尹彥秋 張俊深

摘要：發(fā)展新能源汽車，已然成為我國汽車產(chǎn)業(yè)由大向強(qiáng)，實(shí)現(xiàn)彎道超車的必然選擇。自2012年7月國務(wù)院發(fā)布實(shí)施節(jié)能與新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃以來，我國新能源汽車產(chǎn)業(yè)技術(shù)得到顯著提升，產(chǎn)業(yè)體系日趨完善，產(chǎn)銷量和保有量連續(xù)多年保持世界第一，新能源汽車尤其是純電動(dòng)汽車發(fā)展成績(jī)顯著，已成為引領(lǐng)全球汽車產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型發(fā)展的中堅(jiān)力量。本文從純電動(dòng)汽車結(jié)構(gòu)驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)、驅(qū)動(dòng)電機(jī)和減速器等技術(shù)角度總結(jié)了純電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀，探討了當(dāng)前純電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)所面臨的技術(shù)難點(diǎn)和未來發(fā)展方向。

Abstract： The development of new energy vehicles has become an inevitable choice for my country's auto industry to grow stronger and achieve overtaking in corners. Since the State Council released the implementation of the energy-saving and new energy automobile industry development plan in July 2012， my country's new energy automobile industry technology has been significantly improved， the industrial system has become increasingly complete， and the production and sales volume and ownership have remained the world’s number one for many consecutive years. New energy vehicles in particular The development of pure electric vehicles has achieved remarkable results and has become the backbone of leading the transformation and development of the global automotive industry. This article summarizes the development status of pure electric vehicle drive system from the technical perspective of pure electric vehicle structure drive control technology， drive motor and reducer， and discusses the technical difficulties and future development directions of current pure electric vehicle drive system related technologies.

關(guān)鍵詞：純電動(dòng)汽車;驅(qū)動(dòng)技術(shù);控制技術(shù);減速器

Key words： pure electric vehicle;drive technology;control technology;reducer

中圖分類號(hào)：U463.1? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1674-957X（2021）17-0215-03

0? 引言

當(dāng)前，全球能源結(jié)構(gòu)和社會(huì)運(yùn)行方式正朝著革命性、顛覆新方向轉(zhuǎn)變，新一輪汽車科技和產(chǎn)業(yè)革命已經(jīng)蓬勃發(fā)展，這些都使得新能源汽車產(chǎn)業(yè)面臨前所未有的發(fā)展機(jī)遇，各國政府為確保本國成為引領(lǐng)世界汽車產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型的重要力量，紛紛出臺(tái)相關(guān)政策法規(guī)積極引導(dǎo)本國新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展，鼓勵(lì)新能源汽車的技術(shù)研究與產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，并通過對(duì)傳統(tǒng)燃油車的禁售，來加速這一轉(zhuǎn)型進(jìn)程。

純電動(dòng)汽車作為一種典型的高新技術(shù)產(chǎn)品，集成了機(jī)械、電子、電化學(xué)、能源與新材料、計(jì)算機(jī)科學(xué)、信息技術(shù)等多種高新技術(shù)于一體，具備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用維護(hù)保養(yǎng)方便，在行駛過程中污染物零排放、低噪聲、 高傳動(dòng)效率等特點(diǎn)，成為當(dāng)前汽車產(chǎn)業(yè)的創(chuàng)新熱點(diǎn)和發(fā)展方向。本文從純電動(dòng)汽車結(jié)構(gòu)、控制技術(shù)、驅(qū)動(dòng)技術(shù)和減速器等專業(yè)技術(shù)角度總結(jié)了純電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀，探討了當(dāng)前純電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)所面臨的技術(shù)難點(diǎn)和未來發(fā)展方向。

1? 純電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

純電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)作為純電動(dòng)汽車汽車“三電”（電機(jī)、電控、電池）系統(tǒng)核心技術(shù)之一，主要由驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)電機(jī)和減速器等部件構(gòu)成，如圖1所示。驅(qū)動(dòng)電機(jī)和驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)作為純電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)，其技術(shù)水平直接決定了純電動(dòng)汽車整車的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和客戶的駕乘感受。現(xiàn)階段純電動(dòng)汽車按照驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)布置形式分為：集中式驅(qū)動(dòng)布置和分布式驅(qū)動(dòng)布置兩種。

1.1 集中式驅(qū)動(dòng)

