電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)概論及其組成

1、電動(dòng)汽車電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)及組成一、電動(dòng)汽車的系統(tǒng)組成一般地，如果把電動(dòng)汽車看生是一個(gè)大系統(tǒng)，則系統(tǒng)主要由電力驅(qū)動(dòng)子系統(tǒng)、 電源子系統(tǒng)和輔助子系統(tǒng)組成1。圖1表示一種典型的電動(dòng)汽車系統(tǒng)組成，圖中 雙線表示機(jī)械連接；粗線表示電氣連接；細(xì)線表示控制信號(hào)連接；線上的箭頭表 示電功率或控制信號(hào)的傳輸方向。來(lái)自加速踏板的信號(hào)輸入電子控制器并通過(guò)控 制功率變化器來(lái)調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)輸出的轉(zhuǎn)矩或轉(zhuǎn)速， 電動(dòng)機(jī)輸出的轉(zhuǎn)矩通過(guò)汽車傳動(dòng) 系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)車輪轉(zhuǎn)動(dòng)。充電器通過(guò)汽車的充電接口向蓄電池充電。在汽車行駛時(shí)， 蓄電池經(jīng)功率變換器向電動(dòng)機(jī)供電。 當(dāng)電動(dòng)汽車采用電制動(dòng)時(shí)，驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行 在發(fā)電狀態(tài)，將汽車的部分動(dòng)能回饋給蓄電池對(duì)其充電

2、， 并延長(zhǎng)電動(dòng)汽車的續(xù)駛 里程。電力驅(qū)動(dòng)子系統(tǒng)制動(dòng)；踏板；電子控制器*加速踏板功率變換器I三相感應(yīng) 電動(dòng)機(jī)固定速比變速 器和差速器能量管理系統(tǒng)*銀氫電池14輔助動(dòng)力源動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)轉(zhuǎn)向盤空調(diào)器蓄電池充電器電源子系統(tǒng)輔助子系統(tǒng)交流電源一種典型的電動(dòng)汽車系統(tǒng)組成二、電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)電力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是電動(dòng)汽車的核心，也是區(qū)別于內(nèi)燃機(jī)汽車的最大不同點(diǎn)。 電 動(dòng)汽車對(duì)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的要求很高。一般認(rèn)為，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)應(yīng)符合下列要求：1）瞬時(shí)功率大，短時(shí)過(guò)載能力強(qiáng)，以滿足爬坡及加速的需要；2）調(diào)速范圍寬廣；3）在運(yùn)行的全部速度范圍和負(fù)載范圍內(nèi)，具有較高的效率。也就是在電機(jī)所有工作范圍內(nèi)綜合效率高，以盡量提高電動(dòng)汽車一次續(xù)駛里程；

3、4）可靠性高，使用方便簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉；5）功率密度高，體積小，質(zhì)量輕。一般地，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由電氣和機(jī)械系統(tǒng)組成。 電氣系統(tǒng)由電子控制器，功率變 換器、驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)組成；機(jī)械系統(tǒng)由機(jī)械傳動(dòng)裝置和車輪組成。 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的功能 是將儲(chǔ)存在蓄電池中的電能高效地轉(zhuǎn)化為車輪的動(dòng)能進(jìn)而推進(jìn)汽車行駛， 并能夠 在汽車減速制動(dòng)或者下坡時(shí)，實(shí)現(xiàn)再生制動(dòng)。結(jié)構(gòu)如下圖 2驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的作用是將電源的電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能， 通過(guò)傳動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)或直接 驅(qū)動(dòng)車輪。早期，電動(dòng)汽車上廣泛采用直流用激電動(dòng)機(jī)，這種電動(dòng)機(jī)具有“軟” 的機(jī)械特性，與汽車的行駛特性非常適應(yīng)。但直流電動(dòng)機(jī)由于存在換向火花， 比 功率較小，效率較低，維護(hù)保養(yǎng)工作量打等缺點(diǎn)

