纯电动汽车的结构分析和驱动系统性能比较

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，所以适用于现在的纯电动汽车。绪论作为核心部件，

2、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

3、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 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

4、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。 (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，

5、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。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

6、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统。 (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

7、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

8、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f0.015整体式驱动传动效率10.92车头正面面积A（m2）1.9分布式驱动传动效率20.94主减速器

9、总传动比iR7.023整体式驱动旋转质量换算系数11.081档齿轮传动比ig19.021分布式驱动旋转质量换算系数21.052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120

10、180V。驱动转矩Tdi和每个小电机的转速ni和包含控制器d总效率之间的对应关系可以用专用测力计进行测定，结果如图3所示。 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： （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，这应该被写为： （2）其中，UOC是电池组的开路电压;UL是蓄电池的

11、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。图4 开路电压和剩余电量关系图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。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： （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/s2 。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

12、式如下： （4） （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（a） 驱动力和阻力功率（b）0100km/h加速时间图7 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

13、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： （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

14、被描述为： （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： （8）（

15、9）（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。总能耗在具体的汽车运行工况下，总的电能能耗可由如下公式得出： （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

16、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。图9 放电电容图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）81.0877.9375.2277.82放电电容（KWh）10.0410.19.839.88结论如今，单电机

17、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，汽车行驶里程增加了7.79。再加上很容易

18、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: 1431-14452. Murata S. Innovation by in-wheel

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