第二节　纯电动汽车的驱动系统

一、纯电动汽车的驱动系统的组成

纯电动汽车驱动系统的组成如图2-7所示，主要由中央控制单元、驱动控制器、驱动电动机、机械传动装置等组成。为适应驾驶人的传统操纵习惯，纯电动汽车仍保留了加速踏板、制动踏板及有关操纵手柄或按钮等。不过在电动汽车上是将加速踏板、制动踏板的机械位移量转换为相应的电信号输入到中央控制单元来对汽车的行驶实行控制的。对于挡位变速杆，为遵循驾驶人的传统习惯，一般仍需保留，同样除传统的驱动模式外也就只有前进、空挡、倒退三个挡位，并且以开关信号传输到中央控制单元来对汽车进行前进、停车、倒车控制。

1.中央控制单元

中央控制单元不仅是驱动系统的控制中心，还要对整辆纯电动汽车的控制起到协调作用。它根据加速踏板与制动踏板的输入信号，向驱动控制器发出相应的控制指令，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，中央控制单元配合车载电源模块的能源管理系统进行发电回馈，使蓄电池反向充电。对于与汽车行驶状况有关的速度、功率、电压、电流及有关故障诊断等信息，还需传输到辅助模块的驾驶室显示操纵台进行相应的数字或模拟显示，也可采用液晶屏幕显示来提高其信息量。另外，如驱动系统采用轮毂电动机分散驱动方式，当汽车转弯时，中央控制单元也需与辅助模块的动力转向单元配合，即控制左右轮毂电动机来实行电子差速转向。为减少纯电动汽车各个控制部分间的硬件连线，提高可靠性，当代汽车控制系统已较多地采用了微机多CPU总线控制方式，特别是对于采用轮毂电动机进行4WD前后四轮驱动控制的模式，更需要运用总线控制技术来简化纯电动汽车内部线路的布局，提高其可靠性，也便于故障诊断和维修，并且采用该模块化结构，一旦技术成熟，其成本也将随批量的增加而大幅下降。

2.驱动控制器

驱动控制器的功能是按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。驱动控制器与驱动电动机必须配套使用，目前对驱动电动机的调速主要采用调压、调频等方式，这主要取决于所选用的驱动电动机类型。由于动力蓄电池组以直流电方式供电，所以对于直流电动机主要是通过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；对于磁阻电动机是通过控制其脉冲频率来进行调速。当汽车倒车时，需通过驱动控制器使驱动电动机反转来驱动车轮反向行驶。当纯电动汽车处于减速和下坡滑行时，驱动控制器使驱动电动机运行于发电状态，驱动电动机利用其惯性发电，将电能通过驱动控制器回馈给动力蓄电池组，所以驱动控制器与动力蓄电池组电源的电能流向是双向的。

3.驱动电动机

驱动电动机在纯电动汽车中被要求承担电动机和发电机的双重功能，即在正常行驶时发挥其主要的电动机功能，将电能转化为机械能；而在减速和下坡滑行时又被要求进行发电，将车轮的惯性动能转换为电能。对驱动电动机的选型一定要根据其负载特性来进行。由对汽车行驶时的特性分析可知，汽车在起步和上坡时要求有较大的启动转矩和相当的短时过载能力，并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，在高速时为恒功率输出。驱动电动机与驱动控制器所组成的驱动系统是纯电动汽车中最为关键的部件，纯电动汽车的运行性能主要取决于驱动系统的类型和性能，它直接影响着汽车的各项性能指标，如汽车在各工况下的行驶速度、加速与爬坡性能及能源转换效率。

4.机械传动装置

纯电动汽车机械传动装置的作用是，将驱动电动机的驱动转矩传输给汽车的驱动轴，从而带动汽车车轮行驶。由于驱动电动机本身具有较好的调速特性，其变速机构可被大大简化，较多的是为放大驱动电动机的输出转矩仅采用一种固定的减速装置。又因为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。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。对驱动电动机在车架上合理布局，即可省去传动轴、万向节等传动部件。当采用轮毂电动机分散驱动方式时，又可以省去传统汽车的驱动桥、机械差速器、半轴等一切传动部件，所以该驱动方式也可被称为“零传动”方式。

