1、基于电动汽车轮毂电机驱动方案的动力组成部分的探究学位论文基于混合动力车辆轮毂电机驱动方案动力组成部分的探究摘要本文从电动车辆的纯电动汽车、燃料电池电动汽车、和混合动力电动汽车三种类型，选出混合动力电动汽车作为描述对象，主要对动力传递方式的多种类型中，探讨了最为流行的轮毂电机的直接和间接驱动的结构，分别从电动机、电池组、发电机以及控制系统的四大轮毂电机驱动的组成部分，简单列举了现今的几种形式，最后指出了电动汽车的发展前景以及当前需要解决的问题。关键词：混合动力 轮毂电机 驱动形式 APU一、轮毂电机驱动的概述自汽车诞生以来，其性能不断地优化而成本逐渐地降低，被各个行业广泛应用。据美国关于汽车的杂
2、志 WardsAuto 公布:截至21世纪初期,全球使用的各种汽车,包括卡车、轿车以及公用汽车等的总量超过10亿辆,我国汽车数量的增长速度世界排名第一【1-2】。我国已经成为一个汽车大国，此种情形是我国经济又好又快发展、工业科技发达以及人民生活水平提高的集中的体现。但是汽车工业的快速发展带来的负面影响，如道路堵塞、空气质量下降和能源储备量急剧减少又使汽车行业的快速发展受到质疑。汽车行业的快速发展将会给环境和能源带来了巨大压力，因此，未来的发展必须选择节能环保的电动汽车【3】。早在1832至1839年，燃油的汽车出现以前，采用电力驱动的汽车就已经出现【4】。但是，早期的电动汽车行驶速度慢、行驶里
3、程较短、制造工艺复杂等许多方面的缺点，车辆运用内燃机技术得到广泛发展，使其占据了整个汽车的市场，电动汽车的研究发展停滞不前。近几年来，随着电力电子方面的科学技术的进步，现在的电动汽车的技术比早期电动汽车有了质的飞越，目前的电动汽车主要以蓄电池的电能为源动力，整个车辆全部或一部分用电机驱动，集中了机、电、化等多个科学研究领域的高的科技新的技术的产品，未来的新型汽车都会向着这个方向发展。同时，电动汽车被多个国家和地区的政府和多个大汽车制造厂商视为优先发展的项目。 按目前电动车辆驱动原理分为纯电动汽车、燃料电池电动汽车、和混合动力电动汽车三种类型【5】。以氢为动力原料的燃料电池汽车产物是水，不仅无污
4、染而且缓解水资源短缺是未来汽车的发展的最理想的目标，但现在看来，技术不全面且成本较高，不适用。混合动力电动汽车是现在最常用的一种过渡车型，可以使用内燃机作为动力源，同时又能够用电池、电机来驱动，一些公司已经推出轿车车型并迅速占入市场，得到业内汽车厂商的一致好评。专家人士预测，将占据在未来 50 年左右的市场。各个国家都在寻找各种的方法来改善人民生活环境，降低能源消耗，电动汽车具有节能环保的作用，便应运而生。电动汽车一般使用可再生能源，其能源多元化与高效化，还可以实现极低的排放，甚至理想的零排放。目前，混合动力电动汽车使用众多的驱动系统地形式中，用轮毂电机驱动的轮边减速驱动结构简单、装配容易是现
5、在的发展方向。轮毂电机驱动的轮边减速驱动系统广泛运用于各种交通系统中【6】，例如：电动摩托车车、矿用车辆、轿车等；图1-1 轮毂电机应用领域1 电动汽车的主要驱动方案 目前电动汽车的驱动方案较少，主要有以下三种：1.1 差速驱动方案这种方案与采用内燃机驱动的汽车的传统方式类似，只是把传统的内燃机换成新型的电动机和相关组件，如图1-2所示。此种方案驱动的电动汽车，其操纵方式与传统的汽车类同。调速器接收踏板和路面经过传感器反应出的速度信号来控制电机的输出转速，然后再经过主减速装置，差速装置以及半轴等组成的一套机械传动装置使车轮获得速度。当车辆转向时，汽车两侧的轮子走过的路径是不一样的，但是此方案的
