电动汽车驱动系统的结构及分类

2022-03-21版权声明我要投稿

  摘要:电动汽车驱动系统是电动汽车三电核心部件,驱动电机的主要作用在于能产生动力,相当于传统汽车中的发动机,驱动电机与工业用电机有很大的区别,电动汽车对驱动电机有着非常苛刻的要求,驱动系统的类型有多种形式,适用不同厂家的电动汽车。

  关键词:电动汽车;驱动系统;轮毂电机;电气驱动;机械驱动;

  随着国内经济的不断发展,人们的生活水平越来越高,汽车的产销量逐年增长,据相关统计资料显示,2020年中国汽车产销量将达2 500万辆,连续12年保持世界第一。截止2020年上半年,全国机动车保有量达3.6亿辆,其中汽车2.7亿辆。随着汽车保有量的逐年增加,来自能源和环境污染方面的压力越来越大,新能源汽车特别是纯电动汽车可以有效地解决这一问题。

  作为新能源汽车发展的重点代表,纯电动汽车的发展提上了日程,电动汽车的核心部件是三电——电机、电池和电控。这里我们重点讨论电动汽车的电机。

1 电动汽车驱动电机的特点

  电机一般来说可以包括两大类型,一类是电动机,可以将电能转化为机械能,产生动力,驱动相关设备工作;另一类是发电机,可以将机械能转化为电能,产生电流,供用电设备使用。在某些情况下,这两类功能可以相互转化,电动汽车的能量再生制动就是电机能量相互转化的一个具体实例。纯电动汽车上的电机就兼具有上述两种功能[1]。

2 驱动电机与工业用电机的异同

  电动汽车上使用的驱动电机与工业上使用的各类电机既有联系又有区别。在电动汽车上,要求驱动电机要频繁起动和停车、加速和减速等来回变换,在出入地库等爬坡情况时,要求有高转矩,在高速公路高速行驶时要求有高的运转速度,并且速度的变化范围尽可能大才能满足要求。对于工业电机其工作性能往往优化在额定的工作点上,没有电动汽车电机上各种复杂的工况。因此,鉴于电动汽车驱动电机的独特性,一般将电动汽车的电机单独列为一类[2]。电动汽车用驱动电机与工业用电机的区别主要有以下几点。

  (1)过载要求不同。电动汽车驱动电机需要4~5倍的过载,用来满足电动汽车行驶过程中短时加速或爬坡的要求,工业电机只需要2倍过载便能达标。

  (2)转速不同。电动汽车驱动电机转速的最高要求是达到巡航基本速度的4~5倍,而工业电机只需要2倍即可。

  (3)设计思路不同。电动汽车驱动电机需要根据车型和不同驾驶人的习惯进行设计,对于工业电机只需根据其工作模式设计就可能。

  (4)性能要求不同。电动汽车驱动电机要求其工作可控性高、工作的稳态精度高、工作时动态性能好,对于工业电机满足某一特定性能要求即可。

  (5)安装位置不同。电动汽车驱动电机安装在车身相应位置,空间狭小,长期耐受高温、雨水、频繁振动等恶劣环境,性能要求高,工作电机通常固定在某一个位置工作。

3 电动汽车对驱动电机的要求

  驱动电机是电动汽车上的核心部件之一,其性能的好坏,将直接影响到电动汽车在起步、加速、减速、高速行驶以及爬坡等方面的性能指标,因此对于电动汽车的驱动电机要满足一些特殊要求。

  (1)响应迅速、稳定。驱动电机主要进行电磁转矩的控制,油门踏板的开度大小要通过控制器给驱动电机电磁转矩的目标值展现出来。

  (2)调速范围宽。电动汽车的各种工况包括起步、加速、巡航、减速以及制动等,要求驱动电机具有较宽的调速范围。

  (3)驱动电机能耗要低。为了尽可能提高一次充电的续航里程,在整个运行范围内效率高。

  (4)装备高压防护装置。按国家标准要求,电机安全性要符合国家有关车辆电气安全标准。

  (5)电机轻量化。安装空间有限,整车要求轻量化,要求驱动电机体积和质量尽可能小,结构简单,使用维护要方便。

  (6)尽量采用高压。在允许的电压等级范围内,尽量采用高压电,同时电机的电磁兼容性要好。

4 电动汽车驱动系统的组成

  4.1 驱动系统的作用

  电动汽车驱动系统的作用是通过驾驶人控制加速踏板或制动踏板,将电池的能量转化为车轮的动力驱动车辆前进,或者将车轮制动产生的动能反馈到电池中进行储存,提高能量的使用效率。

  4.2 驱动系统的结构

  不同类型电动汽车驱动系统的结构差别较大,一般都由电气和机械两大部分组成,电气式驱动系统组成示例如图1所示,电气部分结构包括电机、功率转速器和电子控制器。其中电子控制器由传感器、中间连接电路与处理器等组成。传感器的作用是把电流、电压、温度、速度、转矩以及磁通等相关的测量数据信息转变为电信号,再通过相关的变换电路输出相应的电信号,送至处理器。处理器将信号进行规范化处理,然后经过中间电路放大后驱动功率转换器进行工作[3]。

  在驱动和能量回收过程中,电源与电机之间,或者再生制动过程中的能量流动要通过能量转换器进行调节。驱动电机与车轮通过机械传动装置连接在一起,当然也可以将车轮与电机装配在一起,如轮毂电机式,通过电机直接进行驱动。

