电动汽车电驱动系统概论及组成

1电动车电驱动系统概论及组成龚小茂西安交通大学机硕1005班3111003040摘要本文分析了电动汽车在我国的市场前景，简述了电动汽车的组成，详细介绍了电动汽车最重要子系统电驱动系统性能要求、结构形式、组成部件及研究现状。关键词：电动汽车电驱动系统市场分析组成成分GeneralityandComponentsofElectricDrivenSysteminElectricvehicleGongXiaomaoXi’anJiaotongUniversity,Class1005,3111003040AbstractThispaperanalysesmarketprospectofelectricvehicleinourcountry.Atthesametime,itbrieflyintroducescomposingcomponentsofelectricvehicle.Intheend,theperformancerequirements,structuretype,compositionpartsandresearchstatusofthemostimportantchild-system,electricdrivesystem,ofelectricvehicleareintroducedindetail.Keywords:electricvehicle,electricdrivesystem,marketanalysis,composingcompoent1前言汽车是现代社会的重要交通工具，为人们提供了便捷、舒适的出行服务，然而传统燃油车辆在使用过程中产生了大量的有害废气，并加剧了对不可再生石油资源的依赖。在能源方面，目前世界汽车保有量约8亿辆，并以每年3000万辆的速度递增，预计到2020年全球汽车保有量将达到12亿辆，主要增幅来自发展中国家。美、中、日近年来汽车需求量变化如图1所示。可以发达国家（像美国、日本）的需求量再减少，发展中国家（像中国）需求量增长比较明显。我国汽车产销保持快速增长，2009年汽车产销1300万辆。过去10年我国汽车保有量也迅速增长，年均增长14%，其具体情况图2所示。1,7441,7051,646134959158523833344650957717471,7141,6971,73058357958553557450884370090220012002200320042005200620072008美国日本中国131914531609180220532383269431603697435849758.2%10.7%14.1%10.1%17.3%17.0%17.9%13.0%16.1%13.9%12.0%19981999200020012002200320042005200620072008汽车保有量(万辆)增长率(％)图1美、中、日近年来汽车需求量变化图2过去10我国汽车保有量作为能源消费大国，我国形势更为严峻，2009年中国原油消费总量约为3.88亿吨，其中净进口原油1.98亿吨，占原油消费总量的51.2％，能源大量进口危及到国民经济正常运行和国家能源安全。中国汽车保有量刚刚达到5000万辆，人均汽车拥有量仅为世界平均水平的1/3，但其年耗油量却已接近全国成品油总量的60％。按目前的增长速度和油耗水平，汽车保有量2到2020年会超过1.5亿辆，年耗油将突破2.5亿吨。巨大的市场需求与严峻的能源环境约束之间的矛盾异常尖锐。发展节能环保汽车，实现能源转型与产业振兴势在必行。汽车能源从传统的汽油、柴油，到用天然气、液化石油气、甲醇、乙醇、二甲醚、生物柴油等替代的燃料汽车，到现在研究比较热的新能源汽车，比如混合动力、纯电动、燃料电池、氢动力等。而在这些新能源汽车当中，混合及纯电动已有产品推向市场，如日本汽车丰田公司1997年12月宣布将复合动力电动轿车Prius投入小批量商业化生产[1]。