電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)方式及未來發(fā)展*

孫悅超

(嶺南師范學(xué)院，廣東 湛江 524048)

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電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)方式及未來發(fā)展*

孫悅超

(嶺南師范學(xué)院，廣東 湛江 524048)

驅(qū)動(dòng)電機(jī)是電動(dòng)汽車的核心部件，其性能和安裝位置直接決定電動(dòng)汽車的綜合性能。針對(duì)電動(dòng)汽車不同驅(qū)動(dòng)電機(jī)性能和驅(qū)動(dòng)方式進(jìn)行了深入分析比較。首先，對(duì)可用于驅(qū)動(dòng)汽車的直流電機(jī)、交流異步電機(jī)、開關(guān)磁阻電機(jī)和永磁同步電機(jī)性能進(jìn)行比較分析，發(fā)現(xiàn)永磁同步電機(jī)能夠滿足電動(dòng)汽車的驅(qū)動(dòng)要求，是未來電動(dòng)汽車的驅(qū)動(dòng)電機(jī)首選。其次，通過對(duì)電動(dòng)汽車集中式驅(qū)動(dòng)、分布式驅(qū)動(dòng)特點(diǎn)做對(duì)比研究，結(jié)果表明分布式驅(qū)動(dòng)中的輪轂電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)方式的電動(dòng)汽車具有結(jié)構(gòu)緊湊、車身內(nèi)部空間利用率高、整車重心低、行駛穩(wěn)定性好、便于智能控制等諸多優(yōu)點(diǎn)，符合目前及今后電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)性能的發(fā)展要求，將是電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)的主流方式。

電動(dòng)汽車； 驅(qū)動(dòng)電機(jī)； 直接驅(qū)動(dòng)； 未來發(fā)展

0 引 言

電動(dòng)汽車與傳統(tǒng)汽車相比，能量轉(zhuǎn)換效率高、噪聲小、經(jīng)濟(jì)性好、污染小，可去掉離合器、變速箱等裝置，結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單、維護(hù)保養(yǎng)方便。在當(dāng)今能源、環(huán)保問題的驅(qū)使下，各汽車生產(chǎn)國正以前所未有的力度發(fā)展電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)，科研人員對(duì)電動(dòng)汽車的研究也獲得了絕佳機(jī)遇。因此，電動(dòng)汽車正在開創(chuàng)汽車產(chǎn)業(yè)的新格局，將成為汽車工業(yè)發(fā)展的主要方向[1-5]。

驅(qū)動(dòng)電機(jī)作為電動(dòng)汽車的核心部件，其性能直接關(guān)系到電動(dòng)汽車的動(dòng)力性和能量轉(zhuǎn)化效率。但汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)不同于其他工業(yè)電機(jī)，尤其是乘用轎車的電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)不僅受汽車結(jié)構(gòu)尺寸的影響，同時(shí)還要滿足復(fù)雜工況下的運(yùn)行條件。因此，汽車除了要求驅(qū)動(dòng)電機(jī)效率高、質(zhì)量小、功率密度大、尺寸小、可靠性好、成本低之外，還必須能滿足汽車頻繁起動(dòng)、停車、爬坡、加減速等工況要求，就要乘用車驅(qū)動(dòng)電機(jī)具備較寬的轉(zhuǎn)速范圍和較高的過載系數(shù)，以滿足汽車低速或爬坡時(shí)高轉(zhuǎn)矩、高速時(shí)低轉(zhuǎn)矩的性能要求[6-8]。

1 汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)及特點(diǎn)

可用作汽車驅(qū)動(dòng)的電機(jī)主要有四種：直流電機(jī)、交流異步電機(jī)、開關(guān)磁阻電機(jī)和永磁同步電機(jī)。隨著電力電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展，適合汽車驅(qū)動(dòng)的電機(jī)也處于不斷變化中。例如，直流電機(jī)曾是電動(dòng)汽車的首選電機(jī)，但現(xiàn)在正逐漸退出汽車驅(qū)動(dòng)，永磁同步電機(jī)則將成為電動(dòng)汽車的首選驅(qū)動(dòng)電機(jī)。

