純電動(dòng)車(chē)技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)研究

劉豐赫，李良雨

摘 要：文章通過(guò)電動(dòng)車(chē)的發(fā)展歷程，引出電動(dòng)車(chē)發(fā)展作為當(dāng)前時(shí)代汽車(chē)行業(yè)的國(guó)際性課題的結(jié)論。通過(guò)對(duì)這一課題的研究，進(jìn)一步從電動(dòng)車(chē)開(kāi)發(fā)主要技術(shù)模塊現(xiàn)狀及趨勢(shì)進(jìn)行講解，其中包括電動(dòng)車(chē)平臺(tái)及整車(chē)開(kāi)發(fā)模式、電動(dòng)車(chē)驅(qū)動(dòng)形式、電動(dòng)車(chē)電池系統(tǒng)、電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：純電動(dòng)車(chē);開(kāi)發(fā)模式;動(dòng)力電池;電機(jī)

中圖分類(lèi)號(hào)：U469.72 ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ?文章編號(hào)：1671-7988（2019）23-15-03

Research on the Development Tendency of Pure Electric Vehicle Technology

Liu Fenghe， Li Liangyu

（ CATARC Automotive Test Center （Tianjin） Co.， Ltd.， Tianjin 300300 ）

Abstract： Through the development process of electric vehicles， this paper draws the conclusion that the development of electric vehicles is an international topic of the automotive industry in the current era. Through the research of this subject， the current situation and trend of the main technical modules of electric vehicle development are further explained， including electric vehicle platform and vehicle development mode， electric vehicle driving form， electric vehicle battery system and motor system.

Keywords： Pure electric vehicle; Development mode; Battery; Motor

CLC NO.： U469.72 ?Document Code： A ?Article ID： 1671-7988（2019）23-15-03

1 電動(dòng)車(chē)發(fā)展階段及趨勢(shì)

電動(dòng)車(chē)的發(fā)展主要分為兩個(gè)階段[1]。

第一階段，19世紀(jì)上半葉電動(dòng)車(chē)概念被提出;1881年，世界上第一輛電動(dòng)車(chē)誕生于法國(guó)工程師之手，受制于電池技術(shù)的落后，而內(nèi)燃機(jī)技術(shù)提升很快，石油資源也被廣泛應(yīng)用，內(nèi)燃機(jī)占了主導(dǎo)地位，電動(dòng)車(chē)被邊緣化。

第二階段，20世紀(jì)爆發(fā)石油危機(jī)，環(huán)境污染日益嚴(yán)重。電動(dòng)車(chē)使用的電能是可再生的，并且可以實(shí)現(xiàn)零排放，這兩個(gè)特性使得電動(dòng)汽車(chē)獲得了新生，電動(dòng)車(chē)發(fā)展成為當(dāng)前時(shí)代汽車(chē)行業(yè)的國(guó)際性課題。

我國(guó)發(fā)布的節(jié)能與新能源汽車(chē)產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃，到2020年純電動(dòng)汽車(chē)和插電式混合動(dòng)力汽車(chē)產(chǎn)能達(dá)200萬(wàn)輛、累計(jì)產(chǎn)銷(xiāo)量超過(guò)500萬(wàn)輛。

2 電動(dòng)車(chē)開(kāi)發(fā)模式分析

在電動(dòng)汽車(chē)的初始發(fā)展過(guò)程中，大多傳統(tǒng)整車(chē)廠(chǎng)商沿襲了傳統(tǒng)造車(chē)思維，在傳統(tǒng)汽車(chē)平臺(tái)上通過(guò)改造進(jìn)行電動(dòng)汽車(chē)的生產(chǎn)制造;其成本可以得到較好的控制，但是也給電動(dòng)車(chē)設(shè)計(jì)帶來(lái)了一些局限性，內(nèi)部空間受限、續(xù)駛里程設(shè)計(jì)受限、動(dòng)力性方面不能充分發(fā)揮電動(dòng)車(chē)的優(yōu)勢(shì)等，令車(chē)企難以取得顛覆性的改變。全新的純電動(dòng)平臺(tái)可以很好的解決上述幾個(gè)限制，但是新平臺(tái)的開(kāi)發(fā)需要大量的資金注入，增加了成本。兩種平臺(tái)的優(yōu)劣勢(shì)對(duì)比如圖1。

