功率保持不变，则有

式中 n——原动机转速（r/min）；

M——原动机转矩（N·m）；

P_M——原动机的输出功率（kW）。

在原动机的工作转速范围内，转矩与转速成反比，转矩特性是一条在第一象限内的双曲线。转速低时转矩大，转速高时转矩小。这种特性比较接近汽车的行驶工况。但是各种原动机的转矩特性与这种理想的特性是有区别的。串励式直流驱动电机的功率与转矩特性如图2-17所示。串励式交流驱动电机的功率与转矩特性如图2-18所示。

图2-17 加载时间不同时，串励式直流驱动电机的功率与转矩特性

这些特性图上有三条曲线，即连续功率、小时功率和起动功率（瞬时功率）。起动功率和小时功率均大于连续功率。由于驱动电机发热，起动功率与小时功率使用时间受到限制。这个特点使得车辆具有在一段时间得到较大加速度或者克服较大的坡道阻力的能力，因而得到广泛的使用。

图2-18 加载时间不同时，串励式交流驱动电机的功率与转矩特性

2.行驶阻力

电动汽车在上坡加速行驶时，作用于电动汽车上的阻力与驱动力保持平衡，建立如下的汽车行驶方程式：

式中 F_t——驱动力；

F_f——行驶时的滚动阻力；

F_w——行驶时的空气阻力；(www.xing528.com)

F_j——行驶时的加速阻力；

F_i——行驶时的坡道阻力。

（1）滚动阻力F_f

电动汽车在硬路面上行驶，由于橡胶轮胎的弹性迟滞形成的能量损失，相当于汽车车轮在前进方向上遇到的一个阻力消耗了汽车的能量。将这个阻力定义为汽车行驶的滚动阻力F_f，通常它与车轮上的法向载荷成正比，即

式中 G——汽车的总重量（N）；

α——汽车在坡道上行驶时道路的坡度角；

f——滚动阻力系数。

滚动阻力系数f数值由试验确定，影响滚动阻力系数的因素很复杂。通常滚动阻力系数与路面的种类，行驶车速和轮胎的材料、构造、气压等因素有关。为了降低滚动阻力系数，可以采用低弹性迟滞橡胶、薄胎面、高压子午线轮胎。

（2）空气阻力F_w

根据空气动力学原理，汽车在行驶过程中由于空气动力的作用，在汽车行驶方向上作用在汽车上的分力称为空气阻力。空气阻力通常与气流相对速度的动压力成正比。空气阻力可以表示为

式中 C_D——空气阻力系数；

v_a——汽车行驶速度（km/h）；

A——迎风面积（m²）。

降低空气阻力的主要途径是降低C_D值。空气阻力系数C_D值与汽车表面的结构形状有关，由风洞试验确定。通常，轿车C_D=0.3～0.46，货车C_D=0.6～0.7，大客车C_D=0.6～0.7。

（3）坡道阻力F_i

汽车上坡行驶时，除必须克服滚动阻力与空气阻力外，还必须克服上坡阻力F_i。由于汽车的重力沿上坡路面的分力Gsinα阻止汽车前进，此力成为坡道阻力，有

F_i=Gsinα （2-7）

式中 G——汽车总质量；

α——道路的坡度角。

道路的坡度角除以角度表示外，道路工程上常以坡度表示，将坡度角的正切值定义为坡度，即

一般的路面上坡度角很小，可以近似地认为

F_i=Gsinα=Gi（2-9）

（4）加速阻力F_j

设有两个物体其质量均等于m，其中一个物体在运动时有一部分质量可以旋转，并与该物体有一定的运动学联系；另一个物体没有旋转质量。若以相同的力作用于该物体时，两个物体所得到的加速度是不相等的，前者的加速度小于后者。这是因为物体受力作用而做加速运动时，有旋转质量的那一部分除随该物体作平移加速外，还将产生旋转加速度。因此，旋转质量加速旋转而形成附加惯性负荷，表现为对该物体整体的阻力。对于有旋转质量的物体，其加速度比没有旋转质量的物体的加速度要小一些。可以设想有旋转质量的物体，其质量比无旋转质量的物体增加了δ倍，δ称为质量增加系数，或者质量换算系数，用牛顿第二定律表示为

F=δma （2-10）

电动汽车加速行驶时的加速阻力则可以表示为

式中 δ——电动汽车的质量换算系数。

电动汽车的质量换算系数可进一步进行理论分析计算，通常由试验确定。因为还缺乏电动汽车的实验数据和近似的计算方法，所以可参考内燃机汽车的质量换算系数的计算方法。由于电动汽车没有笨重的内燃机和飞轮，因此质量换算系数会相对小一些。