纯电动汽车驱动系统:带领未来出行新潮流

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技术文章

作者：管理员发布时间：2024-10-22 10:37:37

　　一、纯电动汽车驱动系统概述
纯电动汽车驱动系统是纯电动汽车的核心，主要由电力驱动子系统、电源子系统和辅助子系统组成。它以汽车电源为动力，用电机驱动车轮行驶，符合道路交通、安全法规和车辆要求。
电力驱动子系统主要包括中央控制单元、驱动控制器、驱动电动机和机械传动装置等。中央控制单元是驱动系统的控制中心，协调整车控制，并根据加速踏板与制动踏板的输入信号，向驱动控制器发出指令，对驱动电动机进行启动、加速、减速、制动控制。在纯电动汽车减速和下坡滑行时，还能配合车载电源模块的能源管理系统进行能量回收，使蓄电池反向充电。
驱动控制器按照中央控制单元的指令和驱动电动机的速度、电流反馈信号，对驱动电动机的速度、驱动转矩和旋转方向进行控制。目前对驱动电动机的调速主要采用调压、调频等方式，具体取决于所选用的驱动电动机类型。例如，对于直流电动机主要通过 DC/DC 转换器进行调压调速控制；对于交流电动机需通过 DC/AC 转换器进行调频调压矢量控制；对于磁阻电动机则通过控制其脉冲频率来进行调速。
驱动电动机在纯电动汽车中具备电动机和发电机的双重功能。正常行驶时，将电能转化为机械能驱动车轮；减速和下坡滑行时，将车轮的惯性动能转化为电能回馈给高压蓄电池组。对驱动电动机的选型需根据其负载特性进行，要求在起步和上坡时有较大的启动转矩和短时过载能力，并有较宽的调速范围和理想的调速特性。
机械传动装置将驱动电动机的驱动转矩传输给汽车驱动轴，带动汽车车轮行驶。由于驱动电动机本身具有较好的调速特性，其变速机构可大大简化，通常仅采用一种固定的减速装置。同时，由于驱动电动机可带负载直接启动，省去了传统内燃机汽车的离合器和变速器中的倒挡齿轮组。采用轮毂电动机分散驱动方式时，还能省去传统汽车的驱动桥、机械差速器、半轴等一切传动部件。

二、驱动系统组成
（一）电力驱动子系统
中央控制单元作为驱动系统的控制核心，不仅协调纯电动汽车的整体控制，还在车辆行驶过程中发挥着关键作用。它通过接收加速踏板与制动踏板的输入信号，精确地向驱动控制器发出相应指令，从而实现对驱动电动机的启动、加速、减速和制动控制。在车辆减速和下坡滑行时，中央控制单元能够与车载电源模块的能源管理系统紧密配合，进行高效的能量回收，使蓄电池实现反向充电，提高能源利用效率。
驱动控制器严格按照中央控制单元的指令以及驱动电动机的速度、电流反馈信号，对驱动电动机的速度、驱动转矩和旋转方向进行精准控制。目前，针对不同类型的驱动电动机，采用不同的调速方式。例如，对于直流电动机，主要通过 DC/DC 转换器进行调压调速控制，这种方式能够根据实际需求调整电压，实现电动机的速度调节。对于交流电动机，则需通过 DC/AC 转换器进行调频调压矢量控制，确保电动机在不同工况下都能高效运行。而对于磁阻电动机，通过控制其脉冲频率来进行调速，以满足特定的应用需求。
驱动电动机在纯电动汽车中扮演着双重角色，既是电动机，又是发电机。在正常行驶时，它将电能转化为机械能，为车辆提供动力，驱动车轮行驶。而在减速和下坡滑行时，驱动电动机能够将车轮的惯性动能转化为电能，回馈给高压蓄电池组，实现能量的回收利用。在选型驱动电动机时，需要充分考虑其负载特性。一般要求在起步和上坡时，驱动电动机具有较大的启动转矩和相当的短时过载能力，以确保车辆能够顺利启动和爬坡。同时，还需要有较宽的调速范围和理想的调速特性，即在启动低速时为恒转矩输出，在高速时为高功率输出，以满足不同行驶速度下的动力需求。
