新能源汽车集成式电驱动系统研究

随着家用汽车的普及,汽车已经成为人们生活中不可或缺的一部分。然而,传统燃油车不仅会产生尾气污染,还过于依赖有限的石油资源,对城市环境和气候变化产生负面影响。为此,许多国家已经将新能源汽车的设计和研发置于首要位置。新能源汽车采用可充电蓄电池提供能源,它的普及可以降低尾气排放,提高能源效率,降低运营成本,推动技术创新,改善城市环境,同时也会减轻对有限石油资源的依赖。

电驱动系统是新能源汽车中的关键组成部分,它的发展一直影响着新能源汽车的发展。电驱动系统负责将电能转换为机械动力,进而推动车辆前进。电驱动系统通常由多个组件组成,包括驱动电机、电机控制器、传动装置等,如图1所示。

图1 电驱动系统结构

新能源汽车电驱动系统根据内部空间布置形式的不同,可划分为集成式和分布式两类。分布式电驱动系统将驱动电机、电机控制器、变速器单独安装在整车上,占用体积大,功率密度低,成本高。集成式电驱动系统是一种将多个电子设备和电机组件集成在一起,以实现车辆动力传递和控制的系统,具有成本低、功率密度高、结构紧凑等优点,在新能源汽车中得到广泛应用。

早期新能源汽车的设计是在传统燃油车的基础上进行改进,缺乏成熟的设计规范和准则。驱动电机、电机控制器和减速装置等组件分散布置在汽车底盘的不同位置。同时,电机控制器需要通过三相电缆进行传输来控制驱动电机,这不仅引发了电磁干扰问题,占用了车辆空间,还增加了制造成本。由此,出现了将电驱动系统的多个元器件整合在一起的集成式电驱动系统。

一开始,设计者考虑将驱动电机与减速装置整合在一起,形成了所谓的二合一电驱动系统。这种结构极大地节省了车内空间。尽管相对于传统电驱动系统,这种结构更加紧凑,但是仍未解决电磁干扰问题,同时仍需通过三相电缆进行能量传输。

随后出现了三合一电驱动系统。这种结构不再采用单独设计和组装驱动电机、减速装置、电机控制器的方式,而是直接对它们进行一体化设计,从而消除了之前存在的问题。

二合一电驱动系统对驱动电机和减速装置进行整合,并将减速装置与车桥连接,进行动力的传递,结构如图2所示。

图2 二合一电驱动系统结构

雪佛兰Bolt二合一电驱动系统如图3所示,将永磁同步电机和减速器合为一体,使各个部件之间的距离显著缩小,整体结构更加紧凑。

图3 Bolt电驱动系统

博格华纳开发的二合一高性能eDM电驱模块如图4所示,峰值扭矩高达2 500 N·m,峰值功率达到135 kW。目前,这一电驱模块已经应用在多款车型上。

图4 eDM电驱模块

随着二合一电驱动系统的发展,功率密度更大、转换效率更高的三合一电驱动系统逐渐成为新能源汽车驱动集成技术的主流。三合一电驱动系统结构如图5所示。这种系统取消了不必要的结构,改善了新能源汽车的能源利用效率,结构更加紧凑,占用空间较小,提高了车辆性能和乘坐舒适性,同时使汽车制造商更容易实施平台化设计,可以在不同车型之间共享相同的基础架构和组件,降低生产成本,推动提高在电动汽车市场中的竞争力和可持续性。以上优势使得三合一电驱动系统在电动汽车领域备受欢迎。

图5 三合一电驱动系统结构

国外对三合一电驱动系统的研究及应用较早,从早期各部件的参数匹配研究,到后来的集成式设计,再到如今的产业化应用都相当成熟。博格华纳开发的三合一集成驱动模块如图6所示,峰值扭矩达到5 000 N·m,峰值功率高达500 kW,这一系统已成功搭载在福特野马电动汽车上,传动比为12.5∶1。博世公司开发的电驱动系统如图7所示,系列产品包括输出功率50 kW～300 kW、扭矩1 000～6 000 N·m的多个型号,其中50 kW产品功率密度相比于分体式结构提升超过20%。这些成熟的三合一电驱动系统的应用,不仅提高了电动汽车的性能和效率,还使整车设计更加灵活,为电动汽车的进一步发展和推广提供了有力支持。

图6 博格华纳三合一集成驱动模块

图7 博世电驱动系统

除了国际主流供应商积极布局外,国内的新能源企业也积极参与,纷推出了成熟的产品。华为推出的DriveONE系列三合一电驱动系统如图8所示,峰值功率达到150 kW,峰值输出扭矩为3 350 N·m。该系统实现了电机控制器、驱动电机和减速器结构的深度集成,同时体积也更小。国内企业的积极参与和推出成熟产品,对于推动国内新能源汽车行业的发展起到了重要作用。

图8 DriveONE三合一电驱动系统

5.1 电机控制器

电机控制器是新能源汽车电驱动系统的核心组件,功能在于监测和控制驱动电机的运行。通过接收来自车辆的各种传感器的信息,电机控制器可以实时调整驱动电机的功率输出、转速、扭矩,以满足驾驶员的需求。基于电子控制和软件算法,通过调整驱动电机的相位、电流、电压,来控制驱动电机的转动,实现高效、精确的动力输出,同时确保电池的稳定,以提供最佳性能和能源效率。

