淺談電動汽車驅(qū)動系統(tǒng)的結構及分類

劉春暉

（山東華宇工學院 機械工程學院，山東 德州 253034）

引言

隨著國內(nèi)經(jīng)濟的不斷發(fā)展，人們的生活水平越來越高，汽車的產(chǎn)銷量逐年增長，據(jù)相關統(tǒng)計資料顯示，2020年中國汽車產(chǎn)銷量將達2 500萬輛，連續(xù)12年保持世界第一。截止2020年上半年，全國機動車保有量達3.6億輛，其中汽車2.7億輛。隨著汽車保有量的逐年增加，來自能源和環(huán)境污染方面的壓力越來越大，新能源汽車特別是純電動汽車可以有效地解決這一問題。

作為新能源汽車發(fā)展的重點代表，純電動汽車的發(fā)展提上了日程，電動汽車的核心部件是三電——電機、電池和電控。這里我們重點討論電動汽車的電機。

1 電動汽車驅(qū)動電機的特點

電機一般來說可以包括兩大類型，一類是電動機，可以將電能轉化為機械能，產(chǎn)生動力，驅(qū)動相關設備工作；另一類是發(fā)電機，可以將機械能轉化為電能，產(chǎn)生電流，供用電設備使用。在某些情況下，這兩類功能可以相互轉化，電動汽車的能量再生制動就是電機能量相互轉化的一個具體實例。純電動汽車上的電機就兼具有上述兩種功能[1]。

2 驅(qū)動電機與工業(yè)用電機的異同

電動汽車上使用的驅(qū)動電機與工業(yè)上使用的各類電機既有聯(lián)系又有區(qū)別。在電動汽車上，要求驅(qū)動電機要頻繁起動和停車、加速和減速等來回變換，在出入地庫等爬坡情況時，要求有高轉矩，在高速公路高速行駛時要求有高的運轉速度，并且速度的變化范圍盡可能大才能滿足要求。對于工業(yè)電機其工作性能往往優(yōu)化在額定的工作點上，沒有電動汽車電機上各種復雜的工況。因此，鑒于電動汽車驅(qū)動電機的獨特性，一般將電動汽車的電機單獨列為一類[2]。電動汽車用驅(qū)動電機與工業(yè)用電機的區(qū)別主要有以下幾點。

（1）過載要求不同。電動汽車驅(qū)動電機需要4～5倍的過載，用來滿足電動汽車行駛過程中短時加速或爬坡的要求，工業(yè)電機只需要2倍過載便能達標。

（2）轉速不同。電動汽車驅(qū)動電機轉速的最高要求是達到巡航基本速度的4～5倍，而工業(yè)電機只需要2倍即可。

（3）設計思路不同。電動汽車驅(qū)動電機需要根據(jù)車型和不同駕駛人的習慣進行設計，對于工業(yè)電機只需根據(jù)其工作模式設計就可能。

（4）性能要求不同。電動汽車驅(qū)動電機要求其工作可控性高、工作的穩(wěn)態(tài)精度高、工作時動態(tài)性能好，對于工業(yè)電機滿足某一特定性能要求即可。

（5）安裝位置不同。電動汽車驅(qū)動電機安裝在車身相應位置，空間狹小，長期耐受高溫、雨水、頻繁振動等惡劣環(huán)境，性能要求高，工作電機通常固定在某一個位置工作。

3 電動汽車對驅(qū)動電機的要求

驅(qū)動電機是電動汽車上的核心部件之一，其性能的好壞，將直接影響到電動汽車在起步、加速、減速、高速行駛以及爬坡等方面的性能指標，因此對于電動汽車的驅(qū)動電機要滿足一些特殊要求。

