純電動汽車驅動系統(tǒng)的技術現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢

尹彥秋 張俊深

摘要：發(fā)展新能源汽車，已然成為我國汽車產業(yè)由大向強，實現(xiàn)彎道超車的必然選擇。自2012年7月國務院發(fā)布實施節(jié)能與新能源汽車產業(yè)發(fā)展規(guī)劃以來，我國新能源汽車產業(yè)技術得到顯著提升，產業(yè)體系日趨完善，產銷量和保有量連續(xù)多年保持世界第一，新能源汽車尤其是純電動汽車發(fā)展成績顯著，已成為引領全球汽車產業(yè)轉型發(fā)展的中堅力量。本文從純電動汽車結構驅動控制技術、驅動電機和減速器等技術角度總結了純電動汽車驅動系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀，探討了當前純電動汽車驅動系統(tǒng)相關技術所面臨的技術難點和未來發(fā)展方向。

Abstract： The development of new energy vehicles has become an inevitable choice for my country's auto industry to grow stronger and achieve overtaking in corners. Since the State Council released the implementation of the energy-saving and new energy automobile industry development plan in July 2012， my country's new energy automobile industry technology has been significantly improved， the industrial system has become increasingly complete， and the production and sales volume and ownership have remained the world’s number one for many consecutive years. New energy vehicles in particular The development of pure electric vehicles has achieved remarkable results and has become the backbone of leading the transformation and development of the global automotive industry. This article summarizes the development status of pure electric vehicle drive system from the technical perspective of pure electric vehicle structure drive control technology， drive motor and reducer， and discusses the technical difficulties and future development directions of current pure electric vehicle drive system related technologies.

關鍵詞：純電動汽車;驅動技術;控制技術;減速器

Key words： pure electric vehicle;drive technology;control technology;reducer

中圖分類號：U463.1? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-957X（2021）17-0215-03

0? 引言

當前，全球能源結構和社會運行方式正朝著革命性、顛覆新方向轉變，新一輪汽車科技和產業(yè)革命已經蓬勃發(fā)展，這些都使得新能源汽車產業(yè)面臨前所未有的發(fā)展機遇，各國政府為確保本國成為引領世界汽車產業(yè)轉型的重要力量，紛紛出臺相關政策法規(guī)積極引導本國新能源汽車產業(yè)發(fā)展，鼓勵新能源汽車的技術研究與產業(yè)化應用，并通過對傳統(tǒng)燃油車的禁售，來加速這一轉型進程。

純電動汽車作為一種典型的高新技術產品，集成了機械、電子、電化學、能源與新材料、計算機科學、信息技術等多種高新技術于一體，具備結構簡單、使用維護保養(yǎng)方便，在行駛過程中污染物零排放、低噪聲、 高傳動效率等特點，成為當前汽車產業(yè)的創(chuàng)新熱點和發(fā)展方向。本文從純電動汽車結構、控制技術、驅動技術和減速器等專業(yè)技術角度總結了純電動汽車驅動系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀，探討了當前純電動汽車驅動系統(tǒng)相關技術所面臨的技術難點和未來發(fā)展方向。

1? 純電動汽車驅動系統(tǒng)

純電動汽車驅動系統(tǒng)作為純電動汽車汽車“三電”（電機、電控、電池）系統(tǒng)核心技術之一，主要由驅動控制系統(tǒng)、驅動電機和減速器等部件構成，如圖1所示。驅動電機和驅動控制系統(tǒng)作為純電動汽車驅動系統(tǒng)中的關鍵技術，其技術水平直接決定了純電動汽車整車的動力性、經濟性和客戶的駕乘感受?，F(xiàn)階段純電動汽車按照驅動系統(tǒng)布置形式分為：集中式驅動布置和分布式驅動布置兩種。

1.1 集中式驅動

作為當前純電動汽車的主流驅動系統(tǒng)構型，純電動汽車集中式驅動系統(tǒng)主要采用驅動電機和減速器替代傳統(tǒng)燃油車動力總成系統(tǒng)來實現(xiàn)驅動系統(tǒng)的電動化。典型的純電動汽車集中式驅動系統(tǒng)結構如圖1所示，集中式驅動系統(tǒng)繼承了傳統(tǒng)燃油汽車的機械耦合裝置，并保留了相關機械部件。集中式驅動系統(tǒng)以其高集成度的特點，決定了純電動汽車驅動系統(tǒng)總成結構變得更簡單，對動力系統(tǒng)的改動很少，布局更緊湊，布置也更方便。按照純電動汽車不同的驅動需求，純電動汽車集中式驅動系統(tǒng)可通過前軸或后軸靈活安裝，實現(xiàn)“前輪驅動”、“后輪驅動”或“四輪驅動”。采用的高功率密度的驅動電機的高效率區(qū)間覆蓋范圍，遠遠超過傳統(tǒng)內燃發(fā)動機的高效率區(qū)間范圍，較成熟的控制技術使得集中式驅動系統(tǒng)兼具傳統(tǒng)燃油汽車無法比擬的從零轉速即可達到最大轉矩的響應時間，且無換擋沖擊。按照純電動汽車驅動系統(tǒng)集成度的不同，集中式驅動系統(tǒng)典型結構如圖2所示，主要分為：分體式、簡單集成、復雜集成、深度集成。

