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1、纯电动汽车的结构分析和驱动系统性能比较 摘要 纯电动汽车驱动形式有很多种， 为了选择最合适的驱动系统， 我们对不同驱 动系统的结构特征进行了分析， 在纯电动汽车上匹配不同的驱动系统后比较其动 力性；以城市驾驶循环为例建立车辆能耗模型来比较其经济性。结果显示： 单电 机直接驱动系统虽然最简单， 但其性能最差； 装配两速变速器后， 动力性显著改 善，汽车行驶里程增加3.6，但自动变速的功能难以解决;采用轮毂电机驱动系 统可以改善汽车的动力性，但实际行驶效率不高;而双电机耦合驱动系统可以实 现高效率行驶， 其行驶里程比单电机直驱增加了7.79，并且因为其具有结构简 单，行驶效率高等特点，所以适用于现
2、在的纯电动汽车。 绪论 作为核心部件，电力驱动系统的技术水平直接制约纯电动汽车的整体性能。 如今，有多种驱动系统可以使用。 根据车轮驱动扭矩的动力源，驱动系统的模式 可分为整体式驱动和分布式驱动。 整体式驱动系统的驱动扭矩由主减速器或次级 减速器或差速器来调节， 主要包括单电机直驱和主副电机耦合系统。在分布式驱 动中，每个驱动轮都有一个单独的驱动系统，轮毂电机驱动系统是分布式驱动的 主要形式。 整体式驱动的技术相对比较成熟，但驱动力通过差速器被大致平均分配到 左、右半轴，单个驱动轮的转矩在大多数车辆中不能独立地调节。因此不安装其 他的传感器和控制器，我们很难对汽车的运动和动力进行控制 1 。分
3、布式驱动近 几年飞速发展， 由于大多数车轮和电动机之间的机械部件被替换，因此分布式驱 动系统具有结构紧凑和传动效率高的优点 2 。 为了选取最适合纯电动汽车的驱动方式，本文对不同驱动系统的结构特征和 动力性经济性比较进行了比较说明。本文结构如下： 第二部分为驱动系统的结构 特征分析，第三部分介绍驱动系统的参数和部件性能，第四部分比较不同驱动系 统的动力性，第五部分比较不同驱动系统的经济性，第六部分得出结论。 结构分析 整体式驱动 整体式驱动系统被广泛应用于各类电动车辆，其主要结构如图 1 所示。其中 M 是电动机， R 是固定速比减速器， T 是变速器， D 是主减速器， W 是车轮。图 1
4、a是单电机直驱系统，其扭矩由主减速器调节，通常称为直驱系统。图1 b 和 直驱系统十分相似， 除了扭矩由变速器调节。 因为驱动电机的速比调节范围比内 燃机的更大，所以能以较少的齿轮数目的传动来满足在任何工况下的电动汽车需 求。图 1 c 是另外一种整体式驱动形式，其采用两个驱动电机和主减速器，其中 一个电机在大多数工况下作为汽车的动力来源，另外一个电机只有在需要附加功 率时才会工作。 DR M DT M DR M M (a) (b) (c) 图 1 整体式驱动系统结构 直驱系统因为有最简单的机械结构和控制方法，所以成本最低， 并且可能是 使用最广泛的纯电动汽车驱动系统。 由于车辆的动力性和经济
5、性完全由驱动电机 来确定，因此驱动电机的特性要求较高。因为装配了多档齿轮传动，图1 b 的驱 动形式能得到更好的动力性， 同时对电动机的性能要求也会降低。但是，自动变 速的问题必须解决 ;否则，电动车辆容易控制的优点将由操纵不方便而丢失。由 于动力补偿被及时发现， 双驱电动机耦合纯电动汽车的经济性显著增加，而动力 性仍受到驱动电机限制。 因为大多数的内燃机驱动的车辆用传动的部件还可以继续使用，整体式驱动 系统的继承性是很好的。 驱动系统被布置在发动机舱， 因此冷却， 隔离和电磁干 扰等问题容易处理。 但驱动力通过差速器被大致平均分配到左、右半轴，单个驱 动轮的转矩在大多数车辆中不能独立地调节。
6、因此不安装其他的传感器和控制 器，我们很难对汽车的运动和动力进行控制。 分布式驱动 分布式驱动系统的几种主要结构在图2 中示出，在图 2 a中，车辆通过与直 接安装在轮毂的外边缘的外转子的多个低速轮毂电机驱动。由于所有的传动被取 消，所述驱动系统具有最高的传动效率，但是驱动电机的性能较差； 在图 2 b 中， 该形式是由多个高速内转子轮毂电机通过一些行星齿轮减速器驱动的，其驱动系 统的体积小于外转子电动机驱动系统的体积；在图2 c 中，驱动系统被安装在车 架上，驱动轮与短半轴相连， 车辆的行驶平顺性得到提高。因为电动机安装在车 轮的内部，如图 2 中所示的驱动系统a和 b 被称为轮毂电机驱动系