作為當(dāng)前純電動(dòng)汽車的主流驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)構(gòu)型，純電動(dòng)汽車集中式驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)主要采用驅(qū)動(dòng)電機(jī)和減速器替代傳統(tǒng)燃油車動(dòng)力總成系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的電動(dòng)化。典型的純電動(dòng)汽車集中式驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，集中式驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)繼承了傳統(tǒng)燃油汽車的機(jī)械耦合裝置，并保留了相關(guān)機(jī)械部件。集中式驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)以其高集成度的特點(diǎn)，決定了純電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)總成結(jié)構(gòu)變得更簡(jiǎn)單，對(duì)動(dòng)力系統(tǒng)的改動(dòng)很少，布局更緊湊，布置也更方便。按照純電動(dòng)汽車不同的驅(qū)動(dòng)需求，純電動(dòng)汽車集中式驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)可通過前軸或后軸靈活安裝，實(shí)現(xiàn)“前輪驅(qū)動(dòng)”、“后輪驅(qū)動(dòng)”或“四輪驅(qū)動(dòng)”。采用的高功率密度的驅(qū)動(dòng)電機(jī)的高效率區(qū)間覆蓋范圍，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過傳統(tǒng)內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)的高效率區(qū)間范圍，較成熟的控制技術(shù)使得集中式驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)兼具傳統(tǒng)燃油汽車無法比擬的從零轉(zhuǎn)速即可達(dá)到最大轉(zhuǎn)矩的響應(yīng)時(shí)間，且無換擋沖擊。按照純電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)集成度的不同，集中式驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)典型結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要分為：分體式、簡(jiǎn)單集成、復(fù)雜集成、深度集成。

1.2 分布式驅(qū)動(dòng)

純電動(dòng)汽車分布式驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)相較于集中式驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，典型的純電動(dòng)汽車分布式驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示，就是將驅(qū)動(dòng)電機(jī)直接安裝在車輪上，通過機(jī)械耦合裝置的整合，不僅實(shí)現(xiàn)了車輛結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化，縮短了動(dòng)力傳遞路徑，進(jìn)一步提高了傳動(dòng)效率，還提升了車輛的操縱性。純電動(dòng)汽車分布式驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)按照結(jié)構(gòu)形式的不同，主要分為：輪邊驅(qū)動(dòng)和輪轂驅(qū)動(dòng)。不同于輪轂驅(qū)動(dòng)和集中式驅(qū)動(dòng)所采用的內(nèi)轉(zhuǎn)子驅(qū)動(dòng)電機(jī)，輪邊電機(jī)采用外轉(zhuǎn)子驅(qū)動(dòng)電機(jī)。

輪邊驅(qū)動(dòng)是將驅(qū)動(dòng)電機(jī)直接安裝在車輪內(nèi)側(cè)，通過機(jī)械耦合裝置單獨(dú)驅(qū)動(dòng)車輪。輪轂驅(qū)動(dòng)則是通過將驅(qū)動(dòng)電機(jī)和機(jī)械耦合裝置整合至輪轂中，不需要任何齒輪機(jī)構(gòu)，極大的簡(jiǎn)化了純電動(dòng)汽車的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。通過對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)采用低速區(qū)轉(zhuǎn)矩輸出穩(wěn)定矢量控制，能夠很好的實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)矩與磁鏈解耦，實(shí)現(xiàn)對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速的控制。

按照純電動(dòng)汽車不同的驅(qū)動(dòng)需求，純電動(dòng)汽車分布式驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)可靈活安裝車輪上，實(shí)現(xiàn)“前輪驅(qū)動(dòng)”、“后輪驅(qū)動(dòng)”或“四輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)”。雖然目前大部分電動(dòng)汽車采用集中電機(jī)驅(qū)動(dòng)，但輪邊電機(jī)驅(qū)動(dòng)已開始應(yīng)用于客車和商用車市場(chǎng)上。輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)雖然還處于研發(fā)和小批量試產(chǎn)階段，但卻是未來新能源汽車電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的發(fā)展方向，其中Protean Electric公司開發(fā)的一體化集成驅(qū)動(dòng)輪轂電機(jī)系統(tǒng)ProteanDrive，其Pdl8輪轂電機(jī)動(dòng)力性能突出，以不到40kg的重量，提供最高80kW的功率和1250N·m的扭矩。

2? 純電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

2.1 驅(qū)動(dòng)電機(jī)技術(shù)