4、，隨著電動(dòng)機(jī)技術(shù)和電動(dòng)機(jī)控制 技術(shù)的發(fā)展，正在逐漸被直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)（BCDM）、開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)（SRM） 和交流異步電動(dòng)機(jī)所取代。電子控制器即電動(dòng)機(jī)調(diào)速控制裝置是為電動(dòng)汽車的變速和方向變換等設(shè)置 的，具作用是控制電動(dòng)機(jī)的電壓或電流，完成電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩和旋轉(zhuǎn)方向的控 制。在早期的電動(dòng)汽車上，直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速采用用接電阻或改變電動(dòng)機(jī)磁場(chǎng)線 圈的匝數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。因其調(diào)速是有級(jí)的，且會(huì)產(chǎn)生附加的能量消耗或使用電動(dòng)機(jī)的 結(jié)構(gòu)復(fù)雜，現(xiàn)在已很少使用。目前，電動(dòng)汽車上應(yīng)用較廣泛的是晶閘管斬波調(diào)速， 通過(guò)均勻地改變直流電動(dòng)機(jī)的端電壓， 控制電動(dòng)機(jī)的電流，來(lái)實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的無(wú)級(jí) 調(diào)速，在電力電子技術(shù)的不斷發(fā)展中，它也逐

5、漸被其他電力晶體管（如GTO,MOSFET, BTR及IGBT等）斬波調(diào)速裝置所取代。電動(dòng)汽車用的功率變換器用做 DC-DC轉(zhuǎn)換和DC-AC轉(zhuǎn)換。DC-DC轉(zhuǎn)換器 又稱直流斬波器，用于直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。兩象限直流斬波器能把蓄電池的直 流電壓轉(zhuǎn)換為可變的直流電壓，并能將再生制動(dòng)能量進(jìn)行反向轉(zhuǎn)換。DC-AC轉(zhuǎn)換器通常稱作逆變器，用于交流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，它將蓄電池的直流電轉(zhuǎn)換為頻 率和電壓均可調(diào)的交流電。電動(dòng)汽車一般只是用電壓輸入式逆變器， 因?yàn)槠浣Y(jié)構(gòu) 簡(jiǎn)單且又能進(jìn)行雙向能量轉(zhuǎn)換。而且，通常采用的是SPWM （正弦波SPWM）脈沖序列。因?yàn)殡?并且驅(qū)動(dòng)逆變器。其原理是將正弦調(diào)制波與三角載波比較，得

6、到相應(yīng)的PWMSPWM的優(yōu)點(diǎn)在于它的算法簡(jiǎn)單，而且容易實(shí)現(xiàn)。電動(dòng)汽車傳動(dòng)裝置的作用是將電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩傳給汽車的驅(qū)動(dòng)軸。 動(dòng)機(jī)可以帶負(fù)載啟動(dòng)，所以電動(dòng)汽車上無(wú)須傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車的離合器。電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)向可以通過(guò)電路控制來(lái)實(shí)現(xiàn)變換，因此，電動(dòng)汽車無(wú)需內(nèi)燃機(jī)汽車變速器中的倒檔。當(dāng)采用電動(dòng)機(jī)無(wú)級(jí)調(diào)速控制時(shí)，電動(dòng)汽車可以省去傳統(tǒng)汽車的變 速器。在采用電動(dòng)輪驅(qū)動(dòng)時(shí)，電動(dòng)汽車也可以省去傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車傳統(tǒng)系統(tǒng)的差 速器。1、針對(duì)驅(qū)動(dòng)輪所施加驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩的來(lái)源來(lái)說(shuō)，電動(dòng)車輛所采用的驅(qū)動(dòng)方式總 體上可分為兩種： 集中驅(qū)動(dòng)和車輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)2。集中驅(qū)動(dòng)利用一個(gè)動(dòng)力源通過(guò)變速器和減速器（或只通過(guò)減速器）降速增扭, 最后經(jīng)差速器將

7、驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩大致平均地分配給左右驅(qū)動(dòng)半軸，可以采用前輪驅(qū)動(dòng)、 后輪驅(qū)動(dòng)或四輪驅(qū)動(dòng)的形式3,其結(jié)構(gòu)如圖3所示。圖4車輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)圖3集中驅(qū)動(dòng)可以分為兩輪獨(dú)立驅(qū)車輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)是只利用多個(gè)動(dòng)力源分別驅(qū)動(dòng)單個(gè)車輪, 動(dòng)和四輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)，具結(jié)構(gòu)如圖 4所示。集中驅(qū)動(dòng)和車輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)優(yōu)缺點(diǎn)的比較如下表：表1集中驅(qū)動(dòng)和車輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)優(yōu)缺點(diǎn)的比較集中驅(qū)動(dòng)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)成本較低較局體積笨重分散重量集中分散效率較低較局差素方式機(jī)械式電子式2、現(xiàn)代電動(dòng)汽車常用的電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)有四種：直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、永磁無(wú)刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和開關(guān)磁阻電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)4。A、直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)采用有刷直流電機(jī)，電機(jī)控制器一般采用