7、统。 MM MM RR RR MM MM R M R M M R M R (a) (b) (c) 图 2 分布式驱动系统结构 因为大部分车轮之间的机械传动部件由控制信号所取代，分布式驱动系统具 有结构紧凑和传动效率高的优点。 电机精确的扭矩响应可以增强现有车辆控制系 统，例如防抱死制动系统（ ABS） ，牵引力控制系统（ TCS） ，直接横摆力矩控制 系统（ DYC） ，和其他先进的汽车运动/稳定性控制系统 3,4,5,6。基于上述优势， 分布式驱动形式成为电驱技术的一个重要发展方向。 因为多档变速器很难在现有的分布式驱动系统中匹配，所以车辆动力性完全 由驱动电机来确定。一方面，它很难平衡多种
8、工况的需求，如上坡，加速和高速 等;另一方面，在陡峭的斜坡车辆急加速或爬坡时，将有可能发生电机过热和自 我保护现象，这将威胁交通安全。此外，由于在分布式驱动系统电动汽车中，同 轴驱动轮之间省去扭矩自动平衡分配机构例如差速器外，每个车轮的所获得的驱 动扭矩完全由相应的驱动器系统确定。为了确保汽车按照预计的轨迹运行的，每 个驱动系统的输出转矩必须是根据一个复杂的控制策略控制的动态响应 7 。为保 证车辆直线行进， 转速和各驱动电机的驱动扭矩必须大致相等。所以，在大部分 车辆的行驶工况下， 电机在相同的低效率区域工作， 这将影响到分布式驱动电动 汽车的实际驱动效率。 车辆参数及零件性能 我们以前驱小
9、型电动汽车搭载不同的驱动系统为例进行了研究，其主要参数 见表 1。 表 1 汽车参数 名称数值名称数值 整备质量 me（kg）900 满载质量 ml（kg）1250 半载质量 mj（kg）1080 轴距 L（m）2.34 空气阻力系数 CD0.32 轮辐半径 r（m）0.27 爬坡速度 uaI （km/h） 20 滚动阻力系数 f 0.015 整体式驱动传动 效率 1 0.92 车头正面面积 A （m 2） 1.9 分布式驱动传动 效率 2 0.94 主减速器总传动 比 iR 7.023 整体式驱动旋转 质量换算系数 1 1.08 1 档齿轮传动比 ig19.021 分布式驱动旋转 质量换算系
10、数 2 1.05 2 档齿轮传动比 ig25.269 单电机整体式驱动系统的驱动电机选用一个大的永磁同步电动机，分布式驱 动系统的驱动电机或双电机耦合驱动系统的驱动电机是两个有着相同的功率和 性能的永磁同步电动机。在图2 c中该结构被选为分布式驱动模式。其中驱动电 机的技术参数如下：总的额定功率Pme为 16KW，总的峰值功率为Pmmax32KW, 额定转速为 nme为 2940r/min，最大转速 nmax为 7500r/min，总的峰值转矩为Tdmax 为 78Nm，额定电压 Ue为 144V，工作电压的范围在120180V。驱动转矩 Tdi和 每个小电机的转速ni和包含控制器d总效率之间
11、的对应关系可以用专用测力计 进行测定，结果如图3 所示。 转速 驱动 力矩 (Nm) 峰值扭矩 额定扭矩 图 3 电动机特性曲线 动力源是 LiFePO4 动态电池组。它是由45 个 100Ah 的 LiFePO4 电池单元 组成的。它们被串联一起使用，总的电量是14.4Kwh，电池 SOC 可基于电流积 分法来计算 8，公式如下： CdtISOCSOC t L / 0 0 （1） 其中， SOC0是 SOC 的初始值； IL是瞬时电流，它是在充电过程中是负值， 放电过程中是正值； C 是电容；dt 是时间变量，即采样频率的倒数。根据基尔霍 夫电压定律，在任何时间放电电流IL是电池的内部电流，
12、这应该被写为： R RPUU U P R UU I OC OC L dsgLOC L 2 4 - dsg 2 （2） 其中，UOC是电池组的开路电压 ;UL是蓄电池的端电压； R 是电池内部电阻， 其和剩余电量（SOC） 有一定的关系，还和电池充电和放电功率和电池温度有关； Pdsg是电池放电功率。开路电压和剩余电量的关系如图4 所示，内部电阻和剩余 电量的关系如图 5 所示。 开路 电压 (V) 图 4 开路电压和剩余电量关系 内部 电阻 (m) 放电装置 放电数据 充电装置 充电数据 图 5 内部电阻和剩余电量关系 由功率计和一个充电- 放电测试仪测得的电池组放电效率如图6 所示。 充电和
