电动汽车驱动方式介绍

电动汽车驱动方式介绍 1 电动汽车结构与驱动方式 1.1 电动汽车结构及运行原理 电动汽车是机械、计算机、材料化学、电子信息技术等多种高新技术的集成，作为典型的高新技术产品，它的最终目标是要实现数字化、智能化、和轻量化。目前，研发的重点在于电池、驱动电机、控制器及能量管理技术。电动汽车主要由驱动系统、电源系统和辅助系统等三大部分组成，如图2.1所示。 1.1.1 各系统组成及作用 驱动系统是电动汽车的核心，一般由控制器、功率转换器、驱动电动机、机械传动装置和车轮组成。其功用是将蓄电池组中的化学能以电能为中间媒介高效地转化为车轮动能，进而推动汽车行驶，并能在汽车制动及下坡时，实现再生制动(即将汽车动能吸收并转化为蓄电池化学能储存起来，从而增加续航里程)。 驱动电动机的作用是将动力电池的电能转化为机械能，通过传动装置驱动车轮，或由其直接驱动车轮。 电子控制器即电动机调速控制装置，其作用是控制电动机的电压或电流，完成电机的转矩和转向的控制，从而实现电动车变速和变向。 功率转换器用做DC—DC转换(直流—直流)和DC—AC转换(直流—交流)。DC—DC转换器又称直流斩波器，其作用是将蓄电池的直流电转换为电压可变的直流电，并将再生制动能量进行反向转换，用于直流电动机驱动系统。DC—AC转换器通常称为逆变器，其作用是将蓄电池的直流电转换为频率、电压均可调节的交流电，也能进行双向能量转换，用于交流电动机驱动系统。 机械传动装置是将电动机的转矩传给汽车传动轴或直接传给车轮(轮毂电机)。相较于传动内燃机汽车，电动汽车的机械传动装置大大简化，故其机械效率得以有效提高。 电源系统包括蓄电池组、充电器和能量管理系统。电源是制约电动汽车发展的主要因素，其应具有高的比能量(即能量密度)和比功率(即功率密度)，以满足汽车的续航和动力性的要求。 1 辅助系统包括辅助动力源、动力转向系统、导航、照明、刮水器、收音机和音响等，它们是汽车操纵性和乘员舒适性的保证。 图1.1 电动汽车系统组成框图 1.1.2 电动汽车运行原理 如图2.1中所示，细线表示控制信号连接;粗线表示能量连接;双线表示机械连接。来自制动踏板或加速踏板的控制信号输入电子控制器，并通过控制功率转换器调节电动机输出扭矩和转速，电动机扭矩再通过机械传动装置驱动车轮转动。充电器通过外部充电接口向蓄电池充电，车辆行驶时，蓄电池经功率转换器向电动机供电。汽车制动时，驱动电动机运行在发电状态，将汽车部分动能吸收，并重新转化为电能給蓄电池供电，从而延长续航里程。 1.2 驱动形式与轮毂电机简介 电动汽车的结构布置比较灵活，形式多样，大体可分为两类:电动机中央驱动和电动轮驱动两种形式，其中电动轮驱动包括轮毂电机驱动。 1.2.1 驱动形式 如图2.2所示，为一种典型的电动机中央驱动形式。此种驱动形式参考了传统内燃机汽车，取消了内燃机，而以驱动电机代替，至于离合器、变速器和差速器则不变。 2 图1.2 第一种中央驱动式电动汽车结构 由于驱动电机能在较长的速度范围内提供相对恒定的功率，因此多速变速器可被一个固定速比减速器(即只有一档，传动比恒定)代替，此时离合器也可省去，如图2.3所示。此种驱动形式可以节省机械传动系统重量和体积，另外可以减少操作难度。 图1.3 第二种中央驱动式电动汽车结构 第三种驱动形式与上一种形式类似，只是电动机、固定速比减速器和差速器被整合为一体，布置在驱动轴上，如图2.4所示。此时整个传动系统被大大简化和集成化。另外从再生制动的角度出发，这种驱动形式较容易实现汽车动能的回收再利用。 图1.4 第三种中央驱动式电动汽车结构 3 前面所列三种均为电动机中央驱动式，而后三种属于电动轮驱动形式。 第四种驱动形式取消了差速器，取而代之的是两个独立的牵引电机，每个牵引电机单独完成一侧车轮的驱动任务，称为双电动机电动轮驱动形式，如图2.5所示。当车辆进行转弯时，两侧的电机就会分别工作在不同的速度下，不过这种驱动形式需要更加复杂的控制系统。 o 图1.5 双电动机电动轮驱动方式 相较于第四种驱动形式，第五种进一步简化了驱动系统:驱动电机与车轮之间取消了传统的传动轴，变成电机直接驱动车轮前进，同时一个单排的行星齿轮机构充当固定速比变速器，用来减小转速和增强转矩，以满足不同工况的功率和扭矩需求。此种驱动形式称为内转子式轮毂电机驱动形式，如图2.6所示。 图1.6 内转子式轮毂电机驱动形式 完全舍弃驱动电机和驱动轮之间的传动装置后，轮毂电机的外转子直接连接在驱动轮上，此时驱动电机转速控制与车轮转速控制融为一体，称为外转子式轮毂电机驱动形式，如图2.7所示。 4 图1.7 外转子式轮毂电机驱动形式 1.2.2 轮毂电机简介 轮毂电机技术也被称为车轮内装电机技术，它的最大特点就是将动力装置、传动装置和制动装置都整合一起到轮毂内。且分为两种，即前面所述的内转子式轮毂电机和外转子式轮毂电机，如图2.8为内外转子轮毂电机结构比较图。 图1.8 内外转子轮毂电机结构比较图 相较于其他驱动形式，轮毂电机驱动型电动车有着极其显著的优点，是电动汽车的前沿技术，潜力无穷。 (1) 极大地简化了机械传动机构，不仅去掉了发动机、冷却水系统、排气消音系统和油箱等相应的辅助装置，还省去了变速器、万向传动部件及驱动桥，降低自重并有效提高传动效率，实现节能和减噪。 (2) 腾出了许多有效空间，有利用汽车结构布局，降低地板高度。 5 (3) 由于电机直接驱动车轮，缩短了传动链，所以大大提高了对车轮控制的动态响应，可实现一些高性能控制功能，如横向移动、原地旋转等。 (4) 有利于再生制动。 (5) 可实现多种驱动方式。因为轮毂电机具有一个明显的单轮独立驱动的特性，无论是前驱、后驱、四驱或多驱，都可以比较轻松地实现。尤其是全时四驱在轮毂电机驱动的车辆上实现起来非常容易，这点难能可贵。另外，轮毂电机可以通过左右轮不同转速或转向实现差动转向，大大减少车辆转弯半径。 目前这一技术在巨大的矿山运输车上得到应用，而在较小型的乘用车领域，轮毂电机普及尚需时日。日本在此方面研发时间较长，技术处于领先地位。目前，最新米其林研发的轮毂电机能够把电机和电子主动悬架都整合到轮内，其结构如图2.9所示。 图1.9 米其林轮毂电机结构图 国内也有自主品牌汽车厂商涉足了轮毂电机技术领域，如位于安徽芜湖的奇瑞汽车公司。在2011年上海车展，该公司展出了麒麟X1增程电动车，这款车就采用了轮毂电机技术，如图2.10所示。 6 图1.10 奇瑞麒麟X1外观图 鉴于轮毂电机电动汽车巨大的优势，故把所要设计的电动汽车驱动形式定为外转子式的轮毂电机驱动，并设定为双前轮驱动。 7