6、布置含有差速器和半轴等机械装置，是可行的。差速驱动的优点是研究时间长，技术十分成熟，安全性和可靠性都比较高，缺点是体积大而笨重，一系列机械装置使得传递效率很低，对能源造成浪费。图1-2 差速驱动方案1.2 电动轮式驱动方案此种方案与传统的传动方式相比最显著地特点是没有了驱动轴上的半轴和差速器，把行星减速机构和电动机制造成为一个部件，叫做电动轮，电动轮被直接安装到车轮上如图1-3所示。此种方案使用电子差速装置，调速器通过接收转向盘输入的转角信号，来控制汽车车轮的速度和行驶的路程。转向盘输入的信号为0时，汽车两侧电驱动轮依同样的速度转动，车辆直线行驶。转角信号为时，电动调速器依据控制两侧电驱动轮，
7、使其有不等的速度。此方案的优点是传动装置的体积和质量减小了很多，效率得到显著提高，缺点是控制系统比较复杂且成本较高，电子差速响应不具有实时性。图1-3 电动轮驱动方案1.3 轮毂电机驱动方案传统车辆被改造成为电动的汽车，驱动电机一般使用轴伸式地电机，用电机附带减速机构或者直接将动力传递给车轮。轮毂电机式的驱动方案，是把电机安装在车辆轮子的轮毂内，输出转矩直接或者间接传递给驱动轮。此种方案的优点是提高了车体空间的利用率，降低了整车重量以及机械传动过程中各种损耗，同时兼有非常灵活的行驶特性。缺陷是轮胎的直径限制了整个驱动系统占用的尺寸，使得电机的功率都不高。目前，为了达到更好的性能和传动效率，轮毂
8、电机一般采用比较贵重的永磁材料。所以，与其他传动方案相比，电机的设计比较困难、车辆的控制系统比较复杂，成本也相应增加。但是目前各国都在大力发展轮毂电机技术，伴随着电子科学技术创新，控制理论的完善对轮毂永磁电机优化设计启动了推动作用。未来的电动车辆的驱动系统的发展，轮毂电机驱动系统有着导向性的作用，本文便是对轮式特种车辆轮毂电机驱动系统的分析及其减速机构的设计。图1-4 轮毂电机驱动方案2 电动汽车轮毂电机驱动系统的现状电动汽车比燃油汽车早出现几十年，但是轮毂电机技术由于受到电动机、电池和控制技术发展相对落后的制约，早期也不太重视环境、能源问题，致使混合动力汽车技术的研发搁置不前。目前，由于环境
9、与能源的危机，各国以及各汽车制造厂商大力研发轮毂驱动系统的电动汽车。2.1 轮毂电机驱动系统的特点轮毂电机驱动系统是一种近期在电动汽车研究领域起导向潮流作用的，能够实现复杂的动力传递方式。与传统内燃机汽车相比，具有显著地优势和一系列特殊特征：（一）对于动力传递的控制型式由硬连接改为软连接，凭借电子电器控制响应理论，不仅可以实现各个驱动轮减速响应的无级变速和转向时的差速，取消了传统结构中的离合器、减速器、差速器、半轴等机械式地传动装置，降低了整车重量和机械传动过程中损耗，提升了汽车空间利用率和效率。（二）各个驱动车轮的输出力矩直接独立控制，响应快捷，电机的正反转实现车辆的前进或者倒退，十分灵活，
10、瞬时动力响应性能较其他更完备，提升轮式车辆适应恶劣路况的行驶能力【7】。（三）更容易实现轮字的制动以及制动能量回馈，对整车能源实行最优控制技术和运筹管理，提高利用率，节省能源。（四）使整车空间布置和车身造型设计更加自由，把传统车架的承载与传递动力的功能分离开来，结构简单，缩短了新型车辆的研究时间，降低成本。另外，轮毂电机驱动技术可以使车辆转向车轮的差速甚至反转来实现特种车辆的差动转向，一般工况下很大程度地减小了车辆转弯的半径，特殊设计的工况下甚至可以原地转向，具有非常实用地价值。2.2 轮毂电机驱动国外的发展现状国际上很多国家和组织很早已经开始了对轮毂电机驱动系统的电动汽车的研发，日本由于起步