1.1 直流電機(jī)

直流電機(jī)起步、加速牽引力大，控制簡(jiǎn)單，在電動(dòng)汽車研發(fā)早期得到了普遍采用。由于其存在電刷和換向器，限制了電機(jī)過載能力和最高轉(zhuǎn)速，不適合當(dāng)代汽車高速發(fā)展的要求。另外，電刷和換向器間的摩擦面隨工作時(shí)間的增加極易磨損，二者間還可能產(chǎn)生電火花而燒蝕，需經(jīng)常維修保養(yǎng)，從而限制了它在電動(dòng)汽車上的使用[10]。目前除部分小型工程車輛和老式工程車輛外，電動(dòng)汽車和工程車輛一般不使用直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)。

1.2 交流異步電機(jī)

交流異步電機(jī)與直流電機(jī)相比，效率高、功率大，適合于高速運(yùn)轉(zhuǎn)，可靠性高、便于維護(hù)、價(jià)格便宜。但與開關(guān)磁阻電機(jī)相比，存在驅(qū)動(dòng)器控制復(fù)雜、價(jià)格較高，電機(jī)參數(shù)變化對(duì)控制性能影響較大等缺點(diǎn)；與永磁電機(jī)相比，存在效率和功率密度偏低等缺點(diǎn)[11]?，F(xiàn)在的電動(dòng)車輛雖然廣泛采用交流異步電機(jī)，但隨著現(xiàn)代控制技術(shù)的不斷發(fā)展，用于電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)的交流異步電機(jī)必將被性能更加優(yōu)越的其他電機(jī)所取代。

1.3 開關(guān)磁阻電機(jī)

開關(guān)磁阻電機(jī)是一種新型電機(jī)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，電機(jī)轉(zhuǎn)子無集電環(huán)、繞組和永久磁鐵等。其轉(zhuǎn)速范圍大、起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大、可靠性髙，適合于高速運(yùn)行，便于維修、成本低，而且還適合于惡劣環(huán)境下工作，非常適合電傳動(dòng)工程車輛的輪邊電機(jī)。例如，東風(fēng)汽車公司生產(chǎn)的EQ6110HEV3型混合動(dòng)力電動(dòng)城市客車，用的就是開關(guān)磁阻電機(jī)。但開關(guān)磁阻電機(jī)運(yùn)行噪聲大，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)嚴(yán)重，相對(duì)于永磁同步電機(jī)來說效率和功率密度較小，限制了其在小型電動(dòng)乘用車中的應(yīng)用。

1.4 永磁同步電機(jī)

永磁同步電機(jī)具有體積小、無勵(lì)磁損耗、功率密度高、轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)較小、運(yùn)行較平滑、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、噪聲低、運(yùn)行可靠性高、維護(hù)成本低等優(yōu)點(diǎn)，特別適合用作電動(dòng)乘用汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)，并能滿足高性能電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)控制的要求[12-16]。但永磁同步電機(jī)受永磁材料工藝的限制和影響，功率范圍較小，最大功率一般為幾十千瓦。另外永磁材料在高溫、振動(dòng)和過流條件下，會(huì)發(fā)生磁性衰退，降低永磁電機(jī)的性能，不適合用作大功率電傳動(dòng)的工程車輛輪邊電機(jī)。

德國奧迪Q5混合動(dòng)力汽車采用永磁同步電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)電機(jī)，其最高轉(zhuǎn)速為12500r/min，最大輸出功率為40kW，每百公里綜合油耗僅為7.1L，二氧化碳排放量為159g/km。其燃油經(jīng)濟(jì)性和排放性比普通的Q5提高了很多。

2 電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)方式

根據(jù)電動(dòng)汽車上驅(qū)動(dòng)電機(jī)安裝的位置不同，電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)方式分為單電機(jī)集中式驅(qū)動(dòng)和多電機(jī)分布式驅(qū)動(dòng)兩種。

2.1 集中式驅(qū)動(dòng)