作為純電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)核心部件的驅(qū)動(dòng)電機(jī)，其性能決定了純電動(dòng)汽車的主要性能指標(biāo)，并成為直接影響車輛動(dòng)力性能、經(jīng)濟(jì)性能和駕乘感受等關(guān)鍵因素之一。目前行業(yè)所采用的驅(qū)動(dòng)電機(jī)主要分為直流電機(jī)和交流電機(jī)。相較于直流電機(jī)的簡(jiǎn)單控制，交流電機(jī)的控制則相對(duì)復(fù)雜得多，得益于過去幾十年電控技術(shù)的發(fā)展，尤其是高速數(shù)字處理器和復(fù)雜算法等成熟技術(shù)的應(yīng)用，使得交流電機(jī)在純電動(dòng)汽車應(yīng)用越來越廣泛。當(dāng)前純電動(dòng)汽車普遍采用的諸如感應(yīng)電機(jī)、PM（永磁）電機(jī)和開關(guān)磁阻電機(jī)都屬于交流和無刷電機(jī)。

按照轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)形式區(qū)分，交流感應(yīng)電機(jī)分籠型感應(yīng)電機(jī)和轉(zhuǎn)子式感應(yīng)電機(jī)。由于籠型感應(yīng)電機(jī)成本較低、效率高、結(jié)構(gòu)堅(jiān)固可靠的特點(diǎn)，相較于轉(zhuǎn)子式感應(yīng)電機(jī)，其更適合應(yīng)用于純電動(dòng)汽車上。

PM（永磁）電機(jī)主要通過永磁體來產(chǎn)生氣隙磁通，實(shí)際利用永磁體替代了直流電機(jī)中的磁場(chǎng)線圈和感應(yīng)電機(jī)中定子的勵(lì)磁體。其大致可分為永磁同步電機(jī)（PMSM）和永磁無刷直流電機(jī)（PMBLDC）兩類。永磁無刷直流電機(jī)（PMBLDC）因控制相對(duì)簡(jiǎn)單，且存在梯形反電動(dòng)勢(shì)，因此主要應(yīng)用在工業(yè)領(lǐng)域中。永磁同步電機(jī)（PMSM）結(jié)構(gòu)包括面貼式、插入式和內(nèi)置式，其驅(qū)動(dòng)原理類似感應(yīng)電機(jī)，具有響應(yīng)速度快、高功率密度和高效率的優(yōu)點(diǎn)，并且可以對(duì)其進(jìn)行矢量控制和dq變換，被作為純電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)的首選。

2.2 驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)

面對(duì)復(fù)雜的運(yùn)行環(huán)境及嚴(yán)苛的工況條件，要求純電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)必須具備較高技參數(shù)指標(biāo)，能夠從容應(yīng)對(duì)頻繁的啟、停和加、減速，以及低速和爬坡時(shí)低速高轉(zhuǎn)矩和，高速低轉(zhuǎn)距需求，并要求具備寬泛的調(diào)速區(qū)間驅(qū)動(dòng)電機(jī)的輸出動(dòng)作主要是靠控制單元給定命令執(zhí)行，即控制器輸出命令。如圖4所示，驅(qū)動(dòng)控制器主要是將輸入的直流電逆變成電壓、頻率可調(diào)的三相交流電，供給配套的三相交流永磁同步電機(jī)使用。傳統(tǒng)的線性控制（PID），已不能滿足高性能驅(qū)動(dòng)電機(jī)的苛刻要求。當(dāng)前，隨著先進(jìn)控制技術(shù)及控制理論研究的深入和發(fā)展，出現(xiàn)了包括自適應(yīng)控制、模糊控制、變結(jié)構(gòu)控制和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等先進(jìn)控制策略。

2.3 減速器技術(shù)

目前，各大汽車廠商的純電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)均采用驅(qū)動(dòng)電機(jī)匹配單級(jí)減速器的構(gòu)型。單擋減速器動(dòng)力傳動(dòng)機(jī)械部分是依靠?jī)杉?jí)齒輪副來實(shí)現(xiàn)減速增扭。其按功用和位置分為以下組件：右箱體、左箱體、輸入軸組件、中間軸組件、差速器組件，以及P擋駐車組件。如圖5所示為單擋減速器動(dòng)力傳遞路線：驅(qū)動(dòng)電機(jī)→輸入軸→輸入軸軸齒→中間軸齒輪→中間軸軸齒→差速器半軸齒輪→左右半軸→左右車輪。