13、放电功率 (kw) 效率 (%) 图 6 电池充电和放电效率 动力性比较 计算方法 汽车的最大速度 uamax由驱动电机额定功率决定，也就是： ua Dj i a me ACgfmu P 2 max max 7614036002（3） 其中，i是驱动系统的传动效率， i=1 或 2; g 是重力加速度， 取 g=9.81m/s 2 。 车辆 0-100km/h 加速时间 t 和最大爬坡度 max 可以根据驱动电机提供的峰 值功率来计算。公式如下： du u AC gfm u P m t D j im ij 6 . 3/100 0 2 max )6.3( 15.216.3 7200 （4） )
14、761403600 cos 3600 sin ( 2 2 max1max1 max aI D i aI m u ACgfmgmu P （5） 其中， i 是驱动系统的旋转质量换算系数，u是汽车的瞬时速度。 计算结果 结果所获得的汽车动力性曲线如图7 所示。为清楚得表示模拟结果， 不同驱 动模式用不同颜色和类型的曲线来表示，如表2 中所示： 表 2 代表不同驱动方式的曲线 整体式单电机直 驱 整体式主、副电机 耦合驱动 整体式变速驱动分布式驱动 车速 (km/h) 驱动 力和 阻力 功率 (kw) （a）驱动力和阻力功率 车速 (km/h) 时间（ s） （b）0100km/h加速时间 图 7
15、汽车动力性比较 因为电动机的总功率和整体式直驱系统的减速比和分布式驱动系统是相同 的，所以二者的汽车动力性指标非常接近。最大爬坡能力为30，最高车速为 108km/h。如果只是因为传动效率之间的差异，分布式驱动系统的加速能力和爬 坡能力比整体式直驱系统的略强。 两速变速器可显著增加爬坡能力和车辆的最大 瞬时速度。最大爬坡能力增大40，最大瞬时速度增为140km/h。此外，在不考 虑换挡延迟，从 0km/h 加速时间到 50km/ h 只有 4.7 秒。这证明引入变速器可大 大提高车辆的动力性。 经济性比较 汽车能耗分析 汽车总是在一定的工况下运行。因此，能耗分析不仅在驾驶状况， 而且在电 动机
16、制动情况下能量消耗的再生制动也应该被考虑。在一个采样点中， 汽车瞬时 能耗 E 是： t uF u ab 36003600 mu t) 76140 AuC 3600 umgfcos 3600 umgsin (E a 3 a Daa （6） 其中， Fb是刹车系统所产生的路面制动力; ua是在一个采样点处的实际车 速， u 是一个速度变量， t 为时间单位。 汽车行驶中的能耗情况 根据在行驶过程中驱动系统的功率变化，电量消耗Edsg可以被描述为： 1 2 )1( 2 3 11 3600 ) 2 1 2 1 ( 6.3 ) 15.21 cossin( 9550 dsgdT dd j d D djd
17、j dsgd d dsg dsg dsg uu m t AuC ugfmugm t nT t P E （7） 其中， Edsg是电池能量消耗 ; 是在汽车行驶过程中的样本点总数; ud是汽车 在行驶过程中通过采样点的相应速度; 是汽车在行驶过程中的抽样序号。 汽车制动时的能耗情况 制动能量回收再利用是高性能电动汽车的基本功能。由于在短时间内 LiFePO4 动态电池允许充电电流大于2C，所以电动机能够回收最大的制动能量。 当电动机可以提供所有的制动转矩，那只需进行电动机制动。 制动能量回收 再利用在一个单位时间的能量回收是 Echg1。如果有一部分不能由电动机提供所 需的制动扭矩， 那么就使用