集中式驅(qū)動(dòng)與傳統(tǒng)汽車驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)接近，用電動(dòng)機(jī)代替內(nèi)燃機(jī)，通過傳動(dòng)系統(tǒng)將電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩傳遞到驅(qū)動(dòng)輪上使汽車行駛。在傳統(tǒng)汽車驅(qū)動(dòng)的基礎(chǔ)上，稍加改動(dòng)即可，操作技術(shù)成熟，但存在底盤結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜、體積較大而使車內(nèi)空間狹小、傳動(dòng)效率低、控制復(fù)雜等缺點(diǎn)。

集中式驅(qū)動(dòng)的傳動(dòng)方式可分為3種，如圖1所示[17]。圖1(a)為帶有離合器的傳動(dòng)方式，該方式的純電動(dòng)汽車變速器一般有2～3個(gè)擋位，換擋中離合器起中斷動(dòng)力、降低換擋沖擊的作用。圖1(b)的傳動(dòng)方式取消了離合器，將電動(dòng)機(jī)通過傳動(dòng)軸與固定速比減速器相連，使傳動(dòng)系統(tǒng)質(zhì)量和傳動(dòng)裝置體積減小，有利于增加車內(nèi)空間。圖1(c)則把電動(dòng)機(jī)、減速器和差速器集成一體，通過左右半軸分別驅(qū)動(dòng)對(duì)應(yīng)側(cè)車輪，布置結(jié)構(gòu)緊湊，主要用于小型汽車。

圖1 集中式驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)方式

2.2 分布式驅(qū)動(dòng)

分布式驅(qū)動(dòng)是把多個(gè)電機(jī)集成在車輪附近或輪輞內(nèi)，將動(dòng)力傳給相應(yīng)車輪，傳動(dòng)鏈大大縮短。按電機(jī)位置和傳動(dòng)不同可分為輪邊電機(jī)驅(qū)動(dòng)和輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)。

2.2.1 輪邊電機(jī)驅(qū)動(dòng)

輪邊電機(jī)驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)方式如圖2(a)所示[17]。由圖2(a)可知，該方式將驅(qū)動(dòng)電機(jī)安裝在副車架上的驅(qū)動(dòng)輪旁邊，通過或不通過減速器驅(qū)動(dòng)對(duì)應(yīng)側(cè)車輪?？蓪?duì)每個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行獨(dú)立調(diào)節(jié)控制，采用電子差速器實(shí)現(xiàn)左右半軸差速。圖2(b)是帶減速器的輪邊電機(jī)驅(qū)動(dòng)總成[18]，將電機(jī)與固定速比減速器連接，通過半軸實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)側(cè)車輪的驅(qū)動(dòng)。

圖2 輪邊電機(jī)驅(qū)動(dòng)

2.2.2 輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)

輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)適合于純電動(dòng)汽車，將2個(gè)、4個(gè)或者多個(gè)電機(jī)安裝在車輪內(nèi)部，直接驅(qū)動(dòng)車輪，俗稱電動(dòng)輪。傳統(tǒng)汽車與輪轂電動(dòng)汽車的驅(qū)動(dòng)比較如圖3所示。由圖3可見，輪轂驅(qū)動(dòng)徹底取消了離合器、變速器、差速器和半軸等，使底盤結(jié)構(gòu)大大簡(jiǎn)化，傳動(dòng)效率提高，同時(shí)減小了整車質(zhì)量且布置更合理，便于實(shí)現(xiàn)底盤智能化和電氣化控制。

圖3 傳統(tǒng)汽車與輪轂電動(dòng)汽車的驅(qū)動(dòng)比較

根據(jù)有無減速機(jī)構(gòu)，輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)分直接驅(qū)動(dòng)和減速驅(qū)動(dòng)(減速驅(qū)動(dòng)電動(dòng)輪)[19]。

直接驅(qū)動(dòng)的電機(jī)外轉(zhuǎn)子直接與輪轂機(jī)械連接，無減速結(jié)構(gòu)，如圖4(a)所示。電機(jī)轉(zhuǎn)速約為1500r/min，由于無減速機(jī)構(gòu)，驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)緊湊，傳遞效率更高。但在起步、爬坡等大負(fù)荷時(shí)需要大電流，易損壞電池和永磁體。因此，為了保證足夠大的起步轉(zhuǎn)矩和較好的動(dòng)力性，其對(duì)電動(dòng)機(jī)的要求較高，一般用低速外轉(zhuǎn)子永磁同步電機(jī)。

