纯电动汽车电驱动系统

纯电动汽车电驱动系统的结构、组成，功能作用、工作原理；技术发展；产业发展趋势。电驱动总成是新能源电动车的心脏，等同于传统燃油车的动力总成——发动机+变速器，作用是把化学能转化成电动车的动能，是直接决定车辆动力、能耗等性能的核心部件。

纯电动汽车电驱动系统

• 一、 电驱动总成
  • 定义概念
    • 是新能源电动车的心脏，等同于传统燃油车的动力总成——发动机+变速器，作用是把化学能转化成电动车的动能，是直接决定车辆动力、能耗等性能的核心部件
  • 组成
    • 1. 电动机
    • 2. 电动机控制器
    • 3. 传动机构
  • 布置形式
    • （1） 传统布置
    • （2） 电动机&驱动桥组合式
    • （3） 电动机&驱动桥整体式
    • （4） 轮边/轮毂电动机
  • 四种电驱动总成的特点
• 二、 电驱动系统
  • 电动车驱动系统是电动车中最关键的系统，电动车运行性能主要决定于电动机驱动系统的类型和性能
  • 系统构成
    • （1） 电动机
    • （2） 控制系统（包括电动机驱动器、控制器及各种传感器）
    • （3） 机械减速和传动装置
    • （4） 车轮等
  • 组合形式
    • （1） 机械驱动系统
      • 用电动机驱动系统取代内燃机驱动系统传动系统中选用或保留了内燃机汽车的变速器、传动轴、后桥和半轴等传动部件
    • （2） 机电集成化驱动系统
      • 取消齿轮变速器，只采用一部分机械传动的齿轮、差速器及半轴等零部件传递动力，节省空间
    • （3） 机电一体化驱动系统
      • 左右车轮由两个双联式电动机分别驱动，在双联式电动机间用电子控制差速器来代替机械式差速器整车采用电子集中控制，并将逐步实现网络化和自动化
    • （4） 轮毂电动机驱动系统
      • 电动机装在车轮轮毂中，直接驱动车轮，提高传动效率，节省空间，减少悬挂质量
• 三、 驱动电机
  • 1. 功能作用
    • 在纯电动汽车中承担着驱动车辆和发电的双重功能，即在正常行驶时发挥其主要的电机功能，将电能转化为机械能；而在降速和下坡滑行时驱动电机转变为发电机，将车轮的惯性动能转换为电能。
  • 2. 工作要求
    • （1） 启动力矩大且过载能力强
    • （2） 峰值电流小于动力蓄电池最大允许放电电流
    • （3） 调速范围宽
    • （4） 调速响应快
    • （5） 可靠性高
  • 3. 分类
    • （1） 直流电机
      • • 优点
          • 结构简单；具有优良的电磁转矩控制特性，可实现基速以下恒转矩、基速以上恒功率，可满足汽车对动力源低速高转矩、高速低转矩的要求；
          • 可频繁快速启动、制动和反转；调速平滑、无级、精确、方便、范围广；
          • 抗过载能力强，能够承受频繁的冲击负载；
          • 控制方法简单，只需要用电压控制，不需要检测磁极位置。
        • 缺点
          • 设有电刷和换向器，高速和大负荷运行时换向器表面易产生电火花，电火花会产生电磁干扰，另外换向器维护困难，很难向大容量、高速度发展；
          • 不宜在多尘、潮湿、易燃易爆的环境中使用；
          • 价格高、体积大、质量重。
    • （2） 三相交流异步电机
      • 优点
        • 结构简单，维修方便；运行可靠耐用，与同功率的直流电机相比效率更高，质量约轻了1/2；工作状态稳定。
      • 缺点
        • 功率因数低，运行时必须从电网吸收无功电流来建立磁场；
        • 控制复杂，易受电机参数及负载变化的影响；转子不易散热；调速性能差，调速范围窄。
    • （3） 永磁同步电机
      • ▲ 永磁同步电机的结构
        • 定子结构
        • 转子结构
      • 优点
        • 功率因数大，效率高，功率密度大；
        • 结构简单，便于维护，使用寿命较长，可靠性高；
        • 调速性能好，精度高；
        • 具有良好的瞬时特性，转动惯量低，响应速度快；
        • 频率高，输出转矩大，极限转速和制动性能优于其他类型的电机；
        • 采用电子功率器件作为换向装置，驱动灵活，可控性强；
        • 形状和尺寸灵活多样，便于进行外形设计；
        • 体积小、质量轻。
      • 缺点
        • 造价较高；
        • 在恒功率模式下，操纵较为复杂，控制系统成本较高；
        • 弱磁能力差，调速范围有限；
        • 功率范围较小，受磁材料工艺的影响和限制，最大功率仅为几十千瓦；