11、早，政府投资力度大，发展最快，处于领先位置【8】。20世纪90年代初，与东京电力公司合作率先开发出IZA；20世纪90年代中期，又联合日本国家环境研究所研制出了ECO；21世纪初，又推出了KAZ，该车理想工况下最高时度311km /h，百米加速仅8s。法国也不甘落后，TM4公司推出了整合永磁电机与减速系统一体化的轮毂电机驱动系统，该车减少了传动的机械装置，电机额定功率18.5kw，峰值功率达80kw，传递效率达96%以上【9】。特斯拉已经成型，并且已经上市，目前虽然成本较高，但是是未来发展的趋势，标志着电动汽车即将占领汽车市场。图1-5 轮毂电机驱动结构图2.3 轮毂电机驱动国内的发展现状随着
12、我国经济的快速发展，对能源需求有了一定程度上的变化，面临能源短缺，环境污染的问题。为了合理控制能源消耗，抑制环境污染，近几年来，电动汽车快速发展。 “十五”期间，国家设立了“电动汽车重大科技专项”，确定了“三纵三横”的研发局势。随着“863”项目的有序进行，各大汽车公司和高校也积极响应号召，研发新的产品，比亚迪在北京车展上2004年展出四个轮毂电机独立驱动的ET概念车。哈尔滨工业大学研究所研发了EV96-1型电动汽车，该车选用一种 “多态电动机”的永磁电动机，具有同步和异步电动机的双重特性，散热方式采用风冷。3 轮毂驱动式电动汽车动力的结构形式目前，研发的轮毂电机驱动系统的电动汽车主要有纯电动
13、的和混合动力两种。但是，目前由于纯电动汽车的续航里程短，充电时间长，配套设施不完善等缺陷，使得纯电动汽车的发展遇到了阻碍，为了满足人们生活的便利和兼顾节能环保，混合动力汽车的研究便迅速得到重视和发展。混合动力电动汽车按照动力总成组成分为三种形式：串联式、并联式、混联式混合动力电动汽车【10】，其功能分别如图1-6所示。图1-6 混合动力电动车的分类3.1 串联式串联式混合动力车辆一般把发动机、发电机和电动机三部分的动力总成用串联方式连接起来组成SHEV动力单元系统【11-12】。发动机燃烧燃料产生机械能带动发电机发电，控制装置再把发出的电能输送到汽车的电池或者轮毂里的电动机，直接或者通过减速机
14、构驱动汽车，使车辆行驶。当车辆处于小负荷工况下，电池驱动轮毂电机，轮毂电机驱动车轮，大负荷工况下，发动机带动发电机发电驱动轮毂电机。当电池组缺电时可以由发动机-发电机组总成向电池组供电。串联式结构适用于在城市内频繁起步和低速运行的工况，通过控制装置调整电池和轮毂电机的输出，实现车辆速度的变化。不足之处是能量转换存在损失，机械效率比较低。3.2 并联式并联式是由发动机和轮毂电机共同驱动车辆，发动机与轮毂电机都是车辆的动力源，可以单独或者协同给车辆提供动力。当车辆需要大功率时，轮毂电机和发动机协同作用，同时为车辆提供动力，使其有足够的动力加速或者爬坡；当车辆处于怠速等一系列需要小功率的工况时，单独
15、使用发动机维持所需的动力，多余电能可以为电池组充电【12】。电动机既是一个电动机又是一个发电机，称之为电动-发电机总成。此种形式没有单独作用的发电机，发动机能够直接经过传动机构将动力传递给驱动轮，与传统的驱动系统差别不大，机械效率与传统汽车几乎一样，应用最广泛。3.3 混联式 混联的结构形式兼有串联与并联两种形式的特点。根据其助力方式分为两种，一是以发动机为主动力源的，电机为辅助；二是以电机为主动力源的，发电机为辅助。此种形式的优势是控制方便，缺陷是结构比较复杂。4 轮毂电机的驱动方式的对比轮毂电机的驱动方式可以分为两类直接驱动和减速驱动 【13-14】。4.1 直接驱动 直接驱动（图1-7）
