淺談電動汽車驅(qū)動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及分類

劉春暉

（山東華宇工學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，山東 德州 253034）

引言

隨著國內(nèi)經(jīng)濟(jì)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(guān)統(tǒng)計(jì)資料顯示，2020年中國汽車產(chǎn)銷量將達(dá)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(jī)動車保有量達(dá)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(diǎn)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(jī)、電池和電控。這里我們重點(diǎn)討論電動汽車的電機(jī)。

1 電動汽車驅(qū)動電機(jī)的特點(diǎn)

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

2 驅(qū)動電機(jī)與工業(yè)用電機(jī)的異同

電動汽車上使用的驅(qū)動電機(jī)與工業(yè)上使用的各類電機(jī)既有聯(lián)系又有區(qū)別。在電動汽車上，要求驅(qū)動電機(jī)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(zhuǎn)矩，在高速公路高速行駛時要求有高的運(yùn)轉(zhuǎn)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(jī)其工作性能往往優(yōu)化在額定的工作點(diǎn)上，沒有電動汽車電機(jī)上各種復(fù)雜的工況。因此，鑒于電動汽車驅(qū)動電機(jī)的獨(dú)特性，一般將電動汽車的電機(jī)單獨(dú)列為一類[2]。電動汽車用驅(qū)動電機(jī)與工業(yè)用電機(jī)的區(qū)別主要有以下幾點(diǎn)。

（1）過載要求不同。電動汽車驅(qū)動電機(jī)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(jī)只需要2倍過載便能達(dá)標(biāo)。

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

（3）設(shè)計(jì)思路不同。電動汽車驅(qū)動電機(jī)需要根據(jù)車型和不同駕駛?cè)说牧?xí)慣進(jìn)行設(shè)計(jì)，對于工業(yè)電機(jī)只需根據(jù)其工作模式設(shè)計(jì)就可能。

（4）性能要求不同。電動汽車驅(qū)動電機(jī)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(jī)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(jī)安裝在車身相應(yīng)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(jī)通常固定在某一個位置工作。

3 電動汽車對驅(qū)動電機(jī)的要求

驅(qū)動電機(jī)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(biāo)，因此對于電動汽車的驅(qū)動電機(jī)要滿足一些特殊要求。

（1）響應(yīng)迅速、穩(wěn)定。驅(qū)動電機(jī)主要進(jìn)行電磁轉(zhuǎn)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(jī)電磁轉(zhuǎn)矩的目標(biāo)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(jī)具有較寬的調(diào)速范圍。

（3）驅(qū)動電機(jī)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(yùn)行范圍內(nèi)效率高。

（4）裝備高壓防護(hù)裝置。按國家標(biāo)準(zhǔn)要求，電機(jī)安全性要符合國家有關(guān)車輛電氣安全標(biāo)準(zhǔn)。

（5）電機(jī)輕量化。安裝空間有限，整車要求輕量化，要求驅(qū)動電機(jī)體積和質(zhì)量盡可能小，結(jié)構(gòu)簡單，使用維護(hù)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(jī)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?cè)丝刂萍铀偬ぐ寤蛑苿犹ぐ澹瑢㈦姵氐哪芰哭D(zhuǎn)化為車輪的動力驅(qū)動車輛前進(jìn)，或者將車輪制動產(chǎn)生的動能反饋到電池中進(jìn)行儲存，提高能量的使用效率。

4.2 驅(qū)動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

不同類型電動汽車驅(qū)動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)差別較大，一般都由電氣和機(jī)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(jié)構(gòu)包括電機(jī)、功率轉(zhuǎn)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(zhuǎn)矩以及磁通等相關(guān)的測量數(shù)據(jù)信息轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘枺偻ㄟ^相關(guān)的變換電路輸出相應(yīng)的電信號，送至處理器。處理器將信號進(jìn)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(zhuǎn)換器進(jìn)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(jī)之間，或者再生制動過程中的能量流動要通過能量轉(zhuǎn)換器進(jìn)行調(diào)節(jié)。驅(qū)動電機(jī)與車輪通過機(jī)械傳動裝置連接在一起，當(dāng)然也可以將車輪與電機(jī)裝配在一起，如輪轂電機(jī)式，通過電機(jī)直接進(jìn)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(fù)雜多樣，每種類型驅(qū)動系統(tǒng)都有各自特點(diǎn)。