1.2 分布式驅動

純電動汽車分布式驅動系統(tǒng)相較于集中式驅動系統(tǒng)，典型的純電動汽車分布式驅動系統(tǒng)結構如圖3所示，就是將驅動電機直接安裝在車輪上，通過機械耦合裝置的整合，不僅實現(xiàn)了車輛結構簡化，縮短了動力傳遞路徑，進一步提高了傳動效率，還提升了車輛的操縱性。純電動汽車分布式驅動系統(tǒng)按照結構形式的不同，主要分為：輪邊驅動和輪轂驅動。不同于輪轂驅動和集中式驅動所采用的內轉子驅動電機，輪邊電機采用外轉子驅動電機。

輪邊驅動是將驅動電機直接安裝在車輪內側，通過機械耦合裝置單獨驅動車輪。輪轂驅動則是通過將驅動電機和機械耦合裝置整合至輪轂中，不需要任何齒輪機構，極大的簡化了純電動汽車的驅動系統(tǒng)結構。通過對驅動電機采用低速區(qū)轉矩輸出穩(wěn)定矢量控制，能夠很好的實現(xiàn)驅動電機轉矩與磁鏈解耦，實現(xiàn)對驅動電機輸出轉速的控制。

按照純電動汽車不同的驅動需求，純電動汽車分布式驅動系統(tǒng)可靈活安裝車輪上，實現(xiàn)“前輪驅動”、“后輪驅動”或“四輪獨立驅動”。雖然目前大部分電動汽車采用集中電機驅動，但輪邊電機驅動已開始應用于客車和商用車市場上。輪轂電機驅動雖然還處于研發(fā)和小批量試產階段，但卻是未來新能源汽車電驅動系統(tǒng)的發(fā)展方向，其中Protean Electric公司開發(fā)的一體化集成驅動輪轂電機系統(tǒng)ProteanDrive，其Pdl8輪轂電機動力性能突出，以不到40kg的重量，提供最高80kW的功率和1250N·m的扭矩。

2? 純電動汽車驅動系統(tǒng)關鍵技術

2.1 驅動電機技術

作為純電動汽車驅動系統(tǒng)核心部件的驅動電機，其性能決定了純電動汽車的主要性能指標，并成為直接影響車輛動力性能、經濟性能和駕乘感受等關鍵因素之一。目前行業(yè)所采用的驅動電機主要分為直流電機和交流電機。相較于直流電機的簡單控制，交流電機的控制則相對復雜得多，得益于過去幾十年電控技術的發(fā)展，尤其是高速數(shù)字處理器和復雜算法等成熟技術的應用，使得交流電機在純電動汽車應用越來越廣泛。當前純電動汽車普遍采用的諸如感應電機、PM（永磁）電機和開關磁阻電機都屬于交流和無刷電機。

按照轉子結構形式區(qū)分，交流感應電機分籠型感應電機和轉子式感應電機。由于籠型感應電機成本較低、效率高、結構堅固可靠的特點，相較于轉子式感應電機，其更適合應用于純電動汽車上。

PM（永磁）電機主要通過永磁體來產生氣隙磁通，實際利用永磁體替代了直流電機中的磁場線圈和感應電機中定子的勵磁體。其大致可分為永磁同步電機（PMSM）和永磁無刷直流電機（PMBLDC）兩類。永磁無刷直流電機（PMBLDC）因控制相對簡單，且存在梯形反電動勢，因此主要應用在工業(yè)領域中。永磁同步電機（PMSM）結構包括面貼式、插入式和內置式，其驅動原理類似感應電機，具有響應速度快、高功率密度和高效率的優(yōu)點，并且可以對其進行矢量控制和dq變換，被作為純電動汽車驅動電機的首選。