16、的轮毂电机多采用外转子式，同时为了满足车辆平顺起步和良好的动力性的要求，所选用的电机还需具有低速大转矩和较宽的调速范围的特性。车辆采用直接驱动是由于其不需要减速机构，结构紧凑，轴向尺寸较小，而且效率比采用减速驱动形式高很多，反应快。缺陷是起步或者爬坡等需要承载大扭矩工况下，需要大电流流动，易损坏电池和电机的永磁体。电机高效率地峰值功率区较小，负载电流超过电机稳定值时效率下降很快，主要适用于大部分工况是平路、负载较轻、代步的汽车【15】。图1-7 直接驱动示意图4.2 减速驱动减速驱动（图1-8）一般采用高速的内转子轮毂电机，减速机构不仅能够使车辆保持良好的动力性，而且起到减速增扭的作用，布置在
17、电机和驱动车轮之间。 车辆采用减速驱动是由于其选用的轮毂电机比功率高和工作在高效率区域内，而且占用空间小、质量轻，通过减速机构以后加大了输出扭矩，使加速性以及动力性能变好。另外，输出转矩比较平稳。缺陷之处是润滑困难使齿轮磨损较快、使用地寿命也比较短、散热性能差、噪音污染等。适用于常在丘陵或山区行驶的工况或者过载能力大的车辆。图1-8 减速驱动示意图二、轮毂电机驱动动力组成部分的探究对于本文所探究的用动力电池组与发动机串联的方式的结构如图2-1所示，其动力系统主要由内燃机及其发电机组、轮毂驱动电机、动力电池组和控制装置组成，各部分在整车电控单元（ECU）控制下合理分配工作。该动力系统由内燃机燃烧
18、燃料驱动发电机发电再把电能传给轮毂电机驱动车轮或者通过电池组供电使轮毂电机驱动车轮，发动机的全部机械能减去传递过程中的损耗，都将会被转换器转换成电能来驱动永磁轮毂电动机，在需要输出小功率工况下，发电机转换的剩余的电能可以给动力电池组充电，储存在车辆的动力电池组内。车辆在制动或者下长坡工况下，轮毂电机反馈的电能由电池组吸收，可以整个轮毂驱动系统的工作效率。能量分配机构的作用是控制电能地流向和保护真个系统的安全的作用。电池组也可以从电网充电，亏电情况下，燃料提供能量，同时，也可以为电池组充电。图2-1 串联式混合动力汽车轮毂电机驱动系统动力传递结构图1 轮毂电机的种类随着电子和控制技术地进步，轮毂
19、电机的种类变得繁多，对于轮毂电机驱动系统，电机种类也非常多。1.1 直流电机在早期的电动汽车上多采用直流电动机，但其存在电刷和换向器等机构，过载能力不高与转速低。长时间运行，电刷与换向器等零部件磨损需要更换，需要定期维护，转子存在损耗，散热不易，最关键的是效率很低，所以现在的车用电机一般不采用此种类型地电机。1.2 永磁无刷直流电机永磁无刷直流电动机具有直流电动机的机械特性，而且结构中没有换向器和电刷。选用永磁体作为转子材料，不会产生励磁损耗，直接与空气接触，散热容易，同时电机无换向火花，运行稳定可靠，无无线电干扰，不需要定期维护，使用寿命较长。永磁材料在长期振动或者高温使用过程中，会使其导磁