我国奇瑞汽车有限公司首台自主研发的纯电池电动汽车S18于2008年下限，该车搭载一部336V、40kW电动机驱动系统，40Ah磷酸铁锂电池，最高时速为120km/h，连续行驶里程可达150km[2]。西安交通大学曹秉刚团队研制的速达牌纯电动汽车在三门峡试制成功，20辆速达牌纯电动汽车2010年8月31日下线并正式挂牌运行。锂电池纯电动汽车续驶里程达到260km，0-100km/h的加速时间仅为9秒左右，最高时速为150km/h，而使用的电机仅有15kW，使用的电池仅有252kg。如处于国外领先水平的日产凌风（LEAF）续驶里程为160km，最高时速为140km/h，所使用的电机为80kW。铅酸电池纯电动汽车续驶里程达到150km，0-100km/h的加速时间仅为11秒左右，最高时速为120km/h，使用的电机仅为10kW。目前国内外的高性能的铅酸电池纯电动汽车续驶里程都在100km之内，而且最高车速很难达到100km/h以上[3]，天津一汽、东风汽车、比亚迪等国内企业也早已开展了电动汽车的研制[2，4]。电动汽车清洁无污染、能量效率高、低噪声的优点，国内外电动汽车已成为汽车发展的主流方向,这为世界，尤其是为我国发展低碳经济，建设资源节约型社会提供了一条有力道路。因此，国家对电动汽车的发展提供了大力支持，“十五”国家高新技术研究发展计划（863计划）将电动汽车以重大专项列入[5-6];国家发展改革委员会2004年6月1日出台了《汽车产业发展政策》，重点发展混合动力汽车技术和轿车柴油发动机技术[7]；《节能中长期专项规划》（国家发展改革委员会2004年11月25日）中指出，实施清洁汽车行动计划，发展混合动力汽车，在城市公交客车、出租车等推广燃气汽车[8]；2007年6月公布的《中国应对气候变化国家方案》鼓励混合动力汽车、纯电动汽车的生产和消费。2010年，科技部已制定“十二五”专项规划的草案，万钢提出，“十二五”期间，电动汽车发展的总体目标是全面掌握电动汽车的核心技术，形成有较强竞争力的电动汽车以及关键零部件工业体系，建立有利于电动汽车发展的环境，等等。2电动汽车的组成电动汽车系统可分为三个子系统，即电驱动子系统、主能源子系统和辅助控制子系统。其中，电驱动子系统又由电控单元、功率转换器、电动机、机械传动装置和驱动车轮组成；主能源子系统由主电源、电源管理系统和充电系统构成;辅助控制子系统具有动力转向、温度控制和辅助动力供给等功能[9]。典型电动汽车的基本结构如图3所示。3图3典型电动汽车基本结构从图中可以分析出，从制动踏板和加速踏板输人的信号，电子控制器发出相应的控制指令来控制功率转换器的功率装置的通断；功率转换器的功能是调节电动机和电源之间的功率流；能量管理系统和电控系统一起控制再生制动及其能量的回收，能量管理系统和充电器一同控制充电并监测电源的使用情况；辅助动力供给系统供给电动汽车辅助系统不同等级的电压井提供必要的动力，它主要给动力转向、空调、制动及其它辅助装置提供动力。3电驱动系统3.1电驱动系统性能要求电驱动系统作为电动汽车最主要、最核心、最复杂的部件。一般驱动系统具有以下要求[10]：1)瞬时功率大，短时过载能力强，以满足爬坡及加速的需要；2)调速范围宽广；3)在运行的全部速度范围和负载范围内，具有较高的效率，也就是在电机所有工作范围内综合效率高，以尽量提高电动汽车一次续驶里程；4)可靠性高，使用方便简单，价格低廉；5)功率密度高，体积小，质量轻；6）快速的转矩响应特性，在各种车速范围内能快速而柔和地控制驱动和制动转矩，在多电机系统中，要求电机可控性高、稳态精度和动态特性好；7）安全，稳定，防一定冲击，寿命长。3.2电驱动系统结构形式采用不同的电驱动系统形式总体上可分为两种：集中驱动和车轮独立驱动[11]。总体可构成不以下6种形式,如图4所示，上三图为集中驱动形式，下三图为车轮独立驱动形式。