【《电动汽车传动系统布置分析》7000字（论文）】

PAGE5电动汽车传动系统布置分析摘要随着石油资源的日益减少，和环保要求的提高，电动汽车的发展逐渐的受到人们的重视，以往对电动汽车的研究集中在电驱系统、能量储存系统和控制策略的研究开发方面，然而在动力电池技术和其他技术未突破之前，对动力传动系统的选择则显得尤为重要。基于此，本文先简介了新能源汽车的发展历史，将整体式驱动和分布式驱动系统进行对比，通过对比发现采用轮毂电机驱动的分布式驱动系统更适合未来的新能源汽车。关键词：电动汽车，驱动形式，混合传动，动力系统，轮毂电机目录TOC\o"1-4"\h\u3730一、新能源汽车 128135（一）国外电动汽车发展状况 225434（二）国内电动汽车发展状况 218273二、电动汽车驱动系统 24633（一）分散驱动式 3168211.轮毂电机驱动 3263792.轮边电机驱动 428731（二）集中驱动式 426626三、串联式混合动力系统 52519四、并联式混合动力系统 532583五、混联式混合动力系统 627354六、轮毂电机 628269一、轮毂电机分类 6212511.内转子型 6206722.外转子型 610422二、轮毂电机到应用存在的问题 6292481.驱动电机温度过高 647532.其他问题 710045七、未来传动系统的发展趋势 7782（一）集成化 729202（二）电机高速化 828114（三）大减速比 828570八、总结与展望 823770参考文献 9电动汽车传动系统布置分析引言经济在持续发展，我国对能源的需求急剧增长。石油消耗量的增加使得环境污染问题渐渐加重。其中交通所造成的环境污染已经严重影响到了人们的生活质量，因此减少噪音污染，降低能源损耗，是现在汽车急需解决的问题。对于采用电动机驱动或混合驱动的新能源汽车来说又该如何将噪音降到最低，能源利用率最大化呢？一、新能源汽车新能源汽车是指采用了非常规车用燃料作为动力来驱动的车辆。（或采用常规汽车燃料、采用新型的车载驱动装置的汽车），结合汽车的动力控制系统和驱动系统两方面的先进技术，形成的具有新结构、新技术、技术原理先进的汽车。新能源汽车大致可以分为三类，一、燃料电池汽车，主要动力来源通过氢气氧气点燃进行化学反应产生的电能作为主要动力来源驱动的汽车。电动汽车，能量储存装置只有蓄电池一种，采用电驱动的汽车；三、混合动力汽车采用两种或者两种以上能量来源驱动的车辆，而驱动系统可以是一套或者多套。（一）国外电动汽车发展状况英国人罗伯特•戴维森（RobertDavidsson）在1873年的时候，就制造了世界上最初的可以实用的电动汽车。当时的技术有限，实用性太差。没有得到有效的推广。到了1966年时，油电混合汽车及纯电动汽车得到美国国会的大力推广，随后美国的通用公司（简称“GM”）响应政府号召，开始逐步研发混合动力汽车以及纯电动车型，EV1纯电动车型就是当时通用公司的得意车型。1997年，丰田汽车公司在日本推出第一代的“普锐斯”混合动力车。德国政府于2009年颁布的《国家电动汽车发展计划》，将德国的纯电动汽车的制造推行起来，这个计划的目的是让德国到2020年时候能够拥有100万辆纯电驱动或者混合动力的汽车。德国政府寄希望于此计划，希望通过这个计划让德国成为电动汽车的领头羊。日本建立了最大的新能源汽车产业联盟，用来开发高性能电动汽车动力蓄电池，攻克电池技术的难关。并在2009年4月就实行了“绿色税制”。纯电动汽车、清洁柴油车、混合动力车、天然气车均可参加低排量认定，通过认定后，可以减免一定的费用。此外韩国、英国、法国也都在积极的开展电动汽车的研发。近年来混动技术，和纯电动汽车在超级跑车使用越发频繁。（二）国内电动汽车发展状况纯电动汽车我国在一九八五年，就提出研究新能源汽车技术，到了“十五”，和“十一五”的时候又被列入863计划，主要应用在纯电动公交客车，对环保有特殊要求的场合。2017起国家对新能源汽车的大力扶持，各个汽车厂商响应号召，纷纷推出不同型号的纯电动汽车。