电动汽车驱动方式及未来发展*

孙悦超

(岭南师范学院，广东 湛江 524048)



电动汽车驱动方式及未来发展*

孙悦超

(岭南师范学院，广东 湛江 524048)

驱动电机是电动汽车的核心部件，其性能和安装位置直接决定电动汽车的综合性能。针对电动汽车不同驱动电机性能和驱动方式进行了深入分析比较。首先，对可用于驱动汽车的直流电机、交流异步电机、开关磁阻电机和永磁同步电机性能进行比较分析，发现永磁同步电机能够满足电动汽车的驱动要求，是未来电动汽车的驱动电机首选。其次，通过对电动汽车集中式驱动、分布式驱动特点做对比研究，结果表明分布式驱动中的轮毂电机直接驱动方式的电动汽车具有结构紧凑、车身内部空间利用率高、整车重心低、行驶稳定性好、便于智能控制等诸多优点，符合目前及今后电动汽车驱动性能的发展要求，将是电动汽车驱动的主流方式。

电动汽车； 驱动电机； 直接驱动； 未来发展

0 引 言

电动汽车与传统汽车相比，能量转换效率高、噪声小、经济性好、污染小，可去掉离合器、变速箱等装置，结构相对简单、维护保养方便。在当今能源、环保问题的驱使下，各汽车生产国正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究也获得了绝佳机遇。因此，电动汽车正在开创汽车产业的新格局，将成为汽车工业发展的主要方向[1-5]。

驱动电机作为电动汽车的核心部件，其性能直接关系到电动汽车的动力性和能量转化效率。但汽车驱动电机不同于其他工业电机，尤其是乘用轿车的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。因此，汽车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、成本低之外，还必须能满足汽车频繁起动、停车、爬坡、加减速等工况要求，就要乘用车驱动电机具备较宽的转速范围和较高的过载系数，以满足汽车低速或爬坡时高转矩、高速时低转矩的性能要求[6-8]。

1 汽车驱动电机及特点

可用作汽车驱动的电机主要有四种：直流电机、交流异步电机、开关磁阻电机和永磁同步电机。随着电力电子技术和计算机控制技术的发展，适合汽车驱动的电机也处于不断变化中。例如，直流电机曾是电动汽车的首选电机，但现在正逐渐退出汽车驱动，永磁同步电机则将成为电动汽车的首选驱动电机。

1.1 直流电机

直流电机起步、加速牵引力大，控制简单，在电动汽车研发早期得到了普遍采用。由于其存在电刷和换向器，限制了电机过载能力和最高转速，不适合当代汽车高速发展的要求。另外，电刷和换向器间的摩擦面随工作时间的增加极易磨损，二者间还可能产生电火花而烧蚀，需经常维修保养，从而限制了它在电动汽车上的使用[10]。目前除部分小型工程车辆和老式工程车辆外，电动汽车和工程车辆一般不使用直流电机驱动。

1.2 交流异步电机

交流异步电机与直流电机相比，效率高、功率大，适合于高速运转，可靠性高、便于维护、价格便宜。但与开关磁阻电机相比，存在驱动器控制复杂、价格较高，电机参数变化对控制性能影响较大等缺点；与永磁电机相比，存在效率和功率密度偏低等缺点[11]。现在的电动车辆虽然广泛采用交流异步电机，但随着现代控制技术的不断发展，用于电动汽车驱动的交流异步电机必将被性能更加优越的其他电机所取代。

1.3 开关磁阻电机

开关磁阻电机是一种新型电机，结构简单，电机转子无集电环、绕组和永久磁铁等。其转速范围大、起动转矩大、可靠性髙，适合于高速运行，便于维修、成本低，而且还适合于恶劣环境下工作，非常适合电传动工程车辆的轮边电机。例如，东风汽车公司生产的EQ6110HEV3型混合动力电动城市客车，用的就是开关磁阻电机。但开关磁阻电机运行噪声大，转矩脉动严重，相对于永磁同步电机来说效率和功率密度较小，限制了其在小型电动乘用车中的应用。

