电动汽车驱动系统关键技术

NO.318 电动汽车驱动系统关键技术 对新能源汽车而言，电池技术、电机技术、电机控制器技术被称为 新能源汽车关键三电技术。 当前提高电机驱动系统的效率、功率密度、安全性与可靠性成为新 能源汽车电机驱动系统的主要研究方向，也是我国政府和企业进行 政策制定和未来发展规划的重点对象。 电动汽车是集汽车技术、驱动控制技术、电机及计算机技术、电化 学技术以及能源与新材料技术于一体的高新技术、高度集成的工业 化产品，具有无污染、低噪声、效率高等特点。 1 电动汽车电驱系统 电动汽车中，“电池、电机、电控”是其三大关键技术，其中电池 技术相对独立，电机与电控结合比较紧密。 电动汽车电机及其驱动控制系统（简称电驱系统）的技术水平直接 影响着电动汽车的整车性能，是衡量电动汽车质量的重要指标之一。 就电动汽车动力总成系统而言，现有的电动汽车驱动方式主要有集 中式驱动和分布式驱动两种。 1.1 集中式驱动 电动汽车集中式驱动系统就是采用高功率密度的驱动电机取代传统 汽车的燃油发动机，同时保留大部分传统汽车原有的整套机械传动、 制动系统。 集中式电驱系统的电动汽车结构如图2所示。 该类集中式电驱系统在动力结构上继承了传统汽车的变速箱、差速 器以及传动轴等机械部件，对整车动力系统布局改动较少，控制技 术相对成熟，是现阶段电动汽车的主流驱动模式。 gUcZiYdWoYlWoZ6McM6MsQpPmOrPfQnNqPiNnNuM9PoPnOxNsPuNuOsRtQ 集中式驱动系统采用的驱动电机为传统内转子电机，比如丰田普锐 斯所采用的驱动电机转子为Ｖ型内置式永磁体结构，如图３所示。 图2 集中式电驱系统结构 图3 丰田电动汽车驱动电机 1.2 分布式驱动 电动汽车分布式电驱系统的显著结构特点是将多个驱动电机直接安 装在车轮侧，并将驱动、传动、 制动装置都整合在一起，省去了离 合器、变速器、 差速器等机械传动总成，能显著减小车辆簧载质量、 缩短机械传递链和提高传动效率，同时大大简化电动汽车底盘结构。 分布式电驱系统又分为轮毂电机驱动与轮边电机驱动两种。 轮毂电机驱动是将动力、传动和制动装置都整合到轮毂内，使电动 车辆的机械部分大大简化。而轮边电机驱动是将驱动电机装在车轮 内侧通过传动轴单独驱动该车轮，而不是集成在车轮内。 轮毂电机驱动系统一般采用外转子驱动电机（图4），轮边电机驱 动系统采用与集中式驱动相同的内转子驱动电机，但其功率要比集 中式驱动小得多。分布式驱动系统结构如图５所示。 采用分布式驱动系统的电动汽车可以根据不同的驱动要求，灵活采 用“前轮驱动”、“后轮驱动”以及 “四轮独立驱动”等多种模式， 还可以通过左右车轮的不同转速或反转实现类似履带式车辆的差动 转向， 对于特种车辆具有较高的应用价值。 图4 轮毂电机拓扑结构 微型逆变器 图5 分布式电驱系统结构 2 电动汽车驱动电机 2.1 电动汽车驱动电机分类 电机是电动汽车电驱系统的关键核心部件，其性能的优劣，是衡量 电动汽车是否具备优良动力性能的关键因素之一。 根据电动汽车驾驶性能包括加速性能、最大车速、爬坡能力等的要 求，以及车辆性能（车重、载重等）和车载能源系统的约束，电动 汽车用驱动电机与工业电动机有明显区别，通常要求电动汽车驱动 电机具有较高的过载能力以满足短时间加速和爬坡需求；高效率和 高功率密度以降低车重，延长续航里程；可控性高、稳态精度高和 动态性能好以满足汽车的协调运行。 电动汽车可以采用的驱动电有直流电动机、PM无刷直流电动机、开 关磁阻电动机、交流感应电动机、永磁同步电动机等，如图6所示。 电动汽车电机及其应用车型如表1所示。 直流电动机控制简单，通常采用他励直流电动机和串励直流电动机， 早期的电动汽车普遍采用此类电动机。 电动汽车车型 串励直流电动机 菲亚特 PanDa ElettRa 并励直流电动机 马自达 Bongo 他励直流电动机 ConcePtoR G-Van 、菲亚特 Seicento ElettRa 交流感应电机 通用 EV1、TeSla 、宝马 i3 永磁同步电机 丰田 比亚迪 开关磁阻电机 ChloRiDe LUca 表1 电动汽车用电机分类 但是直流电动机可靠性低、设备维护困难，随着交流电机的开发和 调速技术的发展，电动汽车用直流电动机逐渐被性能更加优越的开 关磁阻电动机、交流感应电动机和永磁同步电动机取代。 开关磁阻电动机定子与转子皆有普通硅钢片叠压而成的双凸极结构， 具有结构简单、成本低、可靠、起动性能好（无过大的冲击电流）、 同时具备交流感应电动机变频调速和直流电动机调速的 优点。 但是开关磁阻电机磁极端部有比较严重的磁饱和以及磁极和沟槽的 边缘效应，转矩波动大且经常引起噪声问题。