20、性能下降，甚至可能损坏电动机。所以，在使用过程中需控制其承载量，不能过载。而且操纵复杂，控制系统也较复杂，采用此种轮毂电机驱动成本会很高。1.3 交流感应电机交流感应电机是目前电动汽车应用最广泛的电动机，其定子和转子一般用硅钢片压制而成，之间也没有滑环与换向器等部件，结构简单紧凑，运行可靠，使用寿命长。交流感应电机维修方便，具有良好地环境适应性，功率调节范围广，散热采用空气冷却或者液体冷却两种方式，还可以实现能量再生反馈制动，价格较为便宜，工作效率高，质量可以减轻一半。但是，实现灵活性能调速比较困难，控制系统复杂。1.4 永磁体同步电机永磁体同步电机有利于空间的紧凑，同时也能够提供广泛的调节范
21、围和较高的效率。其转子有两种不同的形式：转子表面贴装磁体和嵌入式或内部安装磁铁或永磁体辅助产生磁阻的转子。表面永磁同步电机（PMSM）能充分利用材料，可以利用尽可能多地磁极通量的产生扭矩，相对于嵌入式转子形式的电机故障更容易处理。因此，电动汽车一般选用转子安装在表面的同步电机。只要改变电流的大小就能改变输出地力矩，甚至实现四象限运行。但是，控制系统相对比较复杂。2 动力蓄电池组2.1 蓄电池的种类作为动力蓄电池的类型主要有：铅酸蓄电池，铅酸电池研究发展时间较长，拥有比较成熟的技术，成本比较低，而且能够高倍率放电，是目前为止唯一可以供大批量生产的电动车用电池。缺点是铅酸电池的比能量、比功率和能量
22、密度都不高，电动车如果搭载此种电池为动力源，车速比较低和续航里程较差，一般用于早期的电动自行车和汽车启动和照明。 镍氢动力电池，比能量、比功率和能量密度都好于铅酸电池，但是由于生产制造其需要重金属，达到使用寿命极限后，处理不恰当会对环境造成污染，与电动汽车的初衷南辕北辙。目前，各国对镍氢动力电池研制刚进入比较成熟的阶段，是所有能被混合动力车辆选用电池体系中，独一经过实际验证，并把其投入生产拥有一定规模的商业化的电池。据统计，镍氢动力电池占据现存在的混合动力车辆用电池99%的市场份额。燃料蓄电池是一种可以把化学能直接转化为电能的装置，其产生的放电产物从装置里面向外排出（氢氧燃料电池）就会产生电流
23、与电压，其容量较大、无污染，是未来理想的电池组。但是，目前由于技术不成熟，制造复杂，没有被市场化，如果采取此类型电池组势必造成成本大大提高。 锂离子电池作为动力电池具有以下优势：输出电压高、比能量大、体积很小、重量轻、使用寿命长、自放电率低、无记忆效应、无污染等，但是，也有其缺陷，由于单块的电压比较低一般只有6v，需要多个电池串联来提高两端电压，多个电池很难能够完成平均的充放电，会导致某单个电池会出现充放电不平衡的现象。综合以上几种蓄电池的特性，我们选择电池组不仅要以性能为首要指标，还要兼顾电动汽车电池制造过程中的质量管理体系【16】。在使用过程中，主电池组和备用电池组在特殊工况下的切换技术的
24、运用尽可能延长电池的使用寿命来最终确定合适的高质量的电池【17】。2.1 蓄电池的数量动力电池组电池的数量与车辆能量分配和车辆运行模式息息相关（以最常用的锂电池为例）。选择较多个数的蓄电池优点是：总容量得到提高，可以经充电机获得较多电能，致使单节电池平摊电流也小，总得放电能力也增强，适合车辆长期在高速、重载、长里程行驶工况下，数量多甚至可以实现纯电动运行。但是缺点是：造成汽车动力管理系统复杂，长期使用过程中，很少使用的电池也得维修和更换，导成本剧增，并且需要配备大功率地充电机。如果配置较少数量的蓄电池，优势是：汽车整体重量减轻，制造和运行成本降低，不足之处是车辆行驶动力性能不好。电池的数量需要