（1）響應迅速、穩(wěn)定。驅(qū)動電機主要進行電磁轉矩的控制，油門踏板的開度大小要通過控制器給驅(qū)動電機電磁轉矩的目標值展現(xiàn)出來。

（2）調(diào)速范圍寬。電動汽車的各種工況包括起步、加速、巡航、減速以及制動等，要求驅(qū)動電機具有較寬的調(diào)速范圍。

（3）驅(qū)動電機能耗要低。為了盡可能提高一次充電的續(xù)航里程，在整個運行范圍內(nèi)效率高。

（4）裝備高壓防護裝置。按國家標準要求，電機安全性要符合國家有關車輛電氣安全標準。

（5）電機輕量化。安裝空間有限，整車要求輕量化，要求驅(qū)動電機體積和質(zhì)量盡可能小，結構簡單，使用維護要方便。

（6）盡量采用高壓。在允許的電壓等級范圍內(nèi)，盡量采用高壓電，同時電機的電磁兼容性要好。

4 電動汽車驅(qū)動系統(tǒng)的組成

4.1 驅(qū)動系統(tǒng)的作用

電動汽車驅(qū)動系統(tǒng)的作用是通過駕駛人控制加速踏板或制動踏板，將電池的能量轉化為車輪的動力驅(qū)動車輛前進，或者將車輪制動產(chǎn)生的動能反饋到電池中進行儲存，提高能量的使用效率。

4.2 驅(qū)動系統(tǒng)的結構

不同類型電動汽車驅(qū)動系統(tǒng)的結構差別較大，一般都由電氣和機械兩大部分組成，電氣式驅(qū)動系統(tǒng)組成示例如圖1所示，電氣部分結構包括電機、功率轉速器和電子控制器。其中電子控制器由傳感器、中間連接電路與處理器等組成。傳感器的作用是把電流、電壓、溫度、速度、轉矩以及磁通等相關的測量數(shù)據(jù)信息轉變?yōu)殡娦盘?，再通過相關的變換電路輸出相應的電信號，送至處理器。處理器將信號進行規(guī)范化處理，然后經(jīng)過中間電路放大后驅(qū)動功率轉換器進行工作[3]。

圖1 電動汽車驅(qū)動系統(tǒng)組成示例

在驅(qū)動和能量回收過程中，電源與電機之間，或者再生制動過程中的能量流動要通過能量轉換器進行調(diào)節(jié)。驅(qū)動電機與車輪通過機械傳動裝置連接在一起，當然也可以將車輪與電機裝配在一起，如輪轂電機式，通過電機直接進行驅(qū)動。

5 電動汽車驅(qū)動系統(tǒng)的類型

電動汽車驅(qū)動系統(tǒng)類型復雜多樣，每種類型驅(qū)動系統(tǒng)都有各自特點。

5.1 根據(jù)驅(qū)動輪布置形式

根據(jù)電動汽車驅(qū)動輪的布置方式不同，可以分為前輪驅(qū)動、后輪驅(qū)動和全輪驅(qū)動等方式。根據(jù)基本布置方式不同，可分為機械驅(qū)動系統(tǒng)、半機械驅(qū)動系統(tǒng)和純電氣驅(qū)動系統(tǒng)等。

5.1.1 機械驅(qū)動系統(tǒng)

只用電機及控制系統(tǒng)取代內(nèi)燃機及相關控制系統(tǒng)，這種系統(tǒng)中保留了傳統(tǒng)汽車的變速器、傳動軸、后橋以及半軸等部件，早期較多采用這種形式。

5.1.2 半機械驅(qū)動系統(tǒng)

半機械驅(qū)動系統(tǒng)利用電機調(diào)速范圍寬的特點，將傳動效率低、操作繁瑣的齒輪變速器進行淘汰，部分采用機械傳動的齒輪、差速器、半軸等零部件來傳遞動力。

5.1.3 純電氣驅(qū)動系統(tǒng)

這種形式為輪轂電機式，多采用左右兩個雙聯(lián)式電機或輪轂式電機組成，直接驅(qū)動左右兩個驅(qū)動車輪。電機與電機之間裝有差速器，這種結構可以控制輪轂電機或雙聯(lián)電機在電動汽車直線行駛進同步轉動以及在電動汽車轉彎時差速轉動。電動汽車驅(qū)動系統(tǒng)的模式產(chǎn)生了根本的變化，這是由于電動汽車的純電氣驅(qū)動系統(tǒng)僅采用兩根半軸來驅(qū)動車輪或者采用輪轂電機直接驅(qū)動車輪。這種結構優(yōu)點是使驅(qū)動系統(tǒng)結構緊湊、傳動效率高，擴大乘坐及載貨空間，利于在底盤上布置電池。未來電動汽車的主流驅(qū)動形式是采用純電氣驅(qū)動[1]。電動汽車的輪轂電機采用不同數(shù)量和不同功率的輪轂電機，可以組成系列化的電動汽車。輪轂電機式驅(qū)動系統(tǒng)可分為帶變速器的驅(qū)動系統(tǒng)和不帶變速器的驅(qū)動系統(tǒng)。

