纯电动汽车驱动系统的技术现状与发展趋势

尹彦秋 张俊深

摘要：发展新能源汽车，已然成为我国汽车产业由大向强，实现弯道超车的必然选择。自2012年7月国务院发布实施节能与新能源汽车产业发展规划以来，我国新能源汽车产业技术得到显著提升，产业体系日趋完善，产销量和保有量连续多年保持世界第一，新能源汽车尤其是纯电动汽车发展成绩显著，已成为引领全球汽车产业转型发展的中坚力量。本文从纯电动汽车结构驱动控制技术、驱动电机和减速器等技术角度总结了纯电动汽车驱动系统的发展现状，探讨了当前纯电动汽车驱动系统相关技术所面临的技术难点和未来发展方向。

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.

关键词：纯电动汽车;驱动技术;控制技术;减速器

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

中图分类号：U463.1                        文献标识码：A                   文章编号：1674-957X（2021）17-0215-03

0  引言

当前，全球能源结构和社会运行方式正朝着革命性、颠覆新方向转变，新一轮汽车科技和产业革命已经蓬勃发展，这些都使得新能源汽车产业面临前所未有的发展机遇，各国政府为确保本国成为引领世界汽车产业转型的重要力量，纷纷出台相关政策法规积极引导本国新能源汽车产业发展，鼓励新能源汽车的技术研究与产业化应用，并通过对传统燃油车的禁售，来加速这一转型进程。

纯电动汽车作为一种典型的高新技术产品，集成了机械、电子、电化学、能源与新材料、计算机科学、信息技术等多种高新技术于一体，具备结构简单、使用维护保养方便，在行驶过程中污染物零排放、低噪声、 高传动效率等特点，成为当前汽车产业的创新热点和发展方向。本文从纯电动汽车结构、控制技术、驱动技术和减速器等专业技术角度总结了纯电动汽车驱动系统的发展现状，探讨了当前纯电动汽车驱动系统相关技术所面临的技术难点和未来发展方向。

1  纯电动汽车驱动系统

纯电动汽车驱动系统作为纯电动汽车汽车“三电”（电机、电控、电池）系统核心技术之一，主要由驱动控制系统、驱动电机和减速器等部件构成，如图1所示。驱动电机和驱动控制系统作为纯电动汽车驱动系统中的关键技术，其技术水平直接决定了纯电动汽车整车的动力性、经济性和客户的驾乘感受。现阶段纯电动汽车按照驱动系统布置形式分为：集中式驱动布置和分布式驱动布置两種。

1.1 集中式驱动

作为当前纯电动汽车的主流驱动系统构型，纯电动汽车集中式驱动系统主要采用驱动电机和减速器替代传统燃油车动力总成系统来实现驱动系统的电动化。典型的纯电动汽车集中式驱动系统结构如图1所示，集中式驱动系统继承了传统燃油汽车的机械耦合装置，并保留了相关机械部件。集中式驱动系统以其高集成度的特点，决定了纯电动汽车驱动系统总成结构变得更简单，对动力系统的改动很少，布局更紧凑，布置也更方便。按照纯电动汽车不同的驱动需求，纯电动汽车集中式驱动系统可通过前轴或后轴灵活安装，实现“前轮驱动”、“后轮驱动”或“四轮驱动”。采用的高功率密度的驱动电机的高效率区间覆盖范围，远远超过传统内燃发动机的高效率区间范围，较成熟的控制技术使得集中式驱动系统兼具传统燃油汽车无法比拟的从零转速即可达到最大转矩的响应时间，且无换挡冲击。按照纯电动汽车驱动系统集成度的不同，集中式驱动系统典型结构如图2所示，主要分为：分体式、简单集成、复杂集成、深度集成。

1.2 分布式驅动

纯电动汽车分布式驱动系统相较于集中式驱动系统，典型的纯电动汽车分布式驱动系统结构如图3所示，就是将驱动电机直接安装在车轮上，通过机械耦合装置的整合，不仅实现了车辆结构简化，缩短了动力传递路径，进一步提高了传动效率，还提升了车辆的操纵性。纯电动汽车分布式驱动系统按照结构形式的不同，主要分为：轮边驱动和轮毂驱动。不同于轮毂驱动和集中式驱动所采用的内转子驱动电机，轮边电机采用外转子驱动电机。

轮边驱动是将驱动电机直接安装在车轮内侧，通过机械耦合装置单独驱动车轮。轮毂驱动则是通过将驱动电机和机械耦合装置整合至轮毂中，不需要任何齿轮机构，极大的简化了纯电动汽车的驱动系统结构。通过对驱动电机采用低速区转矩输出稳定矢量控制，能够很好的实现驱动电机转矩与磁链解耦，实现对驱动电机输出转速的控制。

按照纯电动汽车不同的驱动需求，纯电动汽车分布式驱动系统可灵活安装车轮上，实现“前轮驱动”、“后轮驱动”或“四轮独立驱动”。虽然目前大部分电动汽车采用集中电机驱动，但轮边电机驱动已开始应用于客车和商用车市场上。轮毂电机驱动虽然还处于研发和小批量试产阶段，但却是未来新能源汽车电驱动系统的发展方向，其中Protean Electric公司开发的一体化集成驱动轮毂电机系统ProteanDrive，其Pdl8轮毂电机动力性能突出，以不到40kg的重量，提供最高80kW的功率和1250N·m的扭矩。

