纯电动汽车驱动系统的结构分析和性能比较外文翻译资料

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纯电动汽车驱动系统的结构分析和性能比较

摘要

很多种类的驱动系统能被纯电动汽车应用。为了选择最合适的驱动系统，不同种类驱动系统的结构特点应该被分析。在纯电动汽车匹配驱动系统之后，它们的动力性已进行比较；同时基于纯电动汽车的能量消耗模型和已城市循环工况为例，这些驱动系统的经济性比较才完成。研究结果表明单电机直接驱动系统有最简单的结构但表现的最差；在加装一个两档齿轮传动系后，其动力性明显提高并且行驶里程增加了3.6%，但是自动变速器功能是难以被解决；电动汽车动力性在匹配轮毂电机驱动系统后能被提高，但实际的驱动效率不是很高；通过主、副电机耦合驱动系统能实现高的驱动效率，其行驶里程比单电机直驱系统增加了7.79%同时满足电动汽车简单结构和高效率的要求。

绪论

作为一个核心部件，电力驱动系统的科技水平直接制约纯电动汽车的整体性能。现今，有各种驱动系统已经被使用。根据车轮驱动转矩的动力源，驱动系统的模型可分为集中驱动和分布式驱动。集中式驱动系统通过一个减速器或通过小的齿轮变速器和一个分配两个半轴的差速器来增加驱动转矩，其中包括单电机驱动系统和主电机、辅助电机的耦合驱动系统。在分布式驱动电动汽车，每个驱动轮都有一个单独的驱动系统。轮毂电机驱动系统是分布式驱动系统的主要形式。

集中驱动是一个比较成熟的技术，但是驱动力被差速器大致平均分配给左、右半轴，独立车轮的驱动转矩在大多数车辆不能独立地调节。不安装其他传感器和控制机构，很难进行车辆运动学和动力学控制^【1】。分布式驱动技术是近年来新兴的，因车轮和电动机之间的机械部件大多数的被替换，分布式驱动系统具有结构紧凑和高传输效率的优点。

对电动汽车为了选择最合适的驱动系统，本论文已经完成了对不同驱动系统的结构特点分析和动力性与经济性的比较。本论文结构如下：第二节目前驱动系统结构特点分析；第三节介绍了汽车参数及其驱动系统的组成部分；第四节进行不同驱动系统的动力性比较；第五节确定不同的驱动系统的经济性能的优点；最后，一些结论总结在第六节。

结构分析

集中驱动系统

集中驱动系统被广泛地应用在各种电动汽车上，其主要结构表现形式如图1 。M代表驱动电机，R代表固定减速比减速器，T代表变速器，D代表差速器，W代表车轮。图1（a）是由一个减速器，被称为直接驱动系统的扭矩增加的单电机驱动系统。 图1（b）是一个非常相似的单电机驱动系统，除了通过变速器来增加扭矩。由于驱动电机的转速调节范围大于内燃机的转速调节范围，小齿数比的变速器可以满足电动汽车在任何一种驱动情况下的需要。图1（三）是另一个集中的驱动系统，它采用2个驱动电机和一个减速器，其中一个电机驱动车辆作为主电源，在大多数的时间，另一个开始时，只有当需要额外的功率是必要的。图1（c）是另一个集中驱动系统，它采用二个驱动电机和一个减速器，其中一个电机作为主动力源在大多数时间驱动车辆，另一个只有当需要额外的功率才启动。

图1.集中驱动系统结构

直接驱动系统因为最简单的机械结构和控制方法使其有最低的开发成本，其可能是最广泛应用的纯电动车驱动系统。由于车辆的动力性和经济性能是完全由驱动电机来确定，需要驱动电机有高品质特性。由于多档变速器已匹配多档变速器，车辆驱动的系统如图1所示（b）可以得到更好的动力性能，同时降低了电机的性能要求。然而，自动变速的问题必须得到解决，否则，电动汽车容易控制的优点将被不便捷的操作丧失。由于功率补偿可以及时实现，主电机和辅助电机驱动电动汽车的经济性能可能会大幅增加，但动力性能也受到了驱动电机的限制。

因为大多数使用在内燃机驱动车辆的变速器部件可以继续使用，集中驱动系统的继承性是好的。驱动系统被布置在发动机舱，那么冷却，隔离和电磁干扰等问题是容易解决。但是驱动力通过差速器大约平均分配到分的左侧和右侧半轴，各车轮的驱动转矩是难以被单独地调节。在没安装其他传感器和控制机构是很难进行车辆运动学和动力学控制。