机械传动装置在纯电动汽车中起着将驱动电动机的驱动转矩传输给汽车驱动轴，进而带动汽车车轮行驶的重要作用。由于驱动电动机本身具有较好的调速特性，使得其变速机构可以大大简化。通常情况下，仅采用一种固定的减速装置即可满足车辆的行驶需求。此外，驱动电动机可带负载直接启动，这一特点使得纯电动汽车省去了传统内燃机汽车的离合器。而且，由于驱动电动机可以容易地实现正反向旋转，所以也无需通过变速器中的倒挡齿轮组来实现倒车。在采用轮毂电动机分散驱动方式时，纯电动汽车还能省去传统汽车的驱动桥、机械差速器、半轴等一切传动部件，极大地简化了车辆结构，提高了空间利用率。
（二）电源子系统
电源子系统主要由电池组构成，它是纯电动汽车的动力源泉。电池组为整车提供所需的动力，持续、稳定地输出能量，确保车辆能够正常运行。目前，纯电动汽车常用的电池类型有锂离子电池、镍氢电池等。这些电池具有较高的能量密度和较长的使用寿命，能够满足纯电动汽车的动力需求。然而，电池技术仍然面临着一些挑战，如价格高、寿命短、充电时间长等问题。为了解决这些问题，科研人员正在不断努力研发新型电池技术，提高电池的性能和可靠性。
（三）辅助子系统
辅助子系统包含各种传感器、冷却系统等。各种传感器如加速踏板位置传感器、制动踏板开关、转向盘转角传感器等，为中央控制单元提供准确的车辆行驶状态信息，辅助电力驱动子系统进行精确控制。冷却系统则负责对驱动电动机、电机控制器等关键部件进行散热，确保它们在正常的温度范围内工作，提高车辆的安全性和可靠性。此外，辅助子系统还包括辅助电源，为车内气候控制、照明等辅助设备提供不同电压等级的所需功率，提高车辆的舒适性和便利性。辅助子系统与电力驱动子系统和电源子系统紧密配合，共同确保车辆安全、高效运行。
三、驱动系统优势
（一）驾驶感受好
纯电驱动的车辆在驾驶感受方面确实有着显著的优势。由于只有电机作为驱动方式，没有传统燃油车复杂的变速器结构，因此在行驶过程中毫无换挡引起的顿挫感。目前主流的电机转速为 12000 转或 16000 转，仅需单档减速器便可满足绝大多数车速使用需求。电机响应极为迅速，当驾驶员踩下加速踏板时，动力能够瞬间输出，带来强烈的推背感。同时，电机在低转速时就具备较大的扭矩，这使得纯电动汽车在起步和加速阶段表现出色，轻松超越传统燃油车。例如，在红绿灯路口，纯电动汽车只需轻轻一踩电门，就能迅速起步，成为道路上最引人注目的存在。
（二）驱动效率高
纯电动汽车的驱动效率远高于传统燃油车。电机 + 电机控制器的效率大于 95%，实际使用中也超过 85%。相比之下，传统燃油车发动机最高的热效率点目前已知为 40% 多点，实际使用上也就是 30% 多。大部分的燃油能量被当做废气排放掉了，而电机总成能够将绝大部分电能转化为机械能，驱动车辆行驶。以某 A 级电动车以及同平台的燃油车为例，电动车百公里电耗是 14kwh/100km，百公里油耗量是 8L/100km。已知汽油热值是 42MJ/kg，换算百公里消耗能量是 4.5410^8 焦耳能量，而电耗是百公里消耗量是 143.610^6 = 5.0410^7 焦耳能量，大概是汽油车的 1/10，由此可见纯电动汽车的驱动效率非常高，更加节能。
（三）使用成本低且环保
纯电动汽车在使用成本方面具有明显优势。家庭充电方便的情况下，用电成本比用油节省得多。以一辆电动车为例，百公里耗电大约在 17 度左右，如果使用自家充电桩，6 毛一度电，电费为 10.2 元；即使使用公共充电桩，平均算下来一度电大概在 1.5 元左右，百公里电费也仅为 25.5 元左右。而传统燃油车百公里油耗为 8L，假设 92 号汽油 7 元一升，10 万公里油费为 5.6 万。同时，纯电动汽车不需要经常保养，省去了更换机油等保养耗费。在环保方面，纯电动汽车可以做到 0 排放或少排放，大大减少了对城市环境的污染。例如，在城市道路行驶中，纯电动汽车不会像传统燃油车那样排放废气，有助于改善空气质量。