2.2 驅動控制技術

面對復雜的運行環(huán)境及嚴苛的工況條件，要求純電動汽車驅動系統(tǒng)必須具備較高技參數(shù)指標，能夠從容應對頻繁的啟、停和加、減速，以及低速和爬坡時低速高轉矩和，高速低轉距需求，并要求具備寬泛的調速區(qū)間驅動電機的輸出動作主要是靠控制單元給定命令執(zhí)行，即控制器輸出命令。如圖4所示，驅動控制器主要是將輸入的直流電逆變成電壓、頻率可調的三相交流電，供給配套的三相交流永磁同步電機使用。傳統(tǒng)的線性控制（PID），已不能滿足高性能驅動電機的苛刻要求。當前，隨著先進控制技術及控制理論研究的深入和發(fā)展，出現(xiàn)了包括自適應控制、模糊控制、變結構控制和神經網絡控制等先進控制策略。

2.3 減速器技術

目前，各大汽車廠商的純電動汽車驅動系統(tǒng)均采用驅動電機匹配單級減速器的構型。單擋減速器動力傳動機械部分是依靠兩級齒輪副來實現(xiàn)減速增扭。其按功用和位置分為以下組件：右箱體、左箱體、輸入軸組件、中間軸組件、差速器組件，以及P擋駐車組件。如圖5所示為單擋減速器動力傳遞路線：驅動電機→輸入軸→輸入軸軸齒→中間軸齒輪→中間軸軸齒→差速器半軸齒輪→左右半軸→左右車輪。

單從結構上來說，兩檔減速器結構相對更為復雜，如圖6所示為兩檔減速器結構圖，包括左箱體、右箱體、輸入組件、輸出組件、同步器、中間軸組件以及P擋駐車組件。對比單擋減速器，兩檔減速器可在相對復雜路況條件下選擇低速高扭或高速低扭輸出。當減速器處于一檔檔位時，同步器齒套與輸出軸齒輪嚙合，此時，減速器的減速比為兩級齒輪的傳動比，適用于高扭矩、低速，適用于起步或爬坡路段。當減速器處于二擋檔位，同步器齒套與輸入軸齒輪嚙合，此時，減速器的減速比為1，適用于低扭矩、高速，適用于平坦提速或高速路段。兩檔減速器的使用，能夠讓電機盡量工作在高效率的轉速區(qū)間，降低了能量損耗、提高了續(xù)航里程。

3? 純電動汽車驅動系統(tǒng)存在的技術難點及發(fā)展趨勢

純電動汽車驅動系統(tǒng)開發(fā)主要涉及零部件關鍵共性技術、系統(tǒng)集成技術、測試驗證技術和產業(yè)化應用技術。目前，我國通過構建以企業(yè)為主體、市場為導向、產學研用協(xié)同技術創(chuàng)新體系的建立，使得我們在驅動系統(tǒng)關鍵核心技術上取得了一定突破，產業(yè)基礎能力得到提升，一批高功率、高轉速、復雜集成度的驅動系統(tǒng)總成已經產業(yè)化應用。但是我們應始終明白，我們與國際先進水平的差距還很明顯，尤其是在零部件共性技術上，差距明顯。

因此，我們必須繼續(xù)加大技術研發(fā)投入力度：

①在驅動控制技術上，我們應該將功率密度倍增和效率提升作為重點技術突破，通過新材料（全Si半導體）、新工藝（采用雙面焊接技術）的應用，力爭將驅動控制器的功率提升至300kW，功率密度達到40kW/L、效率再提升0.2～0.3%。②在驅動技術上，通過磁、電、熱耦合優(yōu)化并伴隨高導低損材料和模塊級聯(lián)技術的應用，確保驅動電機在轉速上超過16000rpm，功率密度在現(xiàn)有技術指標數(shù)上再提高30%，達到4kW/kg，滿足整車高功率和高轉矩的要求。③在減速器技術上，通過NVH性能提升、系統(tǒng)效率提升和轉速提升，將減速器的轉速提升至18000rpm以上，系統(tǒng)效率大于97%，再通過多擋減速器的開發(fā)，進一步提升整車的加速性能，提高最高車速。

4? 結語

本文通過對純電動汽車驅動系統(tǒng)結構及關鍵技術特性進行了闡述，并對未來驅動系統(tǒng)的發(fā)展方向進行了展望。通過高功率密度、高效率，高轉速的永磁同步驅動電機和多擋減速器的應用，一定會進一步提升整車的動力性和經濟性，有利于純電動汽車推廣應用。

作為新興事物，純電動汽車驅動系統(tǒng)仍舊存在許多技術難點等著我們更加深入的進行研究。但是我們應相信，隨著新材料和新技術的發(fā)展應用，數(shù)字化、深度集成化和智能化的純電動汽車驅動系統(tǒng)一定會是未來的發(fā)展方向。

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