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(jī)械驅(qū)動系統(tǒng)、半機(jī)械驅(qū)動系統(tǒng)和純電氣驅(qū)動系統(tǒng)等。

5.1.1 機(jī)械驅(qū)動系統(tǒng)

只用電機(jī)及控制系統(tǒng)取代內(nèi)燃機(jī)及相關(guān)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(jī)械驅(qū)動系統(tǒng)

半機(jī)械驅(qū)動系統(tǒng)利用電機(jī)調(diào)速范圍寬的特點(diǎn)，將傳動效率低、操作繁瑣的齒輪變速器進(jìn)行淘汰，部分采用機(jī)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(jī)式，多采用左右兩個雙聯(lián)式電機(jī)或輪轂式電機(jī)組成，直接驅(qū)動左右兩個驅(qū)動車輪。電機(jī)與電機(jī)之間裝有差速器，這種結(jié)構(gòu)可以控制輪轂電機(jī)或雙聯(lián)電機(jī)在電動汽車直線行駛進(jìn)同步轉(zhuǎn)動以及在電動汽車轉(zhuǎn)彎時差速轉(zhuǎn)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(jī)直接驅(qū)動車輪。這種結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)是使驅(qū)動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊、傳動效率高，擴(kuò)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(jī)采用不同數(shù)量和不同功率的輪轂電機(jī)，可以組成系列化的電動汽車。輪轂電機(jī)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(jī)

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

輪轂電機(jī)式驅(qū)動系統(tǒng)其驅(qū)動電機(jī)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(jī)類型，這種形式可以直接驅(qū)動車輪運(yùn)轉(zhuǎn)，傳動效率高，不占用底盤和車身有限的空間，可使乘員室擴(kuò)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(jī)的數(shù)量

根據(jù)電動汽車采用驅(qū)動電機(jī)的數(shù)量，目前大致分為單電機(jī)和多電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)。單電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)是只采用一個電機(jī)，可以減小相應(yīng)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(diǎn)較多。

多電機(jī)系統(tǒng)通過采用多個電機(jī)來單獨(dú)驅(qū)動每一個車輪，這種結(jié)構(gòu)能夠減少每個輪上單個電機(jī)的電流以及額定功率值的大小，傳動效率高，對于電機(jī)的尺寸以及質(zhì)量容易起到均衡的作用。這種結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)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(guān)系統(tǒng)來控制實(shí)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(hù)

電動汽車維護(hù)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(jī)的電纜線、電機(jī)堅(jiān)固件等是否堅(jiān)固，定期清除電機(jī)表面以及風(fēng)機(jī)進(jìn)、出風(fēng)口的纖維、灰塵等雜物。

6.2 軸承維護(hù)

一般來說，驅(qū)動電機(jī)的軸承每半年補(bǔ)充潤滑脂一次，根據(jù)電機(jī)的運(yùn)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(dāng)電動汽車擱置較長時，應(yīng)測量驅(qū)動電機(jī)的絕緣電阻，其絕緣電阻值應(yīng)不低于5 MΩ，否則應(yīng)對電機(jī)繞組進(jìn)行干燥絕緣處理，以去除潮氣。

6.4 驅(qū)動電機(jī)散熱風(fēng)機(jī)的檢查

使用中應(yīng)每天檢查風(fēng)機(jī)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(jié)

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(shí)提高電動汽車的安全性，一方面需要相關(guān)技術(shù)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(xué)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(shù)改進(jìn)方面，應(yīng)該通過不斷優(yōu)化電動汽車的驅(qū)動系統(tǒng)，加強(qiáng)技術(shù)研發(fā)，強(qiáng)化人員素質(zhì)，不斷加強(qiáng)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(yán)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(shè)做出重大貢獻(xiàn)，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(jì)發(fā)展，未來，電動汽車將會成為城市出行的主流。