        • 低速时额定电流较大，损耗大，效率较低；
        • 永磁材料有退磁现象，且磁场不可变；
        • 抗腐蚀性差；不易装配。
      • ▲ 吉利帝豪EV450永磁同步电机剖面结构图
    • （4） 开关磁阻电机
      • • 优点
          • 结构简单坚固、可靠性高、质量轻、成本低、效率高、温升低、易于维修；
          • 具有直流调速系统的可控性好的优良特性，可适用于恶劣环境。
        • 缺点
          • 控制系统的设计相对复杂，对直流电源会产生很大的冲击电流，电机振动发出的噪声大。
  • 4. 机械传动装置——减速器
    • 功能作用
      • 是将驱动电机的转速降低、转矩升高，以实现整车对驱动电机的转矩、转速需求，搭配驱动电机共同驱动车辆行驶
    • 结构组成
      • 多采用固定速比的减速装置来与驱动电机搭配，从而省去了变速器、离合器等部件。减速器一般由输入轴组件、中间轴组件、差速器组件等构成。
      • 吉利帝豪EV450减速器是一款前置前驱型减速器，采用左右分箱、两级传动结构，具有体积小、结构紧凑等特点。东风日产启辰E30的减速器采用了前进挡和倒挡共用结构的设计，整车倒挡通过驱动电机反转来实现。
        • ▲ 吉利帝豪EV450减速器
          • ▲ 东风日产启辰 E30 减速器
    • 工作原理
      • 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。动力传递的路线：驱动电机输入轴→输入轴齿轮→中间轴齿轮1→中间轴齿轮2→差速器齿轮→差速器→左、右半轴→左、右车轮
• 四、 驱动电机控制系统
  • 功能作用
    • 包括控制车辆的怠速（爬行）、控制电机正转（前进）、控制电机反转（倒车）、控制能量回收（交流变直流）和驻坡（防溜车）。
  • 组成
    • 功率变换器
      • 功率变换器接受动力蓄电池输送的直流电电能，逆变成三相交流电给驱动电机提供电源。
    • 电子控制单元
      • 当发生制动或者加速行为时，电子控制单元控制功率变换频率的升降，从而达到加速或减速的目的。
  • 结构
    • • 驱动电机控制系统主要由接口电路、控制主板、绝缘栅双极型晶体管（IGBT）模块、超级电容、放电电阻、电流感应器和壳体水道等组成。
      • 它的内部采用三相、两电平、电压源型功率变换器，是驱动电机系统的控制核心，被称为智能功率模块；功率变换器以IGBT 为核心，辅以驱动集成电路、主控集成电路。
  • 工作原理
    • 依靠驱动电机内置旋转变压器和温度传感器来提供驱动电机的工作状态信息，并将驱动电机运行状态信息实时发送给整车控制器。
    • 旋转变压器的工作原理
      • 旋转变压器又称同步分解器，安装在驱动电机上，用来测量旋转物体的转轴角位移和角速度。
      • 旋转变压器的工作原理和普通变压器基本相似，区别在于旋转变压器的一次、二次绕组随转子的角位移发生相对位置的改变，因而其输出电压的大小随转子角位移而发生变化，输出绕组的电压幅值与转子转角成正弦、余弦函数关系或保持某一比例关系。
      • 定子绕组作为变压器的一次侧，接受励磁电压；转子绕组作为变压器的二次侧，通过电磁耦合得到感应电压。一次侧作为转子，二次侧作为定子，随着两者相对角度的变化，在输出侧就可以得到幅值变化的波形。旋变输出信号幅值随位置变化而变化，但频率不变。
      • 绕组的转动位置与其输出电压的关系
        • （a） 在两线圈夹角为0°时，输出电压与输入电压相差最小，频率相同
          • （b） 在两线圈夹角为90°时，输出电压与输入电压相差最大，输出电压为0 V
        • （c） 在两线圈夹角为0°～ 90°时，输出电压小于输入电压但大于0 V
          • （d） 在两线圈相位差为180°时，输出电压与输入电压相同，方向相反
    • 温度传感器的作用
      • 温度传感器的作用是检测驱动电机绕组温度，并将信息提供给驱动电机控制系统，再由驱动电机控制系统通过CAN线传给整车控制器，进而控制水泵、水路循环、冷却电子风扇工作，调节电机工作温度。
    • 驱动电机控制系统的逆变原理
      • 功率变换器内部电路由6个IGBT组成，6个IGBT的序号一般为VD1～VD6。每一相输出线和正负直流母线之间各连接一个IGBT功率管，连接正极母线的IGBT与输出端节点为上桥臂，连接负极母线的IGBT与输出端节点为下桥臂，每一相的上、下桥臂统称为半桥。