5.2 根據(jù)驅(qū)動系統(tǒng)是否采用輪轂電機

電動汽車驅(qū)動系統(tǒng)中是否采用輪轂電機，可分為輪轂電機式驅(qū)動系統(tǒng)和非輪轂電機式驅(qū)動系統(tǒng)。

輪轂電機式驅(qū)動系統(tǒng)其驅(qū)動電機安裝在驅(qū)動車輪的輪轂中，類似目前電動自行車上使用的電機類型，這種形式可以直接驅(qū)動車輪運轉，傳動效率高，不占用底盤和車身有限的空間，可使乘員室擴大。底盤騰出的空間用來布置電池，在一定程度上減少了電動汽車的簧載質(zhì)量。既可以采用兩輪驅(qū)動，也可以采用四輪驅(qū)動。

5.3 根據(jù)采用驅(qū)動電機的數(shù)量

根據(jù)電動汽車采用驅(qū)動電機的數(shù)量，目前大致分為單電機和多電機驅(qū)動系統(tǒng)。單電機驅(qū)動系統(tǒng)是只采用一個電機，可以減小相應的體積、質(zhì)量以及成本，但是驅(qū)動力較小，功能較單一，缺點較多。

多電機系統(tǒng)通過采用多個電機來單獨驅(qū)動每一個車輪，這種結構能夠減少每個輪上單個電機的電流以及額定功率值的大小，傳動效率高，對于電機的尺寸以及質(zhì)量容易起到均衡的作用。這種結構的缺點是由于多車輪為驅(qū)動輪，需要安裝電子差速器或者要采用電子控制系統(tǒng)等相關系統(tǒng)來控制實現(xiàn)差速過程，雖然成本較高，但是性能優(yōu)良，這種方式將成為今后電動汽車發(fā)展的主流[3]。

6 電動汽車驅(qū)動系統(tǒng)的檢查維護

電動汽車維護檢查與傳統(tǒng)燃油汽車有較大的區(qū)別，主要包括以下幾個方面。

6.1 日常檢查

定期檢查電機的電纜線、電機堅固件等是否堅固，定期清除電機表面以及風機進、出風口的纖維、灰塵等雜物。

6.2 軸承維護

一般來說，驅(qū)動電機的軸承每半年補充潤滑脂一次，根據(jù)電機的運行情況和軸承的聲音及發(fā)熱情況，來確定是否更換新軸承。

6.3 絕緣電阻的測量

當電動汽車擱置較長時，應測量驅(qū)動電機的絕緣電阻，其絕緣電阻值應不低于5 MΩ，否則應對電機繞組進行干燥絕緣處理，以去除潮氣。

6.4 驅(qū)動電機散熱風機的檢查

使用中應每天檢查風機的工作是否正常，葉輪是否有異響，并經(jīng)常檢查外罩的緊固螺釘是否有松動。

7 總結

綜上，電動汽車的驅(qū)動系統(tǒng)是保障電動汽車正常行駛的核心部件，要想切實提高電動汽車的安全性，一方面需要相關技術人員真正掌握電動汽車各方面的知識，同時要掌握電動汽車故障診斷方法及故障排除能力，還要采用科學的處理方式，這樣可以在很大程度上降低電動汽車驅(qū)動系統(tǒng)發(fā)生故障的頻率，提高電動汽車的性能。

在技術改進方面，應該通過不斷優(yōu)化電動汽車的驅(qū)動系統(tǒng)，加強技術研發(fā)，強化人員素質(zhì)，不斷加強故障排除的整改措施，電動汽車的驅(qū)動系統(tǒng)會越來越完善。

隨著國家對排放和環(huán)保政策的日益嚴格，新能源汽車特別是電動汽車一定會被廣泛推廣和使用，對我國的環(huán)境建設做出重大貢獻，有效改善居民的生活環(huán)境。提倡綠色出行，讓電動汽車取代傳統(tǒng)燃油汽車，保持綠色低碳的環(huán)保理念，帶動我國的電動汽車經(jīng)濟發(fā)展，未來，電動汽車將會成為城市出行的主流。