減速驅(qū)動(dòng)是在電動(dòng)機(jī)和車輪之間安裝固定速比減速器，起減速增矩作用。減速裝置一般為高減速比行星齒輪機(jī)構(gòu)，如圖4(b)所示。所用電機(jī)工作轉(zhuǎn)速約為10000r/min，通常采用高速內(nèi)轉(zhuǎn)子永磁同步電機(jī)，電機(jī)輸出動(dòng)力減速增矩后驅(qū)動(dòng)輪轂推動(dòng)汽車行駛。電機(jī)體積小、質(zhì)量輕、高轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)比功率高，減速增矩后汽車爬坡性好，并可保證汽車在低速運(yùn)行時(shí)具有較大的平穩(wěn)轉(zhuǎn)矩，但結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，非簧載質(zhì)量增加，對(duì)車輛的操縱穩(wěn)定性會(huì)產(chǎn)生影響。

3 驅(qū)動(dòng)方式分析

表1為電動(dòng)汽車不同驅(qū)動(dòng)方式性能比較，直觀反映了不同驅(qū)動(dòng)方式的電動(dòng)汽車傳動(dòng)效率、經(jīng)濟(jì)性、操縱穩(wěn)定性等。結(jié)合表1和上述不同電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式內(nèi)容可知：集中式驅(qū)動(dòng)與傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車相似，具有傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車的傳動(dòng)系統(tǒng)零部件多、成本高、傳動(dòng)效率低、控制復(fù)雜等缺點(diǎn)。

圖4 輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)布置形式

表1 電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)方式性能比較

與集中式驅(qū)動(dòng)相比，輪邊驅(qū)動(dòng)方式傳動(dòng)鏈短、經(jīng)濟(jì)性好、車身內(nèi)部空間利用率高、制動(dòng)能量回饋損耗小，但傳動(dòng)效率不如輪轂驅(qū)動(dòng)高。

輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)則完全取消了傳動(dòng)系統(tǒng)零部件，將電機(jī)、懸架系統(tǒng)、制動(dòng)系統(tǒng)同時(shí)放在輪輞里，使汽車結(jié)構(gòu)緊湊、重心降低，行駛穩(wěn)定性提高。輪轂電機(jī)與動(dòng)力電池及控制器間采用線束連接，如圖3(b)所示。這樣，車內(nèi)空間布置更加靈活，同時(shí)可為乘員留出更多空間，提高乘坐舒適性。同時(shí)，每個(gè)車輪運(yùn)動(dòng)相互獨(dú)立，無硬性機(jī)械連接，可通過計(jì)算機(jī)和電機(jī)控制系統(tǒng)按汽車行駛狀態(tài)對(duì)車輪驅(qū)動(dòng)力和制動(dòng)力進(jìn)行快速優(yōu)化、精確任意分配，便于實(shí)現(xiàn)線控轉(zhuǎn)向、ABS、TCS及ESP等功能，使得汽車轉(zhuǎn)向靈便、動(dòng)力學(xué)性能可靠、操縱穩(wěn)定性好。此外，輪轂驅(qū)動(dòng)還可實(shí)現(xiàn)電氣制動(dòng)、機(jī)電復(fù)合制動(dòng)及制動(dòng)能量回饋等，能源消耗低、制動(dòng)能量回收高，能量轉(zhuǎn)化效率可達(dá)到90%。