單從結(jié)構(gòu)上來說，兩檔減速器結(jié)構(gòu)相對(duì)更為復(fù)雜，如圖6所示為兩檔減速器結(jié)構(gòu)圖，包括左箱體、右箱體、輸入組件、輸出組件、同步器、中間軸組件以及P擋駐車組件。對(duì)比單擋減速器，兩檔減速器可在相對(duì)復(fù)雜路況條件下選擇低速高扭或高速低扭輸出。當(dāng)減速器處于一檔檔位時(shí)，同步器齒套與輸出軸齒輪嚙合，此時(shí)，減速器的減速比為兩級(jí)齒輪的傳動(dòng)比，適用于高扭矩、低速，適用于起步或爬坡路段。當(dāng)減速器處于二擋檔位，同步器齒套與輸入軸齒輪嚙合，此時(shí)，減速器的減速比為1，適用于低扭矩、高速，適用于平坦提速或高速路段。兩檔減速器的使用，能夠讓電機(jī)盡量工作在高效率的轉(zhuǎn)速區(qū)間，降低了能量損耗、提高了續(xù)航里程。

3? 純電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)存在的技術(shù)難點(diǎn)及發(fā)展趨勢(shì)

純電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)開發(fā)主要涉及零部件關(guān)鍵共性技術(shù)、系統(tǒng)集成技術(shù)、測(cè)試驗(yàn)證技術(shù)和產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用技術(shù)。目前，我國通過構(gòu)建以企業(yè)為主體、市場(chǎng)為導(dǎo)向、產(chǎn)學(xué)研用協(xié)同技術(shù)創(chuàng)新體系的建立，使得我們?cè)隍?qū)動(dòng)系統(tǒng)關(guān)鍵核心技術(shù)上取得了一定突破，產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)能力得到提升，一批高功率、高轉(zhuǎn)速、復(fù)雜集成度的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)總成已經(jīng)產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。但是我們應(yīng)始終明白，我們與國際先進(jìn)水平的差距還很明顯，尤其是在零部件共性技術(shù)上，差距明顯。

因此，我們必須繼續(xù)加大技術(shù)研發(fā)投入力度：

①在驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)上，我們應(yīng)該將功率密度倍增和效率提升作為重點(diǎn)技術(shù)突破，通過新材料（全Si半導(dǎo)體）、新工藝（采用雙面焊接技術(shù)）的應(yīng)用，力爭(zhēng)將驅(qū)動(dòng)控制器的功率提升至300kW，功率密度達(dá)到40kW/L、效率再提升0.2～0.3%。②在驅(qū)動(dòng)技術(shù)上，通過磁、電、熱耦合優(yōu)化并伴隨高導(dǎo)低損材料和模塊級(jí)聯(lián)技術(shù)的應(yīng)用，確保驅(qū)動(dòng)電機(jī)在轉(zhuǎn)速上超過16000rpm，功率密度在現(xiàn)有技術(shù)指標(biāo)數(shù)上再提高30%，達(dá)到4kW/kg，滿足整車高功率和高轉(zhuǎn)矩的要求。③在減速器技術(shù)上，通過NVH性能提升、系統(tǒng)效率提升和轉(zhuǎn)速提升，將減速器的轉(zhuǎn)速提升至18000rpm以上，系統(tǒng)效率大于97%，再通過多擋減速器的開發(fā)，進(jìn)一步提升整車的加速性能，提高最高車速。

4? 結(jié)語

本文通過對(duì)純電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及關(guān)鍵技術(shù)特性進(jìn)行了闡述，并對(duì)未來驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的發(fā)展方向進(jìn)行了展望。通過高功率密度、高效率，高轉(zhuǎn)速的永磁同步驅(qū)動(dòng)電機(jī)和多擋減速器的應(yīng)用，一定會(huì)進(jìn)一步提升整車的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性，有利于純電動(dòng)汽車推廣應(yīng)用。

作為新興事物，純電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)仍舊存在許多技術(shù)難點(diǎn)等著我們更加深入的進(jìn)行研究。但是我們應(yīng)相信，隨著新材料和新技術(shù)的發(fā)展應(yīng)用，數(shù)字化、深度集成化和智能化的純電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)一定會(huì)是未來的發(fā)展方向。

參考文獻(xiàn)：

[1]馬肖，張宏超，趙坤，韓旭，周有為.純電動(dòng)車動(dòng)力總成關(guān)鍵零部件現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)[J].汽車世界·車輛工程技術(shù)，2019（19）.

[2]溫傳新，王培欣，花為.電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)[J].微電機(jī)，2019，52（10）：103-108.

[3]盧文軒，嚴(yán)星，陳平，裴瀟楊，張自立，盧俊康.純電動(dòng)汽車電驅(qū)系統(tǒng)集成化前沿趨勢(shì)[J].汽車工程師，2019（10）.