1.4 永磁同步电机

永磁同步电机具有体积小、无励磁损耗、功率密度高、转矩脉动较小、运行较平滑、动态响应快、噪声低、运行可靠性高、维护成本低等优点，特别适合用作电动乘用汽车驱动电机，并能满足高性能电动汽车驱动控制的要求[12-16]。但永磁同步电机受永磁材料工艺的限制和影响，功率范围较小，最大功率一般为几十千瓦。另外永磁材料在高温、振动和过流条件下，会发生磁性衰退，降低永磁电机的性能，不适合用作大功率电传动的工程车辆轮边电机。

德国奥迪Q5混合动力汽车采用永磁同步电机作为驱动电机，其最高转速为12500r/min，最大输出功率为40kW，每百公里综合油耗仅为7.1L，二氧化碳排放量为159g/km。其燃油经济性和排放性比普通的Q5提高了很多。

2 电动汽车驱动方式

根据电动汽车上驱动电机安装的位置不同，电动汽车驱动方式分为单电机集中式驱动和多电机分布式驱动两种。

2.1 集中式驱动

集中式驱动与传统汽车驱动结构接近，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。在传统汽车驱动的基础上，稍加改动即可，操作技术成熟，但存在底盘结构相对复杂、体积较大而使车内空间狭小、传动效率低、控制复杂等缺点。

集中式驱动的传动方式可分为3种，如图1所示[17]。图1(a)为带有离合器的传动方式，该方式的纯电动汽车变速器一般有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1(b)的传动方式取消了离合器，将电动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，有利于增加车内空间。图1(c)则把电动机、减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，布置结构紧凑，主要用于小型汽车。

图1 集中式驱动传动方式

2.2 分布式驱动

分布式驱动是把多个电机集成在车轮附近或轮辋内，将动力传给相应车轮，传动链大大缩短。按电机位置和传动不同可分为轮边电机驱动和轮毂电机驱动。

2.2.1 轮边电机驱动

轮边电机驱动传动方式如图2(a)所示[17]。由图2(a)可知，该方式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驱动对应侧车轮。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。图2(b)是带减速器的轮边电机驱动总成[18]，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。

图2 轮边电机驱动

2.2.2 轮毂电机驱动

轮毂电机驱动适合于纯电动汽车，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。传统汽车与轮毂电动汽车的驱动比较如图3所示。由图3可见，轮毂驱动彻底取消了离合器、变速器、差速器和半轴等，使底盘结构大大简化，传动效率提高，同时减小了整车质量且布置更合理，便于实现底盘智能化和电气化控制。

图3 传统汽车与轮毂电动汽车的驱动比较

根据有无减速机构，轮毂电机驱动分直接驱动和减速驱动(减速驱动电动轮)[19]。

直接驱动的电机外转子直接与轮毂机械连接，无减速结构，如图4(a)所示。电机转速约为1500r/min，由于无减速机构，驱动结构紧凑，传递效率更高。但在起步、爬坡等大负荷时需要大电流，易损坏电池和永磁体。因此，为了保证足够大的起步转矩和较好的动力性，其对电动机的要求较高，一般用低速外转子永磁同步电机。

减速驱动是在电动机和车轮之间安装固定速比减速器，起减速增矩作用。减速装置一般为高减速比行星齿轮机构，如图4(b)所示。所用电机工作转速约为10000r/min，通常采用高速内转子永磁同步电机，电机输出动力减速增矩后驱动轮毂推动汽车行驶。电机体积小、质量轻、高转速运转比功率高，减速增矩后汽车爬坡性好，并可保证汽车在低速运行时具有较大的平稳转矩，但结构相对复杂，非簧载质量增加，对车辆的操纵稳定性会产生影响。

3 驱动方式分析

表1为电动汽车不同驱动方式性能比较，直观反映了不同驱动方式的电动汽车传动效率、经济性、操纵稳定性等。结合表1和上述不同电机驱动方式内容可知：集中式驱动与传统内燃机汽车相似，具有传统内燃机汽车的传动系统零部件多、成本高、传动效率低、控制复杂等缺点。