在国务院办公厅印发的新能源汽车产业发展规划(2021—2035年)明确指出，目前，全球正在新一轮的科技革命，产业变革蓬勃发展。能源、交通、网络、信息等相关领域在和汽车加速融合，汽车向着电气化、网联化、智能化的趋势发展。新能源汽车融合了多种技术的变革，如新能源材料、人工智能、互联网、大数据等。推动着汽车由单纯的交通工具变为智能的移动终端、数字空间、储能单元。2018年12月，国家发展改革委的发布《汽车产业投资管理规定》中，第五条汽车投资项目中明确了：纯电动汽车投资项目是指以电动机提供驱动动力的汽车投资项目，包括纯电动汽车(含增程式电动汽车)、燃料电池汽车等投资项目。早在2008年北京奥运会时我国就应该将新能源汽车应用到实际交通中，虽然那595辆节能与新能源车，50辆锂子电池的大巴的研发、生产、制造成本较高，但是为我国新能源汽车的发展做出很大的贡献，积累了很多宝贵的经验。到现在的大客车，小汽车、混动动力汽车、及不同的工程车，均有新能源的。二、电动汽车驱动系统汽车传动系统的功用是，让汽车发动机和各个传动部件之间进行最好的匹配，行驶中需要的牵引力和车速相互协调匹配。在不同路况下汽车都可以正常的行驶。车俩在路上跑最直接与地面接触的是轮胎，轮胎转起来汽车就可以运动。将汽车发动机的动力传递到轮胎，负责让汽车动起来的的装置就是传动系统。对于传动系统的要求有下列几个：（1）保证汽车具有良好的动力性和燃油经济性。（2）各种行驶工况下都具有足够的牵引力让汽车正常行驶。（3）能够及时切断动力，实现反向行驶。两侧驱动轮可以实现差速行驶（4）传递运动准确，传递动作平稳无冲击，接合柔和，分离迅速彻底。对于传动系统设计时应遵循这个原则，在保证性能和质量的情况下，尽可能降低加工制造的难度。并考虑到后期维修的方便，尽量降低制造成本。根据驱动形式的不同可分成减速驱动和直接驱动，按照驱动方式不同又可以分为分散式驱动和集中式驱动。（一）分散驱动式1.轮毂电机驱动轮毂电机驱动属于分布式驱动形式，轮毂电机的结构通常是将小型电动机和减速器集中在车轮里。通常安装在车轮内的减速器为固定传动比的行星齿轮机构。这种组合布置省去传动轴和差速器，简化了传动机构。但是该驱动方式要求电机在低速时能提供大的转矩，电控部分的同时控制算法也将更加复杂。从整车的角度而言轮毂电机驱动省去离合器、变速器、传动轴、差速器等机械零部件，使得整个驱动结构更加简单、紧凑，轴向尺寸也相应减小，而且效率也进一步提高，加快了响应速度。轮毂驱动布置结构如图1-1所示图1-1因为车轮之间的机械传动部件被控制信号取代，控制系统对单个驱动车轮的扭矩独立调节，更好的对汽车的动力和运动进行精确控制。对现有的车辆控制系统实现不同程度的增强，如制动防抱死系统（ABS），牵引力控制系统（TCS）。每个轮子可完全独立控制，可以实现更多复杂的运动，如四轮转向，横向平移，原地掉头。缺点多挡位变速器与分布式驱动系统匹配困难，汽车的动力性完全由驱动电机来确定。对驱动电机和控制系统的要求较高，需要满足不同工况下的使用要求，如上坡，加速和高速情况，有可能发生电机过热，和电机的自我保护现象，这将威胁交通安全。2.轮边电机驱动双电机分布驱动型式，两个驱动电机分别通过减速器与车轮相连接，转向动作时控制两侧电机不同的转速，即可实现两侧车轮的差速行驶，实现转向动作。轮边驱动的电机布置在车桥两侧，驱动电机与车轮之间的的轮边减速器和侧减速器将驱动电机输出的转速降低，扭矩增大后，输送到驱动车轮。电动汽车多采用高速内转子电机，适应电动汽车在高速下的运行。采用减速机构具以下优点：转矩大，功率较高，汽车起步快，爬坡性能好。在低速运行过程中平稳。不足之处是：减速机构润滑困难，散热不好，高温，高速的工作环境容易让齿轮磨损加剧，噪音大，使用寿命短。轮边电机减速驱动目前应用在公交车上较多。如图1-2所示图1-2（二）集中驱动式集中驱动式只有单一的动力来源，如图1-3所示由电动机、减速器和差速器等组成，在该驱动形式中，与驱动电机相连接的减速器，为固定速比减速器。