四、发展趋势
（一）高效率电机技术
电机作为纯电动汽车驱动系统的核心部件，其效率的提升至关重要。目前，永磁同步电机和异步电机是市场上的主流选择，但未来电机技术的发展将更加注重提高效率和降低成本。例如，通过采用新型材料，如高性能的永磁材料和导电材料，可以提高电机的磁场强度和电流承载能力，从而提高电机的功率密度和效率。同时，优化电机的设计也是提高效率的重要途径。通过采用先进的计算机辅助设计技术，可以对电机的结构进行优化，减少电机的体积和重量，提高电机的功率密度。此外，还可以通过采用先进的制造工艺，如精密铸造、粉末冶金等，提高电机的制造精度和质量，从而提高电机的效率。
据统计，采用新型材料和优化设计后，电机的体积和重量可以减少 30% 以上，功率密度可以提高 50% 以上，效率可以提高 10% 以上。这将大大提高纯电动汽车的续航里程和性能，降低用户的使用成本。
（二）先进的电池技术
电池是纯电动汽车的能量来源，其性能直接影响到车辆的续航里程和充电时间。目前，锂离子电池是主流的电池技术，但未来固态电池、锂硫电池等新型电池技术有望实现商业化。这些新型电池技术在能量密度和安全性方面具有明显优势，可以进一步提升纯电动汽车的性能。
固态电池具有高能量密度、高安全性、长寿命等优点。其能量密度可以达到传统锂离子电池的两倍以上，这将大大提高纯电动汽车的续航里程。同时，固态电池的安全性也非常高，由于其采用固态电解质，不存在漏液、起火等安全隐患。据预测，固态电池有望在未来几年内实现商业化，届时将为纯电动汽车的发展带来新的机遇。
锂硫电池也是一种具有潜力的新型电池技术。锂硫电池的能量密度非常高，可以达到传统锂离子电池的五倍以上。此外，锂硫电池的成本也相对较低，这将有助于降低纯电动汽车的价格。不过，锂硫电池目前还存在一些技术难题，如循环寿命短、自放电率高等，需要进一步的研发和改进。
（三）智能化的电控系统
随着人工智能和大数据技术的发展，纯电动汽车的电控系统将变得更加智能化。通过实时监测和分析车辆的运行数据，电控系统可以优化电机的控制策略，提高能效和驾驶体验。同时，智能化的电池管理系统可以更精确地监控电池的状态，延长电池的使用寿命。
例如，通过采用人工智能算法，电控系统可以根据车辆的行驶状态和路况，自动调整电机的输出功率和扭矩，以实现最佳的能效和驾驶体验。同时，智能化的电池管理系统可以通过实时监测电池的电压、电流、温度等参数，预测电池的剩余容量和寿命，为用户提供准确的续航里程信息。此外，还可以通过采用无线充电技术和智能充电管理系统，实现快速充电和便捷充电，提高用户的使用便利性。
（四）集成化的设计理念
为了提高系统的整体效率和可靠性，纯电动汽车驱动系统的设计将更加注重集成化。电机、电控和减速器等部件可以集成在一个模块中，减少系统的体积和重量，同时降低能量损耗。此外，集成化的设计还可以简化生产工艺，降低成本，提高产品的市场竞争力。
例如，通过采用集成化的设计理念，可以将电机、电控和减速器等部件集成在一个模块中，实现一体化设计和制造。这样可以减少系统的体积和重量，提高系统的功率密度和效率。同时，还可以降低系统的成本，提高产品的市场竞争力。据统计，采用集成化的设计理念后，系统的体积和重量可以减少 40% 以上，成本可以降低 30% 以上，效率可以提高 15% 以上。这将为纯电动汽车的发展带来新的机遇和挑战。