5 电动汽车驱动系统的类型

  电动汽车驱动系统类型复杂多样,每种类型驱动系统都有各自特点。

  5.1 根据驱动轮布置形式

  根据电动汽车驱动轮的布置方式不同,可以分为前轮驱动、后轮驱动和全轮驱动等方式。根据基本布置方式不同,可分为机械驱动系统、半机械驱动系统和纯电气驱动系统等。

  5.1.1 机械驱动系统

  只用电机及控制系统取代内燃机及相关控制系统,这种系统中保留了传统汽车的变速器、传动轴、后桥以及半轴等部件,早期较多采用这种形式。

  5.1.2 半机械驱动系统

  半机械驱动系统利用电机调速范围宽的特点,将传动效率低、操作繁琐的齿轮变速器进行淘汰,部分采用机械传动的齿轮、差速器、半轴等零部件来传递动力。

  5.1.3 纯电气驱动系统

  这种形式为轮毂电机式,多采用左右两个双联式电机或轮毂式电机组成,直接驱动左右两个驱动车轮。电机与电机之间装有差速器,这种结构可以控制轮毂电机或双联电机在电动汽车直线行驶进同步转动以及在电动汽车转弯时差速转动。电动汽车驱动系统的模式产生了根本的变化,这是由于电动汽车的纯电气驱动系统仅采用两根半轴来驱动车轮或者采用轮毂电机直接驱动车轮。这种结构优点是使驱动系统结构紧凑、传动效率高,扩大乘坐及载货空间,利于在底盘上布置电池。未来电动汽车的主流驱动形式是采用纯电气驱动[1]。电动汽车的轮毂电机采用不同数量和不同功率的轮毂电机,可以组成系列化的电动汽车。轮毂电机式驱动系统可分为带变速器的驱动系统和不带变速器的驱动系统。

  5.2 根据驱动系统是否采用轮毂电机

  电动汽车驱动系统中是否采用轮毂电机,可分为轮毂电机式驱动系统和非轮毂电机式驱动系统。

  轮毂电机式驱动系统其驱动电机安装在驱动车轮的轮毂中,类似目前电动自行车上使用的电机类型,这种形式可以直接驱动车轮运转,传动效率高,不占用底盘和车身有限的空间,可使乘员室扩大。底盘腾出的空间用来布置电池,在一定程度上减少了电动汽车的簧载质量。既可以采用两轮驱动,也可以采用四轮驱动。

  5.3 根据采用驱动电机的数量

  根据电动汽车采用驱动电机的数量,目前大致分为单电机和多电机驱动系统。单电机驱动系统是只采用一个电机,可以减小相应的体积、质量以及成本,但是驱动力较小,功能较单一,缺点较多。

  多电机系统通过采用多个电机来单独驱动每一个车轮,这种结构能够减少每个轮上单个电机的电流以及额定功率值的大小,传动效率高,对于电机的尺寸以及质量容易起到均衡的作用。这种结构的缺点是由于多车轮为驱动轮,需要安装电子差速器或者要采用电子控制系统等相关系统来控制实现差速过程,虽然成本较高,但是性能优良,这种方式将成为今后电动汽车发展的主流[3]。

6 电动汽车驱动系统的检查维护

  电动汽车维护检查与传统燃油汽车有较大的区别,主要包括以下几个方面。

  6.1 日常检查

  定期检查电机的电缆线、电机坚固件等是否坚固,定期清除电机表面以及风机进、出风口的纤维、灰尘等杂物。

  6.2 轴承维护

  一般来说,驱动电机的轴承每半年补充润滑脂一次,根据电机的运行情况和轴承的声音及发热情况,来确定是否更换新轴承。

  6.3 绝缘电阻的测量

  当电动汽车搁置较长时,应测量驱动电机的绝缘电阻,其绝缘电阻值应不低于5 MΩ,否则应对电机绕组进行干燥绝缘处理,以去除潮气。

  6.4 驱动电机散热风机的检查

  使用中应每天检查风机的工作是否正常,叶轮是否有异响,并经常检查外罩的紧固螺钉是否有松动。

7 总结

  综上,电动汽车的驱动系统是保障电动汽车正常行驶的核心部件,要想切实提高电动汽车的安全性,一方面需要相关技术人员真正掌握电动汽车各方面的知识,同时要掌握电动汽车故障诊断方法及故障排除能力,还要采用科学的处理方式,这样可以在很大程度上降低电动汽车驱动系统发生故障的频率,提高电动汽车的性能。

  在技术改进方面,应该通过不断优化电动汽车的驱动系统,加强技术研发,强化人员素质,不断加强故障排除的整改措施,电动汽车的驱动系统会越来越完善。

  随着国家对排放和环保政策的日益严格,新能源汽车特别是电动汽车一定会被广泛推广和使用,对我国的环境建设做出重大贡献,有效改善居民的生活环境。提倡绿色出行,让电动汽车取代传统燃油汽车,保持绿色低碳的环保理念,带动我国的电动汽车经济发展,未来,电动汽车将会成为城市出行的主流。

参考文献

  [1]王欢.纯电动汽车电驱动系统扭转振动特性分[J].陕西理工大学学报,2020,36(4):18-24.

  [2]刘麦.电动汽车驱动电机的应用现状与发展趋势[J].汽车与配件,2020(10):91-94.

  [3]刘春晖,陈国.手把手教您学修电动汽车[M].北京:机械工业出版社,2018.

作者:刘春晖 单位:山东华宇工学院机械工程学院

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