25、综合车辆的长期运行模式来合理选择。为了提高电动汽车的提高循环效率和峰值输出，电动汽车储能系统的功率密度，运用超级电容器作为辅助能源，存储电量来补充主流锂离子的性能【18】。但是，受能量管理系统是否优越的限制。基于上面问题提出了封闭的最佳能源管理解决方案本质上是一个限定时间的控制问题，无限时间优化问题，提供最优的无限时间范围的性能目标，同时保证稳定性【19】。3 发电机由于发电机与电动机之间的拓扑关系，需要能够提供动力源三者相互协调工作，另外发电机与电动机构造大致相同，元件的连接方式也基本相同，因此这里不再重复说明发电机的情况。所以，发电机是在满足发动机功率要求下，一般选择与电动机同类型的电机。
26、4 控制系统混合动力电动汽车的控制系统主要与汽车的灵活性相关，主要作用时可以控制从各个零部件流进或流出的能量。其设计目标是最大的燃油经济性、最小的排放、驱动系统成本最低以及理想的性能（加速性能、行驶里程、易于操纵性、噪声等）【20】。混合驱动系统是一个复杂的系统，辅助动力单元（APU，Auxiliary Power Unit）工作点、电池的充放电特性、电压等都会对汽车的燃油消耗和排放产生影响。最终目标是开发合适的控制方法来优化整个驱动系统使零部件工作在高效区【21】。4.1 行驶里程延伸型行驶里程延伸型的主要是以延长电动车辆的行驶里程为最终目标，在普通电动车辆上增加一个APU，及时蓄电池充电或
27、承担部分的车辆行驶功率，减少蓄电池的能量消耗。通常，这种类型的电动车辆都装备有一个较大容量的电池组和一个小型的 APU，混合传动比较大。车辆的性能主要依赖于电池的性能，与没有 APU 的情况下相比，电池放电的速度减慢。但是，APU 的功率不足够以维持蓄电池的 SOC，这种类型也称之为“电量耗尽混合型”，循环工况结束时的 SOC 值低于开始时的 SOC 值，蓄电池必须有外接电源来为其充电。4.2 连续模式这种型式与延长行驶里程不同的是，APU 具有较大的额定功率。蓄电池的 SOC 值在循环工况终了时与循环工况开始前相等，这种驱动类型也称为“电量维持混合型”。它只需要较小的蓄电池型号，因为蓄电池主
28、要用于应付所需要的峰值功率以及回收再生制动的能量。 4.3 中间模式这种类型介于以上两种型式之间。汽车可以在某些行驶区域以纯电动形式来行驶，如城市中心区域。APU 设计的功率应该可以在汽车运行时给蓄电池来充电，蓄电池设计的功率应该足以满足汽车在纯电动区域行驶。4.4 控制方法APU 的功率可以根据电池电压、行驶区间（城市或乡村）态、车辆速度、 SOC（荷电状态）、SOC 偏差数、功率分配、所需的驱动功率以及APU 功率增加速度等来协调控制车辆的各种工况。当在恒速下行驶时，需要较小的 APU 功率，当在比较复杂的工况下行驶时，APU 功率慢慢地增加，用一个微处理器根据所需要的驱动功率的大小来调节
29、 APU 的功率，尽可能使APU 功率与 SOC 成线性关系。三、小结本文主要从电动汽车的三大车型中，选出过渡型式的混合动力车辆，进行了分析和探究。（一）从整车的发动机、车身、底盘、电器出发，主要对动力传递方式的多种类型中，探讨了最为流行的轮毂电机的驱动形式。（二）分别从电动机、电池组、发电机以及控制系统的四大组成轮毂电机的驱动部分，描述了主要存在的种类以及型式等。对于未来的发展，电动汽车虽然有其不可动摇的中间地位，但是目前来说，其续航里程短、充电速度慢、控制系统相对比较复杂以及影响转向轻便性（主要指轮毂电机安装在转向轮）等许多难题需要我们解决。参考文献1全球汽车保有量与中国汽车保有量J.时代
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