圖1 ?各類(lèi)開(kāi)發(fā)模式優(yōu)劣勢(shì)對(duì)比

美國(guó)密歇根大學(xué)交通學(xué)院歸納了以下兩種平臺(tái)策略和兩種設(shè)計(jì)思路：

AEP（Adapted Electric Platform）：使用原來(lái)的傳統(tǒng)車(chē)的平臺(tái)，電動(dòng)車(chē)設(shè)計(jì)去使用原來(lái)平臺(tái);

NEP（New Electric Platform）：發(fā)開(kāi)全新平臺(tái)，可以使用全新設(shè)計(jì);

NEVD（New Electric Vehicle Design）：全新電動(dòng)車(chē)設(shè)計(jì)，不必遷就舊平臺(tái);

AEVD（Adapted Electric Vehicle Design）：在原有傳統(tǒng)車(chē)平臺(tái)上設(shè)計(jì)電動(dòng)車(chē)，需要遷就舊平臺(tái)。

根據(jù)NEP、AEP、AEVD、NEVD的組合可以得到A、B、C三種電動(dòng)汽車(chē)平臺(tái);三種平臺(tái)的路線(xiàn)各大車(chē)企都有開(kāi)展，如圖2。

圖2 ?各大企業(yè)開(kāi)發(fā)模式

電動(dòng)車(chē)開(kāi)發(fā)過(guò)程中，各家的路線(xiàn)雖然存在不同;不管是從A過(guò)渡到B，在過(guò)渡到C;或者直接從A過(guò)渡到C，總體來(lái)看，改造平臺(tái)始終屬于過(guò)渡階段產(chǎn)品，打造全新的電動(dòng)車(chē)專(zhuān)用平臺(tái)將成為電動(dòng)車(chē)開(kāi)發(fā)的主流模式。

3 純電動(dòng)汽車(chē)電機(jī)發(fā)展趨勢(shì)

電動(dòng)機(jī)是純電動(dòng)汽車(chē)中唯一的動(dòng)力部件，其性能的好壞直接影響了純電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)的性能。汽車(chē)電機(jī)有嚴(yán)格的小型化輕量化要求;具有較高的效率和低損耗性能;具有低噪音和低振動(dòng)的特性。目前來(lái)說(shuō)，使用較多的驅(qū)動(dòng)電機(jī)主要有：直流電動(dòng)機(jī)、交流感應(yīng)電動(dòng)機(jī)、交流永磁同步電動(dòng)機(jī)、開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)和輪轂電動(dòng)機(jī)[3]。

3.1 直流電動(dòng)機(jī)

直流電動(dòng)機(jī)應(yīng)用最早。其特點(diǎn)為結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，電磁轉(zhuǎn)矩控制特性?xún)?yōu)異。但是，由于直流電動(dòng)機(jī)采用了電刷結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致了其轉(zhuǎn)速、功率密度和使用壽命等方面存在了諸多限制。更主要的是，直流電機(jī)質(zhì)量體積較大，在空間狹小的汽車(chē)上布置存在諸多困難。所以直流電機(jī)終將會(huì)被其他優(yōu)點(diǎn)更為突出的電動(dòng)機(jī)取代。

3.2 交流異步電動(dòng)機(jī)

交流異步電機(jī)成本低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但其存在調(diào)速范圍小、轉(zhuǎn)矩特性不理想的問(wèn)題，需要性能更高的調(diào)速器以匹配性能。交流異步電機(jī)本身體積小，質(zhì)量輕，功率大。十分契合電動(dòng)汽車(chē)的動(dòng)力需求，是目前國(guó)內(nèi)大部分電動(dòng)汽車(chē)選用的動(dòng)力電機(jī)形式。

3.3 永磁同步電動(dòng)機(jī)

永磁同步電機(jī)效率高、轉(zhuǎn)矩和功率密度大，尺寸小、重量輕，但由于其需要稀土材料制成的永磁體為原材料，一定程度上受到資源的限制，成本較高;我國(guó)由于在稀土資源方面的優(yōu)勢(shì)，永磁同步電機(jī)成為當(dāng)前新能源汽車(chē)市場(chǎng)的主流。

3.4 輪轂電動(dòng)機(jī)