分布式驱动系统

分布式驱动系统的结构如图2所示。在图2（a），车辆通过与直接安装在轮毂的外边缘的外转子的多个低速毂电机驱动。由于所有的传动系被取消，驱动系统具有最高的传动效率，但驱动电机的性能更差。图2（b），该车辆是由多个高速内转子轮毂电机通过一些行星齿轮减速器驱动，该驱动系统的体积小于外转子电动机驱动系统的；图2（c），驱动系统被安装在车辆的车架上，通过短半轴驱动车轮，并改善车辆平顺性。由于安装在车轮上，驱动系统如图2（a）和（b）所示，被称为在轮毂电机驱动系统。

图2.分布式驱动系统结构

由于车轮之间的大部分机械传动部件被控制信号替换，分布式驱动系统具有结构紧凑，传动效率高的优点。电机的精确转矩响应可以提高现有的车辆控制系统，如防抱死制动系统（ABS）、牵引力控制系统（TCS）、直接横摆力矩控制（DYC）和其他先进的汽车运动/稳定性控制系统[ 3，4，5，6 ]。基于上述优点，分布式驱动成为电动驱动技术的一个重要发展方向。

由于在现有的分布式驱动系统中的多档变速器是难以匹配的，车辆动力性是由驱动电机完全决定。一方面很难平衡爬坡、加速和高速的多种需求；另一方面，在车辆难以加速或爬坡时，电机过热和自我保护的情况很可能发生，这将威胁到交通安全。此外，由于扭矩自动平衡分配机制比如分布式驱动电动汽车同轴驱动轮间被清除的差速器，每个车轮所获得的驱动转矩完全由相应的驱动系统确定。为了保证车辆按照预期的轨迹运行，每个驱动系统的输出转矩必须是按照一个复杂的控制策略动态控制[ 7 ]。为保证车辆的直线行驶，每一个驱动电机的转速和驱动力矩必须近似相等。因此，在大多数车辆行驶工况下，电动机都在同一个低效率区域工作，这将直接影响分布式驱动电动汽车的实际行驶效率。

车辆参数和部件

表现

装配不同的驱动系统的一个前轮驱动小型电动汽车为例进行研究。车辆的主要参数如表1所示。

表1.车辆参数

表1.车辆参数

选择一个大的永磁同步电机作为驱动电机的单电机集中驱动系统，并选择两个小的具有相同总功率和性能的永磁同步电机作为大电机，作为分布式驱动系统或主副电机耦合驱动系统的驱动电机。图2（c）中的结构选择为分布式驱动模式。该驱动电机的技术参数如下：总的额定功率为P_me 16 kW，总峰值功率P_mmax 32kw，额定转速为n_me 2940 r/min，最高转速n_max是7500r /min，总峰值扭矩T_dmax 78 Nm，额定电压U_e 144 V，和工作电压范围为120-180 V。驱动扭矩T_di和每个小电机转速n_i以及总效率包括控制器eta;_d的对应关系可以通过专用的测功机测量如图3所示。

图3.电机特性曲线

磷酸铁锂动力电池组被选择作为动力源。它是由45100Ah的磷酸铁锂电池单元组成，被串联一起使用。总的电力是14.4Kwh。电池SOC可基于电流积分方法来计算[8]

（1）

SOC₀是SOC的初始值； I_L是瞬时电流，它是在放电期间正值，充电期间负值；C为电池容量；dt为恒定的，即，采样频率的倒数。根据基尔霍夫电压定律，在任何时间放电电流I_L是电池的内部电流，这应该被写为

（2）

其中，U_OC是电池开路电压； U_L是电池的端电压； R是电池内阻，其与SOC、电池充电和放电功率和电池温度有一定的关系； P_dsg是电池放电功率。 U_OC和从测试获得的SOC的关系在图4中所示。内阻和在实验中获得的SOC的关系如图5所示。

图4.开路电压和电量的关系

图5.内阻和电量的关系

电池组放电效率的测试曲面由测功机和充放电测试仪测得，如图6所示

图6.电池充放电效率

动力性比较

计算方法

该车的最大速度u_{a max}由驱动电机提供的额定功率所确定的

（3）

eta;_i是驱动系统的传动效率，i=1或2；g是重力加速度，使g=9.81m/s²。该车0-100km/h加速时间t和最大加速度a_max。它们是：

（4）

（5）

式中的delta;_i是驱动系统的旋转质量换算系数，u是车辆的瞬时速度。

计算结果

图7表示该车辆的动力性能曲线。为使模拟结果清晰表示，不同的驱动模型用不同的颜色和种类的曲线来呈现，如表2所展示。

表2.不同模型的曲线形式

（a）.驱动和阻力功率

（b）.0-100km/h加速时间

图7.车辆的动力性

因为直接驱动系统和分布式驱动的电机总功率和减速比是一样的，车辆的动力性指标是很接近的，其最大爬坡度是30%、最高速度是108km/h，只是因为传动效率不同。分布式驱动系统其加速度和最大爬坡度略强于直接驱动系统。使用两档变速器可显著增加车辆的加速能力和车辆的最大瞬时速度。最大加速度是40%、最高瞬时速度

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