新能源汽车电驱系统的工作原理、布置分类

新能源汽车有着效率高、零排放、环境友好、控制状态不会受到外界影响等优点，其占有量也越来越多。新能源商用车也在这一过程中应运而生。而新能源汽车与传统现代汽车的区别主要在于新能源汽车的驱动方式改为了电驱动。电驱动系统主要分为驱动电机、变速器、功率变换器、控制器四大部分。电驱动系统是整个新能源汽车的核心所在，直接影响其经济性、安全性、可靠性等性能。

1 电驱系统简介  

新能源汽车结构主要是由电驱动系统、底盘部分、车身构架以及各种相关辅助装置等部分组成。除电力驱动系统部分外，其余部分的功能和结构组成大体与传统汽车类同，但有些部件因所选驱动方式的不同，被简化改动或者替换撤除了。电力驱动系统的组成与工作原理如图1所示，可划分为辅助模块、车载电源模块、电力驱动主模块三大部分。

图1 电力驱动系统的组成与工作原理图

2 电驱系统的布置分类及其特性  

1）中央电驱总成如图2所示，将驱动电机与变速箱集成在一起，替代传统的发动机和变速箱，但仍需要传动轴以及传统车桥。在布置形式方面与传统汽车动力总成相近。且传动路线长、能量损耗较大，系统效率低；底部空间被大量占据，导致动力电池布置困难。如德国采埃孚股份公司生产的型号为CeTrax的中央电驱总成，如图3所示，该款系统方案适用于低层和高层客车。CeTrax基于“即插即用（plug-and-drive）”设计方法，可被整合到当前车用平台中，且无需对底盘、前后桥或差速器进行较大的改动。最大输出及峰值扭矩分别达到300 kW和4 400 N·m。我国陕西法士特汽车传动集团有限责任公司的电驱产品以中央电驱总成为主。

图2 中央电驱总成

 

2）集成电驱动桥（平行轴/同轴/垂直轴）如图4所示，将传统驱动桥和电机集成在一起，电机经过减速增扭后直接用于驱动车轮。节省了以往的传动轴、悬置支架等零部件，这使得装车的成本变低；传动效率高；占用的空间小，且更方便于动力电池包的布置；而在NVH方面效果差；簧下质量大并且偏置，整车的可操控性不高。如青特集团有限公司生产的型号为QT130SPE的两挡集成式驱动桥，如图5所示，适用于49T牵引车，额定载荷13 t。双磁边换挡方案，换挡平顺，驾驶体验更加愉悦。传统系统集成度集成有效释放底盘空间，通过性更好。

图4 集成电驱动桥

 

3）轮边电驱动桥如图6所示，高度集成化的电机、减速器以及传统驱动桥，取消了传动轴和差速器，由于其采用了电子化差速传动，故传动效率高；且占用的空间小，动力电池布置更加方便；但簧下质量较大，对于整车操控性不利，且电子差速控制难度大。如德国采埃孚股份公司生产的型号为AVE130的轮边驱动桥，如图7所示，电机类型采用异步电机，应用于10 m～18 m客车，最大功率为2×125 kW，最大轴荷质量13 000 kg，其控制器逆变器未集成在车桥上，带有两级减速机构。

图6 轮边电驱动桥

 

4）轮毂电机桥如图8所示，轮毂电机部分与驱动桥部分进行了高度集成[1]，驱动电机直接驱动车轮是未来的发展方向。这种驱动系统传动效率最高，且具有重量轻、能耗低等优点；制动能量回收效率更是接近100%，但造价成本高。电机尺寸大时存在过热、退磁、产业链体系等问题，目前，这方面的技术不成熟。如荷兰e-Traction公司生产的轮毂电驱桥，如图9所示，零排放、较低的使用成本，从电池到车轮效率高达94%，比普通电驱动系统高出15%，减少了活动部件。续航里程提高20%，电池尺寸降低20%。易维护低噪音、高舒适性高冗余的车轮独立控制占地面积小、空间利用率高，控制方式灵活，适用于12 m～18 m客车及货车，应用领域广泛。

图8 轮毂电机桥

 

5）国内外部分电驱动产品一览表如表1所示。

表1 国内外部分电驱动产品一览表

通过上述分析可知，目前，新能源商用车常见的电驱动系统类型主要为中央集成式电驱系统、轮边电驱动桥、集成电驱动桥。其中，中央集成式同轴电驱动桥用于中型、重型货车以及宽体自卸车。轮边电驱动桥则常用于10 m以上的大巴客车系列。集成电驱动桥常用于货车及6 m～7 m中巴客车系列。而集成电驱桥又分为平行轴、同轴、垂直轴三种形式。其中，垂直轴集成电驱桥的驱动电机与驱动桥以垂直的角度进行连接传动，采用双曲面齿轮减速方式，速比较小，系统功率密度低。平行轴集成电驱桥，电机与驱动桥呈平行状态布置，电机多偏置。多采用圆柱齿轮传动，速比大，功率密度高；由于簧下质量大且偏置，故而整车操控性、舒适性较差。国内集成式电驱桥多采用平行轴式。

集成电驱桥与中央驱动系统相比，在电机、减速器、差速器与车桥方面，集成化程度高；自动变速器设计与控制、电驱系统控制技术难度小；底盘占用空间小，电池布置方便；能实现较高的能量回收，重量轻，比中央驱动低10%～25%，有效降低电耗，电机转速高，外形尺寸小，功率密度高。但电机、变速箱在悬架之下，簧下质量大，不利于整车操控性和舒适性提高。在自动变速器设计与控制、电驱系统控制技术、商用车驱动桥方面的开发难度大。中央驱动系统的电机、变速箱在悬架之上，簧下质量小，整车操控性、舒适性较高。自动变速器设计与控制、电驱系统控制技术开发难度小。