电机与减速器都集中在车架上，因为省去了变速器和减速器，传动装置的体积和质量也得到一定程度的减少，采用这种驱动形式的系统对整车的动力系统布局改动较少，对于车企而言控制技术相对成熟，结构相对比较稳定，在原有的车身结构上稍加改动，该驱动形式即可使用。图1-3集中驱动式系统，多采用单电机传动，采用单个电动机，对电动机的功率要求会有所增加。设计时相应的增加电动机的尺寸设计，但从发展角度而言，增大的电机尺寸会一定程度的限制纯电动汽车的发展。三、串联式混合动力系统串联式混合动力系统的特点是，发动机的动力主要用于驱动发电机发电，发电机输出的电能由电机控制器进行分配，可直接用于电动机也可以输送到蓄电池储存起来。驱动汽车前行的驱动力则全部来自电动机，发动机和传动系之间的动力传递也来自电动机。蓄电池在发动机与电动机之间储存能量。确保不同的行驶工况下都可以为电动机提供电能。，串联式混合驱动系统最大的特点就是任何情况下驱动汽车前进的驱动力全是电动机提供的，发动机只为电动机提供电能，不参加驱动工作。因此，串联式系统中的电动机功率一般要大于发动机功率。适用于频繁起步和运行速度要求不高的场合。这种系统在城市中的电动公交车中应用最多。四、并联式混合动力系统并联式混合动力系统，发动机和电动机是两套独立的系统，其中的任意一个都可以驱动汽车行驶。结构相对简单，这种技术通常用于对现有车辆进行“混合动力化”，在原有的燃油驱动系统上并联一台电动机。发动机或电动机的驱动力均可直接驱动汽车。但电动机或者发动机故障时，汽车仍然可以行驶。汽车的总功率等于发动机和电动机的功率之和，汽车低速行驶时驱动力通常由电动机提供，在上坡和加速工况时，电动机和电动机同时提供动力。当速度达到一定时，仅发动机驱动，维持高速行驶，。在高速行驶，或路况较好时，充分体现了内燃机的高效率和低质量带来的燃油经济性。五、混联式混合动力系统混联式混合动力系统就是混联和串联式相结合，这种驱动系统相比单一的串联式、并联式更加复杂，将两种动力系统的优势结合在一起。有内燃机系统和电动驱动系统，有两套机械变速机构。混联式动力系统相对于其他两种驱动方式对于内燃机的输出功率调节更加灵活。目前市面上使用最多的就是这种动力系统。在拥挤的城市道路低速行驶时，动力系统的效率和普通动力汽车没什么区别，低速以电动机驱动为主，在加速，上坡，或超车工况时电脑可以根据工况实时调节发动机的输出功率。保证汽车驱动功率的同时保持最小的燃油消化率。轮毂电机轮毂电机分类轮毂电机根据电机的转子型式不同，可以分为内转子型和外转子型。1.内转子型内转子型轮毂电机由定子托架、轮毂电机转子、轮毂电机定子、刹车盘、刹车卡钳和转子托架组成。通常内转子采用高速内转子电机，装备固定传动比的行星齿轮减速装置，一般电机的转速为1000r/min，与其匹配的减速装置传动比为10:1.车轮的转速在100r/min。2.外转子型外转子型轮毂电机由制动盘、制动钳、屏蔽密封壳、电容环、集成电源控制单元、轮轴轴承、外转子、单齿定子、车轮组成。外转子型则采用低速外转子电机，不带有任何减速装置，最高转速在1000r/min-1500r/min，电机的外转子与车轮的轮毂刚性连接或集成在一起，车轮的转速与电机的转速相同。二、轮毂电机到应用存在的问题1.驱动电机温度过高轮毂电机直接暴露在汽车底盘当中，运行工况复杂多变，工作环境及其恶劣，在狭小的空间内电机又必须做到密封防、抗腐蚀，驱动电机极易出现冷却不足导致电机温度升高，当电动机温度过高会影响影响车辆的加速性能。应对驱动电机升温的解决方案主要有三种方法，（1）优化电机结构，从而减速电机发热（2）设计更合理的水道结构，如采用“Z”字形水路，或者采用周向螺旋形水路。（3）采用更加合理的冷却结构，如风冷和水冷想结合，开设冷却槽增强冷却空气流通强度，降低驱动电机温度。操纵稳定性四个电机同时控制四个轮子，需要精准控制不同工况下每个车轮的转矩。四个轮子装四个电机那四个轮子的转速差怎么控制？