輪轂電機(jī)將汽車(chē)的動(dòng)力、傳動(dòng)和制動(dòng)裝置都整合到輪轂內(nèi)，實(shí)現(xiàn)每個(gè)驅(qū)動(dòng)輪由獨(dú)立電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的裝置，因其具有布置方便、動(dòng)力控制靈活、易于實(shí)現(xiàn)制動(dòng)和能量回收、車(chē)身設(shè)計(jì)自由度高以及簡(jiǎn)化傳動(dòng)系統(tǒng)等優(yōu)點(diǎn)，將是驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)發(fā)展的一個(gè)重要方向。輪轂電機(jī)目前發(fā)展的障礙主要有散熱、簧下質(zhì)量控制和一致性校準(zhǔn)三大問(wèn)題，各種類(lèi)型電機(jī)對(duì)比如表1。

表1 ?各類(lèi)電機(jī)對(duì)比

4 純電動(dòng)汽車(chē)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)發(fā)展趨勢(shì)

根據(jù)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的集成程度，可以將純電動(dòng)汽車(chē)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)分為低集成結(jié)構(gòu)、高集成結(jié)構(gòu)和輪轂電機(jī)結(jié)構(gòu)。

4.1 低集成結(jié)構(gòu)

低集成結(jié)構(gòu)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的構(gòu)成方式與傳動(dòng)車(chē)類(lèi)似，使用電動(dòng)機(jī)替代傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)，使用減速箱替代變速箱，將動(dòng)力通過(guò)傳動(dòng)系統(tǒng)傳遞到車(chē)輪上。電機(jī)控制器與PUD集成獨(dú)立安裝在車(chē)身上，集成度低。目前來(lái)說(shuō)，市場(chǎng)上大部分穿電動(dòng)乘用車(chē)均采用此結(jié)構(gòu)。如特斯拉、日產(chǎn)LEAF以及國(guó)內(nèi)絕大部分穿電動(dòng)乘用車(chē)。

4.2 高集成結(jié)構(gòu)

高集成結(jié)構(gòu)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了電機(jī)、減速箱、電機(jī)控制器的集成。這種結(jié)構(gòu)存在集成程度高，結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕等優(yōu)點(diǎn)。但開(kāi)發(fā)成本和制造成本高，同時(shí)由于電機(jī)震動(dòng)頻率較高，電機(jī)控制單元壽命會(huì)受到影響。

4.3 輪轂電機(jī)結(jié)構(gòu)

輪轂電機(jī)結(jié)構(gòu)集成度最高，驅(qū)動(dòng)電機(jī)與輪轂集成到一起，電機(jī)控制器與PDU單獨(dú)安裝在車(chē)身上[4]。這種結(jié)構(gòu)技術(shù)成熟度要求高，目前應(yīng)用范圍很小。由于輪轂電機(jī)具備單個(gè)車(chē)輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)的特性，因此無(wú)論是前驅(qū)、后驅(qū)還是四驅(qū)形式，它都可以比較輕松地實(shí)現(xiàn)，全時(shí)四驅(qū)在輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)的車(chē)輛上實(shí)現(xiàn)起來(lái)非常容易;同時(shí)輪轂電機(jī)可以通過(guò)左右車(chē)輪的不同轉(zhuǎn)速甚至反轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)類(lèi)似履帶式車(chē)輛的差動(dòng)轉(zhuǎn)向，大大減小車(chē)輛的轉(zhuǎn)彎半徑，在特殊情況下幾乎可以實(shí)現(xiàn)原地轉(zhuǎn)向。

5 結(jié)論

隨著能源危機(jī)和對(duì)環(huán)保問(wèn)題呼聲越來(lái)越高，電動(dòng)車(chē)的研

發(fā)成為當(dāng)下的一個(gè)重要命題;電動(dòng)車(chē)開(kāi)發(fā)過(guò)程中具有大量的政策支持，電動(dòng)車(chē)的開(kāi)發(fā)模式也在各個(gè)車(chē)廠(chǎng)的不斷嘗試中逐漸聚焦;動(dòng)力電池、電機(jī)技術(shù)不斷取得突破，為驅(qū)動(dòng)形式的靈活實(shí)現(xiàn)和集成式設(shè)計(jì)提供更多可能。

參考文獻(xiàn)

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