3 重卡领域电驱系统方案分析   3.1 新能源重卡电驱动系统现状    

在搭配低速电机的电驱系统整体构型有低速大扭矩单/双电机直驱型和低速电机搭配AMT变速箱型，两者的优缺点如表2所示。

表2 不同电驱动类型优缺点一览表

3.2 电机+减速器与电机+多档变速箱方案对比    

1）为同时满足上坡加速以及最高车速的动力性能需求，采用固定档减速器类型的电动汽车需要和大扭矩、高转速的驱动电机匹配，两方案之间对比如图10、图11所示。

图10 两方案扭矩-转速对比关系图

图11 两方案扭矩-转速对比关系图

2）采用两档AMT的电动汽车[2-3]，用增大一档传动比的方法来满足上坡、加速、复杂路段情况下对驱动力的要求，用减小二档传动比来满足在最高车速对电机的高转速要求，进而使得电机的最大扭矩值和最高转速值降低[4]。

3）在整体车辆性能的相关参数保持不变的前提条件下，采用两档AMT将会大大增加电动机处于最佳效率区工作的概率，如图12所示，进而使得整车的经济性和续航里程得到大幅度的改善。

图12 两档?AMT工作效率对比图

4）从成本角度来看，与固定档减速器相比，虽然改为采用两档变速器令变速器的成本提升了1 000～3 000元，但是与此同时，在电机和电池方面的成本有一定程度的下降，由于工作效率的提升使百公里的用电量降低，进而降低了用电成本，也使得充电频次降低，工作周期变长。从电池的寿命周期角度来看，采用两档变速器将使得电动车全生命周期成本下降。

5）从舒适性角度来看，多档变速器在高车速时通过高传动比降低了电机的工作转速，从而改善了整车的NVH特性（工作过程中产生的噪声、振动与声振粗糙度，这是衡量汽车用户舒适性的指标之一）。而且，提高舒适性的前提是尽可能地解决多档变速器在换档过程中产生的冲击振动而造成的舒适性技术难点。

汽车自动变速器主要有液力自动变速箱（AT）、机械无级自动变速箱（CVT）、电控机械自动变速箱（AMT）和双离合自动变速箱[5]。其中，AMT具有效率高、成本低、结构简单、生产继承性好、维修保养方便等优点，最为适合纯电动商用车汽车使用。

3.3 新能源重卡电驱动系统发展趋势    

目前，新能源电驱系统主要构型有低速大扭矩单电机或低速大扭矩双电机直驱型，低速电机搭配AMT变速箱型，高速电机搭配减速器型等。部分整体系统构型分类及技术难点如表3所示。

表3 不同驱动类型及技术难点一览表

3.4 新能源重卡发展趋势    

随着业界对新能源重卡的开发与研究，考虑到经济性、集成度、安全性等主要因素与轻量化、高速化、高效率、高可靠性、良好的NVH的电驱系统未来发展趋势相结合，新能源重卡发展趋势主要有以下几个方面。

1）低制作成本和低维护费用。新能源重卡在日常的使用过程中，充电桩、车辆保养、电池寿命都需要一定的资金投入。为保证经济性要求，追求更低成本和维护费用是推广新能源汽车的主要目标之一。

2）车身质量的轻量化，电控系统的模块化。自身质量越大，在工作过程中的电池能耗就越高。电驱系统需要控制的部件更多更复杂，而模块化是一种将复杂系统分解为更好的可管理模块的方式。在轻量化、优化自身结构的同时，还需满足强度要求，提升原材料的利用率。使其高速化，降低电机扭矩；高效率，降低整车能耗。

3）更大的爬坡度及较强的动力性能。电驱动系统所能提供的动力受制于电机功率、电池大小等因素。重卡汽车自身质量较重且负载量较高，往往在爬坡、道路状况较差（泥泞、多坑等）时出现动力不足的情况。

4）低能耗及高可靠性。续航里程是新能源汽车的重要性能指标之一，在新能源重卡运行过程中更是显得尤为重要。剩余里程的多少，复杂路况下的能耗情况，都对可靠性提出了更高程度的要求。深入进行载荷谱研究，找出易损元件，增加整体系统的工作寿命。加强极限工作状况下的仿真分析和试验验证能力。

5）良好的驾乘体验。用高功率和扭矩密度来获得更好的加速、复杂路况、上坡、超车性能。优化电驱系统自身的NVH，从而实现整车NVH品质的提升。

4 结语  

综上所述，课题小组介绍了电驱动工作原理、布置形式的分类和具体产品，简述了现阶段电驱动系统构型和实现方案。随着新能源电动汽车逐步发展，低端产品的更新迭代在性能、传动效率、续航里程方面有很大提升，进而使得变速器多档化成为了未来电动汽车传动系统的发展趋势。在新能源商用车方面主要的电驱动系统形式为轮边电驱桥、集成电驱桥及中央电驱总成。客车多采用轮边电驱桥，卡车多采用集成式电驱桥或中央驱动总成，重卡适合采用集成式电驱桥或中央驱动总成的形式。经过对比，为了满足更高的性能需求，取得更好的经济效益，采用高速电机与多档变速箱整体构型的电驱系统方案更符合未来的发展趋势。

编辑：黄飞