2  纯电动汽车驱动系统关键技术

2.1 驱动电机技术

作为纯电动汽车驱动系统核心部件的驱动电机，其性能决定了纯电动汽车的主要性能指标，并成为直接影响车辆动力性能、经济性能和驾乘感受等关键因素之一。目前行业所采用的驱动电机主要分为直流电机和交流电机。相较于直流电机的简单控制，交流电机的控制则相对复杂得多，得益于过去几十年电控技术的发展，尤其是高速数字处理器和复杂算法等成熟技术的应用，使得交流电机在纯电动汽车应用越来越广泛。当前纯电动汽车普遍采用的诸如感应电机、PM（永磁）电机和开关磁阻电机都属于交流和无刷电机。

按照转子结构形式区分，交流感应电机分笼型感应电机和转子式感应电机。由于笼型感应电机成本较低、效率高、结构坚固可靠的特点，相较于转子式感应电机，其更适合应用于纯电动汽车上。

PM（永磁）电机主要通过永磁体来产生气隙磁通，实际利用永磁体替代了直流电机中的磁场线圈和感应电机中定子的励磁体。其大致可分为永磁同步电机（PMSM）和永磁无刷直流电机（PMBLDC）两类。永磁无刷直流电机（PMBLDC）因控制相对简单，且存在梯形反电动势，因此主要应用在工业领域中。永磁同步电机（PMSM）结构包括面贴式、插入式和内置式，其驱动原理类似感应电机，具有响应速度快、高功率密度和高效率的优点，并且可以对其进行矢量控制和dq变换，被作为纯电动汽车驱动电机的首选。

2.2 驱动控制技术

面对复杂的运行环境及严苛的工况条件，要求纯电动汽车驱动系统必须具备较高技参数指标，能够从容应对频繁的启、停和加、减速，以及低速和爬坡时低速高转矩和，高速低转距需求，并要求具备宽泛的调速区间驱动电机的输出动作主要是靠控制单元给定命令执行，即控制器输出命令。如图4所示，驱动控制器主要是将输入的直流电逆变成电压、频率可调的三相交流电，供给配套的三相交流永磁同步电机使用。传统的线性控制（PID），已不能满足高性能驱动电机的苛刻要求。当前，随着先进控制技术及控制理论研究的深入和发展，出现了包括自适应控制、模糊控制、变结构控制和神经网络控制等先进控制策略。

2.3 减速器技术

目前，各大汽车厂商的纯电动汽车驱动系统均采用驱动电机匹配单级减速器的构型。单挡减速器动力传动机械部分是依靠两级齿轮副来实现减速增扭。其按功用和位置分为以下组件：右箱体、左箱体、输入轴组件、中间轴组件、差速器组件，以及P挡驻车组件。如图5所示为单挡减速器动力传递路线：驱动电机→输入轴→输入轴轴齿→中间轴齿轮→中间轴轴齿→差速器半轴齿轮→左右半轴→左右车轮。

单从结构上来说，两档减速器结构相对更为复杂，如图6所示为两档减速器结构图，包括左箱体、右箱体、输入组件、输出组件、同步器、中间轴组件以及P挡驻车组件。对比单挡减速器，两档减速器可在相对复杂路况条件下选择低速高扭或高速低扭输出。当减速器处于一档档位时，同步器齿套与输出轴齿轮啮合，此时，减速器的减速比为两级齿轮的传动比，适用于高扭矩、低速，适用于起步或爬坡路段。当减速器处于二挡档位，同步器齿套与输入轴齿轮啮合，此时，减速器的减速比为1，适用于低扭矩、高速，适用于平坦提速或高速路段。两档减速器的使用，能够让电机尽量工作在高效率的转速区间，降低了能量损耗、提高了续航里程。

3  纯电动汽车驱动系统存在的技术难点及发展趋势

纯电动汽车驱动系统开发主要涉及零部件关键共性技术、系统集成技术、测试验证技术和产业化应用技术。目前，我国通过构建以企业为主体、市场为导向、产学研用协同技术创新体系的建立，使得我们在驱动系统关键核心技术上取得了一定突破，产业基础能力得到提升，一批高功率、高转速、复杂集成度的驱动系统总成已经产业化应用。但是我们应始终明白，我们与国际先进水平的差距还很明显，尤其是在零部件共性技术上，差距明显。

因此，我们必须继续加大技术研发投入力度：

①在驱动控制技术上，我们应该将功率密度倍增和效率提升作为重点技术突破，通过新材料（全Si半导体）、新工艺（采用双面焊接技术）的应用，力争将驱动控制器的功率提升至300kW，功率密度达到40kW/L、效率再提升0.2～0.3%。②在驱动技术上，通过磁、电、热耦合优化并伴随高导低损材料和模块级联技术的应用，确保驱动电机在转速上超过16000rpm，功率密度在现有技术指标数上再提高30%，达到4kW/kg，满足整车高功率和高转矩的要求。③在减速器技术上，通过NVH性能提升、系统效率提升和转速提升，将减速器的转速提升至18000rpm以上，系统效率大于97%，再通过多挡减速器的开发，进一步提升整车的加速性能，提高最高车速。

4  结语

本文通过对纯电动汽车驱动系统结构及关键技术特性进行了阐述，并对未来驱动系统的发展方向进行了展望。通过高功率密度、高效率，高转速的永磁同步驱动电机和多挡减速器的应用，一定会进一步提升整车的动力性和经济性，有利于纯电动汽车推广应用。

作为新兴事物，纯电动汽车驱动系统仍旧存在许多技术难点等着我们更加深入的进行研究。但是我们应相信，随着新材料和新技术的发展应用，数字化、深度集成化和智能化的纯电动汽车驱动系统一定会是未来的发展方向。

参考文献：

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