上左图是典型的，类似内燃机机车，它有电动机、离合器、齿轮箱和差速器组成，构成整个动力传动链；上中图由电动机、固定速比的减速器和差速器组成，不能档位变速和卸载，不适合使用该传动形式；上右图把电动机、固定速比减速器和差速器集成为一个整体，两根半轴连接驱动车轮，这4种结构在小型电动汽车上应用最普遍；下左图为两个电机分别驱动，典型的双轮驱动，差速实现电动车的转弯；下中图轮毂电动车轮+固定速比的减速器，动力传递链进一步缩短，提高了效率，同时结构可以变得简单；下右图为只有轮廓电动车轮，车轮转速和电动汽车的车速控制完全取决于电动汽车的转速控制。图4电驱动结构形式C-离合器D-差速器FG-固定速比减速器GB-变速器M-电动机集中驱动很好地继承了传统内燃机车的动力传动链，技术成熟，而且开发起来比较容易，但系统传动复杂，传递效率低，且靠传统的差速器进行力矩的分配，操控起来不平稳。而车轮独立驱动结构简化，传动效率高，每个电机可以单独控制，能实现车轮驱动力的单独调节和施加横摆力矩控制，容易实现车辆底盘系统的电子化、主动化，极大地改善车辆的驱动性能和行驶性能[12]。对车轮采用独立控制的制动能量回收系统，与单电机驱动相比，可以提高车辆能量利用效率。3.3电驱动系统组成3.3.1组成从功能的角度看，电动汽车的电动机驱动系统可分为电气和机械两大系统。电气系统由电动机、功率转换器和电了控制器等三个子系统组成。机械系统主要包括机械传动装置(可选)和车轮。电气和机械系统的边界形成电动机的气隙，用来完成电动机能量从电能到机械能的转换。电子控制器分为三个功能单元:传感器、中间连接电路与处理器。传感器把测得的数据，如电流、电压、温度、速度、转矩以及电磁通等，转变为电信号，通过连接电路把这此电信号调整到合适的值后，然后输人到处理器的输出信号通常经过中间电路放大，驱动功率转换器的半导体元件。在驱动和能量再生过程中，能量源与电动机之问的能量流动是通过功率转换器进行调节的。电动机与车轮通过机械传动装置连在一起，该传动装置是可选的，因为电动机也可以直接装在车轮上，用电动轮毂车轮直接驱动。其具体的结构框图如图5所示。5图5电驱动系统结构框图3.3.2电驱动系统驱动电机电动汽车的驱动电动机通常要求能够频繁地启动/停车、加速/减速，低速或爬坡时要求高转矩，高速行驶时要求低转矩，并要求变速范围大，而工业驱动电动机通常优化在额定的工作点。因此，电动汽车驱动电动机比较特殊。电机的性能很大程度上决定电动汽车的整体性能，所以，开发使用性能优良的驱动电机能很大程度上提升电动汽车的性能。其性能要求有以下几点：1）电动汽车驱动电动机需要有4-5倍的过载以满足短时加速行驶与最大爬坡度的要求;而工业驱动电动机只要求有2倍的过载；2）电动汽车驱动电动机的最高转速要求达到在公路上巡航时基4-5倍;而工业驱动电动机只要求达到恒功率时基速的2倍；3）电动汽车用电动机调速范围应该宽广，包括恒转矩区和恒功率区。要求在低速运行时可以输出大恒定转矩，来适应快速起动、加速、负荷爬坡等要求，高速时能够输出恒定功率，能有较大的调速范围，以适应平坦的路面、超车等高速行驶要求[13]。目前正在应用或开发的电动车电动机主要有直流电动机、感应电动机、永磁无刷电动机、开关磁阻电动机四种。如表1所示，驱动电机在部分电动汽车产品中的应用[14]。表1驱动电机在部分电动汽车产品中的应用序号产品名称厂商电动机类型最大输出功率蓄电池最高车速(km/h)持续里程(km)1PandaFiat串激直流9.2铅酸/NiCd11380/1042SAXOCitroen他励直流20NiCd90803E1BMW永磁直流45NaNiCl21301404ImpactGM三相感应45铅酸1201905EV-1GM永磁同步102NiMH1291306Th!nkFord三相感应27NiCd90857EVPLUSHonda永磁同步49NiMH1281908PriusToyota永磁同步30NiMH69RAV4Toyota永磁同步50NiMH12520010AltraEVNissan永磁同步62Li-ion12019011HyperminiNissan永磁同