二、纯电动汽车驱动系统的布置

由于纯电动汽车是单纯用蓄电池作为驱动能源的汽车，采用合理的驱动系统布置形式来充分发挥电动机驱动的优势是尤其重要的。纯电动汽车驱动系统布置的原则是，符合车辆动力学对汽车重心位置的要求，并尽可能降低车辆质心高度。特别是对于采用轮毂电动机驱动实现“零传动”方式的纯电动汽车，不仅去掉了发动机、冷却系统、排气消声系统和油箱等相应的辅助装置，还省去了变速器、驱动桥及所有传动链，既减轻了汽车自重，也留出了许多空间，其结构可以说发生了脱胎换骨的变化。车辆的整个结构布局需重新设计并全面考虑各种因素。

如图2-8所示，纯电动汽车的驱动系统布置形式目前主要有4种基本典型结构，即传统的驱动方式、电动机-驱动桥组合式驱动方式、电动机-驱动桥整体式驱动方式、轮毂电动机分散驱动方式。

1—驱动电动机；2—离合器；3—变速器；4—传动轴；5—驱动桥；6—电动机-驱动桥组合式驱动系统；7—电动机-驱动桥整体式驱动系统；8—轮毂电动机；9—转向器

1.传统驱动系统布置形式

如图2-8（a）和图2-9（a）所示，该驱动系统仍然采用内燃机汽车的驱动系统布置方式，包括离合器、变速器、传动轴和驱动桥等总成，只是将内燃机换成电动机，属于改造型电动汽车。这种布置方式可以提高纯电动汽车的启动转矩，增加低速时纯电动汽车的后备功率。这种驱动系统布置形式有电动机前置-驱动桥前置（F-F）、电动机前置-驱动桥后置（F-R）等驱动模式。但是，这种驱动系统布置形式结构复杂、效率低，不能充分发挥驱动电动机的性能。在此基础上，还有一种简化的传统驱动系统布置形式，如图2-9（b）所示，采用固定速比减速器，去掉离合器，这种驱动系统布置形式可减少机械传动装置的质量，缩小其体积。

C—离合器；D—差速器；FG—固定速比减速器；GB—变速器；M—驱动电动机

传统驱动系统布置形式的工作原理类同于传统汽车，离合器用来切断或接通驱动电动机到车轮之间传递动力的机械装置，变速器是一套具有不同速比的齿轮机构，驾驶人按需要来选择不同的挡位，使得低速时车轮获得大转矩低转速，而高速时车轮获得小转矩高转速。由于采用了调速电动机，其变速器可相应简化，挡位数一般有2个就够了，倒挡也可利用驱动电动机的正反转来实现。驱动桥内的机械式差速器使得汽车在转弯时左右车轮以不同的转速行驶。这种模式主要用于早期的纯电动汽车，省去了较多的设计，也适于对原有汽车的改造。

2.电动机-驱动桥组合式驱动系统布置形式

如图2-8（b）所示，这种驱动系统布置形式即在驱动电动机端盖的输出轴处加装减速齿轮和差速器等，电动机、固定速比减速器、差速器的轴互相平行，一起组合成一个驱动整体。它通过固定速比的减速器来放大驱动电动机的输出转矩，但没有可选的变速挡位，也就省掉了离合器。这种布置形式的机械传动机构紧凑，传动效率较高，便于安装。但这种布置形式对驱动电动机的调速要求较高。按传统汽车的驱动模式来说，可以有驱动电动机前置-驱动桥前置（F-F，图2-10）或驱动电动机后置-驱动桥后置（R-R）两种方式。这种驱动系统布置形式具有良好的通用性和互换性，便于在现有的汽车底盘上安装，使用、维修也较方便。

3.电动机-驱动桥整体式驱动系统布置形式

如图2-8（c）和图2-11所示，这种驱动系统布置形式与发动机横向前置-前轮驱动的内燃机汽车的布置方式类似，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。电动机-驱动桥整体式驱动系统布置形式有同轴式［图2-11（a）］和双联式［图2-11（b）］两种。

①如图2-12所示，同轴式驱动系统的电动机轴是一种特殊制造的空心轴，在电动机左端输出轴处的装置装有减速齿轮和差速器，再由差速器带动左右半轴，左半轴直接带动，而右半轴通过电动机的空心轴来带动。