18、电气和机械耦合制动。这部分回收能量在单位时间的 能量回收是 Echg2。所以，电动机能在特定制动情况回收电能是： 3600 15.21 cossin 9550 3600 15.21 cossin 9550 9550 n 3 max 2 3 max 1 11 dt du um AuC umgfumg nT ifE dt du um AuC umgfumg nT ifE t T tPE bj b D bb T b chg bj b D bb T b chg chgbb chgbsgchg （8） 1 2 )1( 2 3 1 3600 ) 2 1 2 1 ( 6.3 ) 15.21 cossin(
19、dd j b D bjbjchgbT chg uu m t AuC ugfmugm E （9） 1 2 )1( 2 3 1 max 2ch 3600 ) 2 1 2 1 ( 6.3 ) 15.21 cossin( 9550 dd j bb b D bjbjchgbT chgbb g uu m tuF AuC ugfmugm dt nT E （10） 其中， Echg是汽车在制动情况下回收再利用的电能; Pbsg是电机回收制动能 量的功率 ; b是电机回收制动能量的效率; chg是电池充电效率 ; 是汽车在制 动情况下的样本点的总数; ub是汽车在制动情况下通过采样点的相应速度。 总能耗 在具体
20、的汽车运行工况下，总的电能能耗可由如下公式得出： )( lhocchgdsg SOCSOCCUEEE （11） 其中， SOCh是 SOC 的初始值 ; SOCl是 SOC的终止值。 行驶循环 在城市行驶循环中，城市功率行驶表（UDDS）成为比较驱动系统的经济性 好坏的参考标准。其曲线图如图8 所示 时间 (s) 速度 (km/h) 图 8 城市功率行驶表 计算结果 汽车放电容量和 SOC 的变化过程如图 9 和 10 所示，模拟结果的比较如表3 所示。由于总传动效率较低， 即使是匹配上两速变速器， 整体式驱动电动汽车的 经济性也只是接近分布式驱动电动汽车。因为主，副电机耦合驱动的电动汽车从
21、电动机输出的转矩可自动协调， 因此主，副马达耦合驱动的电动汽车可以大幅提 高降低功耗情况下的驱动范围。 与由单个电机整体式直驱系统的车辆相比较，装 配两速变速器的汽车的行驶里程增加3.6;然而，由主，副电机耦合驱动系统驱 动的汽车行驶里程增加7.79。 时间 (s) 放电 电容 (kw/h) 图 9 放电电容 行驶里程 (km) 图 10 SOC变化情况 表 3 模拟结果比较 参数主、副电机耦 合驱动 匹配变速器的 整体式驱动 单电机整体式 直驱 分布式驱动 行驶里程 （km） 81.08 77.93 75.22 77.82 放电电容 （KWh） 10.04 10.1 9.83 9.88 结论
22、 如今，单电机直接驱动系统是纯电动汽车运用最广泛的驱动系统。但由于车 辆性能完全是由驱动电机所约束，驱动效率和动力性并不理想。 在匹配两速变速 器后，驱动系统的动力性显著改进，车辆行驶范围也增加了。在本文中，相比单 电机整体式直驱系统，匹配两速变速器后汽车爬坡能力提高了30，行驶里程 增加 3.6。但是自动变速的功能难以实现。由于有着动态控制的优势，轮毂电 机驱动系统在将来会成为主要的驱动系统，但该系统的驱动效率和匹配了两速变 速器的单电机整体式直驱系统的一样。主，副电机耦合驱动系统也是一种选择， 其相比大多数其他驱动系统具有相对简单的结构和更高的驱动效率。与单电机整 体式直驱系统相比，汽车行
23、驶里程增加了7.79。再加上很容易实现控制策略， 主，副电机耦合驱动系统具有广泛的应用前景，但应用程序对象和开发成本是制 约他们推广的关键因素，并被认为是应该重点解决的问题。 参考文献 1. Zhu H, Li L, Jin M, et al. Real-time yaw rate prediction based on a non-linear model and feedback compensation for vehicle dynamics control. Proc I Mech E Part D: J Aut, 2013, 227: 1431-1445 2. Murata S.
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