电动汽车驱动方式优缺点技术解析
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电动汽车相对传统汽车具有能量转换效率高、噪声小、零排放等优点,同时由于电动机的带载性和宽调速特性,可去掉离合器和变速箱等机械装置,使结构简化,维护、保养方便[1-2]。在当今能源、环境双重问题的推动下,世界主要汽车生产国都以前所未有的力度发展电动汽车产业,科研人员对电动汽车的研发也获得了绝佳机遇。因此,电动汽车正在开创汽车产业的新格局,它将成为汽车工业发展的主要方向。驱动电机作为电动汽车的核心部件,其好坏对电动汽车的动力性、经济性、安全性都有重要影响。但汽车驱动电机有别于其它工业电机,电机驱动系统不仅受汽车结构尺寸的影响,同时还要满足复杂工况下的运行条件[3-5]。因此,除了要求驱动电机效率高、质量小、功率密度大、尺寸小、可靠性好及成本低的特点外,还要能够适用汽车频繁地启动、停车、爬坡、加减速等工况,这就要求其驱动电机需具备较宽的转速范围和较高的过载系数,来满足汽车低速或爬坡时高转矩、高速低转矩的性能要求[6]。1 驱动方式简介根据电动汽车上驱动电机安装位置的不同,电动汽车驱动方式可分为单电机集中式驱动和多电机分布式驱动2种。分布式驱动又可分为轮边电机驱
动与轮毂电机驱动。1.1 集中式驱动集中式驱动与传统汽车结构接近,用电动机代替内燃机,通过传动系统将电动机的转矩传递到驱动轮上使汽车行驶,在传统汽车结构的基础上,稍加改动即可,具有操作技术成熟、安全可靠的优点。但其存在底盘结构相对复杂、车内空间狭小、体积较大、传动效率低、控制复杂等缺点。集中式驱动常见传动方式有 3 种,如图 1 所 示[7]。图1a为带有离合器的传动方式,采用该方式的纯电动汽车变速器一般设有2~3个挡位,换挡中离合器起中断动力、降低换挡冲击的作用;图1b的传动方式取消了离合器,将驱动电机通过传动轴与固定速比减速器相连,使传动系统质量和传动装置体积减小,利于增加车内空间;图 1c的传动方式则把驱动电机、变速器和差速器集成一体,通过左、右半轴分别驱动对应侧车轮,结构紧凑,适宜用在小型汽车上。
1.2 分布式驱动
汽车动态分布式驱动是将多个电机集成在车轮附近或轮辋内,将动力传给相应车轮。具有驱动传动链短、传动效率高、结构紧凑等突出优点。电动机即是汽车信息单元,同样也是快速反应的控制执行单元,通过独立控制电动机驱/制动转矩容易实现多种动力学控制功能。按电动机位置和传动不同可分轮边电机驱动和轮毂电机驱动2种。 1.2.1 轮边电机驱动轮边电机驱动是将驱动电机安装在副车架上的驱动轮旁边,通过或不通过减速器直接驱动对应侧车轮,如图2所示[7-8]。带减速器的驱动方式是将电机与固定速比减速器连接,通过半轴实现对应侧车轮的驱动,它是从集中式驱动到轮毂电机驱动之间的过渡形式。
图2 中,2 个电机通过对应侧减速器分别驱动相应侧车轮,可对每个电机的转速进行独立调节控制,采用电子差速器实现左右半轴差速,对驱动轮有更加精准的掌控力。轮边电机驱动的汽车传动链和传动空间进一步减小,底盘机械结构更简单,整车质量减小且布置更合理,可使传动效率提高。在2015年日内瓦车展亮相的奥迪 R8 e-tron 采用双永磁同步电机驱动,在宽泛的转速范围内都能保持95%的效率,峰值转矩为920 N·m,0~100 km/h的加速为3.9 s,最高时速可超过250 km/h。
1.2.2 轮毂电机驱动
轮毂电机驱动作为最先进的电动汽车驱动技术,是将2个、4个或者多个电机安装在车轮内部,直接驱动车轮,俗称电动轮,特别适合于纯电动汽车。它的最大特点就是将动力、传动和制动装置都整合到轮毂内,因此将电动汽车的机械部分大大简化。 图3为传统汽车与轮毂电机驱动的电动汽车底盘比较。由图3可见,轮毂电机驱动彻底取消了离合器、变速器、差速器和半轴等传动系统部件,使底盘结构简单,传动效率提高,车内获得更多空间,同时减少了整车质量且驱动布置合理,便于实现底盘智能化和电气化控制。轮毂电机驱动根据有无减速机构,又可分为直接驱动和减速驱动(减速驱动电动轮)[9]。