转弯四个轮子的差度控制有如下三种情况；如果四个轮子转速不一样，会产生一个附加的力矩，这个力矩会影响转向过程中的稳定性，如果转向过度，控制系统会加入一个反方向的附加转矩从而修正汽车的转向路径，提高车辆的稳定性。在直线行驶时，电控系统可以保证四个轮子的转动速度一致。四个电机如果有一个发生故障，整车的安全性将会失去保障。过重的簧下质量不利于行车安全。簧下质量优化和底盘稳定性控制至关重要。2.其他问题永磁体退磁电机最大的热量来源于汽车制动时，制动器会产生大热量，热量直接传到电机上，车辆在大负荷或者爬坡工况长时间行驶时，电动汽车因为冷却不足，引起的电机过热。正常情况下电机内的永磁体材料温度高于200℃时，就会出现永磁体退磁现象。电机内的材料退磁，车辆性能将直线下降。若采用轮毂电机驱动，需要对车辆整体进行重新设计，改变原有的车辆结构，减震器，悬挂，等部件的位置需要重新调整，悬架参数重新匹配，以适应轮毂电机的需要。轮毂电机目前只在特种车辆上应用，在乘用车上的使用还处于测试阶段，没有大规模应用。七、未来传动系统的发展趋势电动汽车与传统的燃油车相比具有以下这些优势。电动机的有效功率范围比汽车发动机的有效功率范围大很多，因此可以省去传动汽车上的变速器，用电流控制电机的转速即可满足汽车行驶速度不同的需求。控制电流的正负极流向即可控制电动机的正反转，从而实现汽车的前进和倒退不同方向的行驶。电动汽车与燃油车结构上最大的差别是动力系统和能源供应系统。电动机与发动机相比所需的辅助部件较少，且多使用软链接，即电动汽车在整车的设计布置上比燃油车灵活。传统的燃油车，传动系统的布置通常由驱动轮的安排和发动机在汽车整体结构内的位置决定的。电动汽车的传动系统布置不受发动机的位置的限制。电动汽车传动系统的发展主要有以下三个趋势：（一）集成化集成化。电驱系统包括电动机、减速器和电机控制器。以往分体式的电驱动系统存在体积大、效率低、成本高的不足。未来的汽车底盘将会是一体集成化，电驱系统、电动机、减速器、和电机控制器集成到一起，传动底盘构成为一体的新型底盘，底盘生产方式将会简化。电机与轮毂、驱动桥进行高度集成，最终将会是电动机直接驱动车轮进行动力传输。（二）电机高速化目前，市场上电驱产品的最高转速在12000rpm左右，随着技术发展，电机的转速会继续增加高，因为转速增加，电机的密度也会相应增加，电机的体积会比现有的电机体积小很多。对车辆直接的影响体现在驱动效率、和驾驶体验上。更高速的电动机必定将会是未来的发展趋势。目前15000rpm的电机已经在极狐、特斯拉、蔚来的车型上应用。（三）大减速比电动汽车在中国市场的兴起，从某种角度上降低了制造厂掌握减速器的门槛。由于电机与传统内燃机的不同，使得电动汽车可以采用单挡减速器来保证大转速范围内电机的有效使用，现有电动车减速器的速比通常在10左右。然而，随着电机转速越来越高，减速器速比也将越来越高。这时，单速比减速器将越来越不能满足市场的需求。因此，大速比、两档或多挡减速器将成为未来电驱动系统减速器的发展方向。八、总结与展望根据国家节能与新能源汽车技术路线图2.0发展计划，至2035年我国新能源汽车电驱动系统产品总体达到国际先进水平，乘用车比功率7.0KW/kg，电机系统超过80%的高效率区95%，乘用车电机控制器功率密度达到70KW/L，纯点驱动系统比功率3.0KW/kg，综合使用效率90%。新能源汽车的与传动汽车之间最大区别是采用新的能源动力系统。采对于环保方面而言，是革命性的进步。电力驱动系统大量的在汽车上应用，让汽车的主动安全系统和性能得以加强。汽车电子技术的发展和应用，推动传动系统向分散式，智能化方向发展。本文先是介绍了电动汽车的发展史，传动系统的组成和不同的传动系统。随后介绍纯电动汽车的驱动系统、混合动力总成，通过对比发现未来的新能能源汽车传动系统，将会以分散式驱动中的轮毂电机驱动为主。我国现在处于全新的发展阶段，国家层面对新能源技术的发展也给了大力的支持，十九大报告中，就有关于新能源汽车规划发展的建议。其中明确说明，新能源汽车动力总成技术及其应用作为电动汽车研究和产业发展的重点。电动汽车未来的发展趋势