1—左半轴；2—驱动电动机转子；3—驱动电动机外壳；4—右半轴；5—驱动电动机空心轴；6—驱动桥差速器

②如图2-13所示，双联式驱动系统也称为双电动机驱动系统，由左右2台永磁电动机直接通过固定速比减速器分别驱动两个车轮，左右2台电动机由中间的电控差速器控制，每个驱动电动机的转速可以独立地调节控制，便于实现电子差速，不必选用机械差速器。

1—左半轴；2—左驱动电动机；3—电控差速器；4—右驱动电动机；5—右半轴

③如图2-14所示，汽车转弯时，前一种采用机械式差速器，后一种采用电控差速器。电控差速器的优点是体积小、质量轻，在汽车转弯时可以实现精确的电子控制，提高纯电动汽车的性能。其缺点是由于增加了驱动电动机和功率转换器，增加了初始成本，而且在不同条件下对2个驱动电动机进行精确控制的可靠性需要进一步发展。同样，电动机-驱动桥整体式驱动系统在汽车上的布局也有电动机前置-驱动桥前置（F-F）和电动机后置-驱动桥后置（R-R）两种驱动模式。该电动机-驱动桥构成的机电一体化整体式驱动系统，具有结构更紧凑、传动效率高、重量轻、体积小、安装方便的特点，并具有良好的通用性和互换性，在小型电动汽车上应用最普遍。

4.轮毂电动机分散驱动式驱动系统布置形式

①如图2-15所示，内定子外转子轮毂电动机分散驱动式驱动系统布置形式采用低速内定子外转子电动机，其外转子直接安装在车轮的轮缘上，可完全去掉变速装置，驱动电动机转速和车轮转速相等，车轮转速和车速控制完全取决于驱动电动机的转速控制。由于不通过机械减速，通常要求驱动电动机为低速大转矩电动机。低速内定子外转子电动机结构简单，无需齿轮变速传动机构，但其体积大、质量大、成本高。

②如图2-16所示，内转子外定子轮毂电动机分散驱动式驱动系统布置形式采用一般的高速内转子外定子电动机，其转子作为输出轴与固定减速比的行星齿轮变速器的太阳轮相连，而车轮轮毂通常与其齿圈连接，它能提供较大的减速比，来放大其输出转矩。驱动电动机装在车轮内，形成轮毂电动机，可进一步缩短从驱动电动机到驱动轮的传递路径；采用高速内转子电动机（转速约10000r/min），需装固定速比减速器来降低车速，—般采用高减速比行星齿轮减速装置，安装在电动机输出轴和车轮轮缘之间，且输入和输出轴可布置在同一条轴线上。高速内转子电动机具有体积小、质量轻和成本低的优点，但它需要加行星齿轮变速机构。

采用轮毂电动机驱动可大大缩短从驱动电动机到驱动车轮的传递路径，不仅能腾出大量的有效空间便于总体布局，而且对于前一种内定子外转子结构，也大大提高了对车轮的动态响应控制性能。每台驱动电动机的转速可独立调节控制，便于实现电子差速。既省去了机械差速器，也有利于提高汽车转弯时的操控性。轮毂电动机分散驱动在汽车上的布置方式可以有双前轮驱动、双后轮驱动和4WD（4 WheelDrive）前后四轮驱动等模式。轮毂式电动机分散驱动方式应是未来纯电动汽车驱动系统的发展方向。

目前，较主流的纯电动汽车整车控制系统都采用CAN总线通信连接，这样不仅大大提高了控制的效率和稳定性，而且能实现数字控制。纯电动汽车驱动电动机、蓄电池等执行动力部分的状态信号被发送到CAN总线，最终传输到显示终端提供给驾驶人，以实现整车控制。新的电子控制系统在传统汽车上应用不多，但其对纯电动汽车的工作有着重要影响。与国外相比，目前我国还有一定的差距，但是随着电动机驱动系统的发展及各种新技术、新材料的应用，国内外在这方面的差距将越来越小。

新型纯电动汽车整车控制系统是两条总线的网络结构，高速CAN总线每个节点为各子系统的ECU；低速总线按物理位置设置节点，基本原则是基于空间位置的区域自治。实现整车网络化控制，其意义不只是解决汽车电子化中出现的线路复杂和线束增加问题，网络化实现的通信和资源共享能力成为新的电子与计算机技术在汽车上应用的一个基础，同时也为X-by-Wire技术提供有力的支撑。