图4 轮毂电机驱动布置形式

表1 电动汽车驱动方式性能比较

与集中式驱动相比，轮边驱动方式传动链短、经济性好、车身内部空间利用率高、制动能量回馈损耗小，但传动效率不如轮毂驱动高。

轮毂电机驱动则完全取消了传动系统零部件，将电机、悬架系统、制动系统同时放在轮辋里，使汽车结构紧凑、重心降低，行驶稳定性提高。轮毂电机与动力电池及控制器间采用线束连接，如图3(b)所示。这样，车内空间布置更加灵活，同时可为乘员留出更多空间，提高乘坐舒适性。同时，每个车轮运动相互独立，无硬性机械连接，可通过计算机和电机控制系统按汽车行驶状态对车轮驱动力和制动力进行快速优化、精确任意分配，便于实现线控转向、ABS、TCS及ESP等功能，使得汽车转向灵便、动力学性能可靠、操纵稳定性好。此外，轮毂驱动还可实现电气制动、机电复合制动及制动能量回馈等，能源消耗低、制动能量回收高，能量转化效率可达到90%。

虽然电动汽车采用分布式轮毂驱动的优点突出，但由于轮毂电机、制动系统甚至悬架系统同时集中在车轮上，导致汽车非簧载质量和车轮旋转部件的转动惯量显著增大，从而增加汽车垂直方向的振动幅度，甚至影响轮胎的附着性，不利于汽车的控制，还会降低汽车的平顺性和舒适性。因此，国内外学者针对这些缺点进行了大量研究并提出了相应改进措施。Nagaya等[20]利用电机质量构造吸振器对非簧载质量引发的垂向振动负效应进行控制。Johansen，Yang等[21-22]通过特殊电机设计将电机定子质量转化到簧载质量中去，使非簧载质量下降。赵艳娥等[23]通过设置与悬架系统并联的减振机构将轮毂电机定子质量由簧下质量转化为簧上质量。罗虹等[24]提出将整个电机质量作为簧载质量的方案，即在直接驱动轮毂电机的电动系统中直接将电机质量作为吸振器质量，不另外增加质量块。史天泽[25]开发了一种适用于轮毂电机电动车的专用悬架和转向系统，包括一种双节臂式前悬架系统、扭杆梁式后悬架系统和机械转向系统。

综上可见，虽然目前尚无成熟的轮毂驱动汽车产品应用，但轮毂驱动作为新的先进驱动方式，是当前国内外电动汽车研究的重点、热点技术之一。科研人员正在针对轮毂电机驱动存在的不足进行多方面的改进、研发，包括高转矩轮毂电机的开发、智能化底盘的集成与控制、非簧质量对汽车性能的影响等关键技术，会逐步解决轮毂驱动存在的各种缺陷与不足，充分发挥轮毂驱动的优点，因此轮毂驱动方式将以其他驱动方式无法比拟的优势成为电动汽车的最终驱动方式。

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Electric Vehicle Driving Mode and Future Development*

SUNYuechao

(Lingnan Normal University, Zhanjiang 524048, China)

Driving motor is the core components of the electric car, its performance and installation position directly determine the comprehensive performance of electric vehicle. Therefore, electric vehicle with different driving motor’s performance and driving mode were analyzed. First of all, Comparing and anglicizing the performance of some could be used for driving the car, such as DC motor, AC asynchronous motor, switch reluctance motor and permanent magnet synchronous motor, found that permanent magnet synchronous motor could meet the electric vehicle drive requirements, and it was the preferred motor driving electric cars in the future. Secondly, through a comparative study on the characteristics of the centralized driving and distributed driving of electric vehicles, found that the direct driving mode of the wheel hub motor in the distributed drive had the advantages of compact structure, high utilization rate of the internal space, low gravity center, good stability, ease of intelligent control, etc.It meet the current and future development requirements of the driving performance of electric vehicle, it would be the mainstream mode of electric vehicle drive in the future.

electric vehicle; drive motor; direct drive; future development

广东省自然科学基金项目(S2013010012107)；岭南师范学院人才基金项目(ZL1305)

孙悦超(1974—)，男，博士研究生，教授，研究方向为电动汽车驱动电机及控制。

TM 301.2

A

1673-6540(2016)12- 0098- 05

2016-4-30