8、斬波器控制方 式。它具有成本低、易于平滑調(diào)速、控制器簡(jiǎn)單、控制相對(duì)成熟等優(yōu)點(diǎn)。但由于 需要電刷和換向器，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，運(yùn)行時(shí)有火花和機(jī)械磨損，所以電機(jī)運(yùn)行轉(zhuǎn)速不 宜太高。尤其是對(duì)無(wú)線電信號(hào)的干擾，這對(duì)高度智能化的未來(lái)電動(dòng)汽車是致命的 弱點(diǎn)。鑒于直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)控制器部分優(yōu)勢(shì)突出，使得直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在當(dāng)前燃料電池電動(dòng)汽車領(lǐng)域仍占有一席之地。B、異步電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)這種電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造容易，效率比直流電機(jī)高，與永磁無(wú)刷電機(jī)、開關(guān) 磁阻電機(jī)相比，成本最為低廉，但控制較為復(fù)雜。總的說(shuō)來(lái)，異步電機(jī)系統(tǒng)的綜 合性價(jià)比具有一定的優(yōu)勢(shì)，尤其是異步電機(jī)的高可靠性、免維護(hù)、成本低廉的優(yōu) 點(diǎn)，使其成為電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)

9、系統(tǒng)的首選方案。C、永磁無(wú)刷電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)永磁無(wú)刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)相比之下，效率高是其最大特點(diǎn)，質(zhì)量輕，體積小， 也無(wú)需維護(hù)。與異步電動(dòng)機(jī)相比，永磁無(wú)刷電機(jī)成本較高，可靠性和使用壽命也 較差，同時(shí)永磁體還存在失磁的可能。另外，制造工藝也比異步電機(jī)復(fù)雜。在控 制上，由于永磁體的存在，弱磁控制有一定的難度。因此限制了這種電機(jī)系統(tǒng)在 電動(dòng)汽車的大量使用。D、開關(guān)磁阻電機(jī)系統(tǒng)，該電機(jī)轉(zhuǎn)子沒(méi)有繞組做成凸極，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可靠性高，快速響應(yīng)好，效率與 異步電機(jī)相當(dāng)。由于轉(zhuǎn)子無(wú)繞組，該電機(jī)系統(tǒng)特別適合頻繁的正反轉(zhuǎn)及沖擊負(fù)載 等工況。開關(guān)磁阻電機(jī)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)電路采用的功率開關(guān)元件較少，電路簡(jiǎn)單，能較方便地實(shí)現(xiàn)寬調(diào)速和制動(dòng)

10、能量的反饋因。因此，這種系統(tǒng)在電動(dòng)汽車中亦有一定 的應(yīng)用。具缺點(diǎn)主要在于其結(jié)構(gòu)帶來(lái)的噪音和振動(dòng)較大。目前來(lái)說(shuō)，異步電機(jī)依然是最為適合的。隨著電力電子技術(shù)的日益成熟和控 制方法的不斷進(jìn)步，異步電機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)堅(jiān)固的優(yōu)點(diǎn)將特別突出， 而其不足將隨控制方法的不斷改進(jìn)得到彌補(bǔ)。長(zhǎng)遠(yuǎn)看， 永磁無(wú)刷電機(jī)在電動(dòng)汽車上會(huì)有較好的應(yīng)用。隨著稀土永磁材料作為一個(gè)行業(yè)不斷發(fā)展壯大，不論是成本，還是性能，永久磁鋼都有長(zhǎng)足的進(jìn)步。而多年來(lái)對(duì)永磁無(wú)刷電機(jī)的研究，也使得其制造方法和性能都得到了發(fā)展。因此， 可以預(yù)言，永磁無(wú)刷電機(jī)在電動(dòng)汽車中的應(yīng)用前景廣闊 5。參考文獻(xiàn)1 徐國(guó)凱， 趙秀春，蘇航 電動(dòng)汽車的驅(qū)動(dòng)與控制 M 北京： 電子工業(yè)出版社，2010：152 Cai Chi-lan ， Wang Xiao-gang ， Bai Yue-wei et al Motor Drive System Design for Electric VehicleR Shanghai： Shanghai Second Polytechnic University ： 20113 祁炳楠，張利鵬車輛電動(dòng)系統(tǒng)構(gòu)型特點(diǎn)與發(fā)展趨勢(shì)R 聊城：聊城大學(xué)，北京：北京理工大學(xué)，20094 尹安東， 余霞 燃料電