      • 功率变换器的6个IGBT会从VD1～VD6依次间隔60°顺序导通或关断，U/V/W三相的相位差为120°。因此，与第一相（U相）上桥臂导通（或关断）时刻间隔120°的IGBT为第二相（V相）的上桥臂，与第二相（V相）上桥臂导通（或关断）时刻间隔120°的IGBT为第三相（W相）的上桥臂。
        • ▲ 功率变换器中IGBT工作时序图
• 五、 产业、技术发展趋势
  • 市场布局
    • 目前新能源汽车电机市场有三类供应商
      • （1） 整车企业自供电机产品，如比亚迪、北汽新能源等；
      • （2） 传统电机制造商向新能源汽车电机市场转型，如大洋电机、方正电机等；
      • （3） 新兴专业新能源汽车电机制造商，如上海电驱动、上海大郡、北京精进等。
    • 我国驱动电机控制系统主要生产企业可分为三大类
      • （1） 以比亚迪为代表的整车制造厂
      • （2） 以日本电产、联合电子、博格华纳为主的外资企业
      • （3） 近几年发展较为强势的国产企业，代表企业有汇川技术、上海电驱动、英博尔等
  • 发展趋势
    • 1. 发卡电动机——Hair-pin扁线电动机技术
      • 优势
        • 相对圆线电动机，采用Hair-pin扁线电动机可以明显减小电动机体积、减轻电动机质量、增加电动机功率密度及转矩密度。通常可将槽满率提高至70%以上，超过普通绕组20%～30%，有效降低绕组电阻，从而降低铜耗，产生更强的磁场强度，提升电动机功率密度。扁线之间接触面积大，可提高散热效率。绕组端部更短，可以降低电动机端部空间用铜量15%～20%
      • 发展制约
        • 扁线电机生产仍面临着制造工序多且复杂、严重依赖高端设备、产线和设备投入较大等问题
    • 2. 将加入更多功率电子，形成多合一集成化，以三电域控制器实现智能化
      • 目前市场上已发布的多合一电驱动系统有
        • 三合一
          • 三合一电驱动系统较为常见，通过将驱动电机、端盖与减速器三个部件进行两位一体化或三位一体化设计，不仅可降低单体电机的金属用量，减少成本支出，还可以缩小电驱动系统体积，降低重量，增大车内空间，满足汽车轻量化要求，提升续航里程。
          • 如华为、上汽
        • 四合一
          • 广汽新能源
        • 六合一
          • 江淮汽车
        • 七合一
          • 长安、华为
        • 八合一
          • 比亚迪
    • 3. 热管理系统的集成化
      • 整车热管理系统的高效协同
        • 整合三电热管理需求：随着三电（电池、电机和电控）热管理要求的提高，纯电动汽车的热管理系统开始从分离的三电热管理和乘员舱空调系统向集成化方向发展。这种整合使得热管理系统能够更加高效地协调各个部分的热负荷，提升整车的能量利用效率。
        • 全水冷系统的应用：基于全水冷系统的热管理方案能够更好地实现电机、电控及电池的温度管理，通过共享冷却液循环，实现了热管理资源的最优化配置和利用
      • 模块化设计
        • 系统组件的标准化：热管理系统的模块化设计促进了组件的标准化和通用化。这不仅降低了生产成本，还简化了维修和更换过程，提高了车辆的可靠性和维护便利性。
        • 灵活应对不同热负荷需求：模块化设计的热管理系统可以根据不同的行驶模式和环境条件，灵活调整冷却或加热策略，满足电池、电机和电控在各种工况下的热管理需求。
      • 智能化控制
        • 实时温度监控与调节：集成化的热管理系统采用先进的传感器和控制单元，能够实时监控关键部件的温度并自动调节冷却或加热强度，确保系统在最佳工作温度下运行。
        • 预测性维护与故障诊断：通过收集和分析热管理系统的运行数据，可以实现对潜在问题的预测性维护和及时的故障诊断，减少意外停机时间，提高车辆的使用效率和安全性。
    • 4. SiC、GaN三代半导体在功率器件中逐渐应用，实现电驱动系统高压化
      • 对于电动车来说，高压化可大大减少同等功率需求条件下电驱动总成内组的损耗，提高系统效率，继而可进一步减少达成同样续航里程条件下的电池电量。减少电池成本的同时降低整车质量。另外，高压化还能提高充电效率。因此，提高电动车整车电压至800V，甚至1000V是行业的发展方向。
        • 2019年保时捷Taycan是首款800V高压平台的量产车型，至今主流新能源汽车企业都发布量产了800V高压平台车型
  • 各国电机发展方向
    • 美国倾向采用交流感应电流电动机，优点是结构简单、可靠、质量轻，但控制技术较复杂。
    • 日本采用永磁直流电动机，优点是效率高、质量小，缺点是成本高，高温退磁抗振性差。
    • 德国、英国大力开发开关磁阻电动机，优点是结构简单、可靠且成本低，缺点是质量较大，易产生噪声。