雖然電動(dòng)汽車采用分布式輪轂驅(qū)動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)突出，但由于輪轂電機(jī)、制動(dòng)系統(tǒng)甚至懸架系統(tǒng)同時(shí)集中在車輪上，導(dǎo)致汽車非簧載質(zhì)量和車輪旋轉(zhuǎn)部件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量顯著增大，從而增加汽車垂直方向的振動(dòng)幅度，甚至影響輪胎的附著性，不利于汽車的控制，還會(huì)降低汽車的平順性和舒適性。因此，國內(nèi)外學(xué)者針對(duì)這些缺點(diǎn)進(jìn)行了大量研究并提出了相應(yīng)改進(jìn)措施。Nagaya等[20]利用電機(jī)質(zhì)量構(gòu)造吸振器對(duì)非簧載質(zhì)量引發(fā)的垂向振動(dòng)負(fù)效應(yīng)進(jìn)行控制。Johansen，Yang等[21-22]通過特殊電機(jī)設(shè)計(jì)將電機(jī)定子質(zhì)量轉(zhuǎn)化到簧載質(zhì)量中去，使非簧載質(zhì)量下降。趙艷娥等[23]通過設(shè)置與懸架系統(tǒng)并聯(lián)的減振機(jī)構(gòu)將輪轂電機(jī)定子質(zhì)量由簧下質(zhì)量轉(zhuǎn)化為簧上質(zhì)量。羅虹等[24]提出將整個(gè)電機(jī)質(zhì)量作為簧載質(zhì)量的方案，即在直接驅(qū)動(dòng)輪轂電機(jī)的電動(dòng)系統(tǒng)中直接將電機(jī)質(zhì)量作為吸振器質(zhì)量，不另外增加質(zhì)量塊。史天澤[25]開發(fā)了一種適用于輪轂電機(jī)電動(dòng)車的專用懸架和轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，包括一種雙節(jié)臂式前懸架系統(tǒng)、扭桿梁式后懸架系統(tǒng)和機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。

綜上可見，雖然目前尚無成熟的輪轂驅(qū)動(dòng)汽車產(chǎn)品應(yīng)用，但輪轂驅(qū)動(dòng)作為新的先進(jìn)驅(qū)動(dòng)方式，是當(dāng)前國內(nèi)外電動(dòng)汽車研究的重點(diǎn)、熱點(diǎn)技術(shù)之一。科研人員正在針對(duì)輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)存在的不足進(jìn)行多方面的改進(jìn)、研發(fā)，包括高轉(zhuǎn)矩輪轂電機(jī)的開發(fā)、智能化底盤的集成與控制、非簧質(zhì)量對(duì)汽車性能的影響等關(guān)鍵技術(shù)，會(huì)逐步解決輪轂驅(qū)動(dòng)存在的各種缺陷與不足，充分發(fā)揮輪轂驅(qū)動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)，因此輪轂驅(qū)動(dòng)方式將以其他驅(qū)動(dòng)方式無法比擬的優(yōu)勢(shì)成為電動(dòng)汽車的最終驅(qū)動(dòng)方式。

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Electric Vehicle Driving Mode and Future Development*

SUNYuechao

(Lingnan Normal University, Zhanjiang 524048, China)

Driving motor is the core components of the electric car, its performance and installation position directly determine the comprehensive performance of electric vehicle. Therefore, electric vehicle with different driving motor’s performance and driving mode were analyzed. First of all, Comparing and anglicizing the performance of some could be used for driving the car, such as DC motor, AC asynchronous motor, switch reluctance motor and permanent magnet synchronous motor, found that permanent magnet synchronous motor could meet the electric vehicle drive requirements, and it was the preferred motor driving electric cars in the future. Secondly, through a comparative study on the characteristics of the centralized driving and distributed driving of electric vehicles, found that the direct driving mode of the wheel hub motor in the distributed drive had the advantages of compact structure, high utilization rate of the internal space, low gravity center, good stability, ease of intelligent control, etc.It meet the current and future development requirements of the driving performance of electric vehicle, it would be the mainstream mode of electric vehicle drive in the future.

electric vehicle; drive motor; direct drive; future development

廣東省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(S2013010012107)；嶺南師范學(xué)院人才基金項(xiàng)目(ZL1305)

孫悅超(1974—)，男，博士研究生，教授，研究方向?yàn)殡妱?dòng)汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)及控制。

TM 301.2

A

1673-6540(2016)12- 0098- 05

2016-4-30