电机控制器由多个部分组成,包括电流传感器、电子控制单元、功率逆变器、通信接口、速度和位置传感器等。其中,功率逆变器是一种高功率的电力电子器件,将直流电能转换为交流电能,以供驱动电机使用。

近年来,碳化硅基功率模块不断发展,逐渐取代传统的硅基功率模块而成为趋势。碳化硅基功率模块与传统硅基功率模块相比,具有损耗更低、体积更小的优势。此外,碳化硅基功率模块具有高功率密度、高频率、高效率、耐高压、耐高温等特点,可以降低整车系统的成本。在产业链布局方面,各大原材料厂商和功率器件厂商都加大了车用碳化硅基功率模块产品的开发和布局。

5.2 驱动电机

在驱动电机方面,目前的新能源汽车主要采用永磁同步电机和交流异步电机这两类电机。

永磁同步电机结构如图9所示。转子铁心内部嵌入了永磁体,这些永磁体的N极和S极会随着绕组产生的旋转磁场而旋转,这一特性使永磁同步电机能够产生与绕组旋转方向同步的磁场,从而实现高效的电能转换和旋转运动。永磁同步电机因为具有永磁体,可以在没有外部励磁的情况下产生磁场,结构简单,效率高,响应迅速,适用于高性能和高效率场合。此外,永磁同步电机在低速和高速范围内都能提供出色的性能,因此被广泛用于新能源汽车的驱动系统。

图9 永磁同步电机结构

根据永磁同步电机的转子型式,可以分为内转子式和外转子式两类。外转子式电机的转子位于电机的外部,这使其转速较低,通常不需要额外的减速装置。这种结构可以简化汽车的设计和结构,也使车轮可以单独控制。外转子式电机具有降低磨损,延长汽车使用寿命,提高安全性等优点,因此被认为是未来新能源汽车发展的趋势之一。内转子式电机的转子位于电机内部,通常具有较高的转速。为了匹配车辆的需求,内转子式电机通常需要配备具有固定传动比的减速器。这种电机结构对于体积、质量和设备固定方面提出了一定的要求,在一些高性能和特定应用中仍然具有重要价值。因此,选择永磁同步电机的转子型式需要取决于具体的应用需求和设计考虑,不同类型的电机都有各自独特的优势和局限性,可以根据特定的车辆性能和设计目标来进行选择。

交流异步电机的工作原理是通过交变电流的变化,在电机的定子绕组中产生旋转磁场,从而感应电机转子上的涡电流,推动转子旋转,实现电能转换为机械能。交流异步电机具有多项优点,包括结构简单、制造工艺成熟、运行可靠、价格相对较低、过载能力强、抗高温能力强、环境适应性好、转速范围广,以及易于使用、安装和维护等。因此,交流异步电机在市场上占有一定份额。特斯拉和蔚来的一些车型采用交流异步电机作为动力源。

未来驱动电机的发展方向是高效性、智能化、可持续性。目前,提高驱动电机效率的方法之一是采用扁线电机。扁线电机是一种创新型电机,特点是采用扁平线圈布局,与传统电机相比,具有更紧凑的外观和高功率密度,在需要紧凑空间、高效率、快速响应、精确控制的应用中表现出色。随着技术和工艺的不断成熟,扁线电机正逐渐取代传统电机成为首选的电驱动解决方案,这将有助于提高驱动电机的效率,降低新能源汽车的成本,推动新能源汽车技术的进一步发展和普及。

5.3 减速器结构

新能源汽车电驱动系统的减速器与传统燃油车的减速器大致相同,主要由齿轮、轴承、轴构成,它的任务是将驱动电机的高速旋转转换为较高扭矩和较低速度,最终传递到车轮,以推动车辆前进。

电驱动系统的减速器具有一些优点,包括结构简单、技术难度低、成本较低等。同时,也存在一些明显的缺点。其中一个主要的缺点是,一旦新能源汽车的速度达到极限,就没有进一步提升的空间,这限制了车辆的最高速度,降低了高速行驶的经济性。另外,单一传动比通常无法兼顾纯电动乘用车的动力性和经济性,在不同驾驶工况下,特别是在最高速度、最低速度和低负载条件下,驱动电机的效率通常会下降,导致车载电能的浪费,缩短续航里程。

对于这些问题,一种解决方案是采用多挡化设计。多挡化减速器可以在不同驾驶工况下调整传动比,以确保驱动电机在较高效率区域工作。这既有助于提高汽车的动力性能,又可提升整车的节能效率。多挡化设计可以在不同速度和负载条件下提供更好的性能和经济性,从而改善新能源汽车的综合性能。

目前,一些知名企业已经成功开发了成熟的多挡减速器,并应用于电动汽车。两挡减速器的应用如图10所示。多挡减速器的应用为电动汽车提供了更灵活的传动比,有助于优化动力输出,提高整车的效率。

图10 两挡减速器应用

随着新能源汽车的市场份额不断增大,对整车能耗水平的要求也在逐步提高,加之技术不断成熟和进步,多挡减速器的应用前景将更加广阔。未来,多挡减速器有望在更多型号的新能源汽车中得到广泛应用,以满足不同驾驶工况下的性能和效率需求,这将有助于进一步提高新能源汽车的综合性能,并推动新能源汽车技术的不断发展。

尽管集成式电驱动系统在能量传输效率和空间利用等方面具有一些明显优势,但是与传统分布式电驱动系统相比,仍然存在一些不足。

(1) 散热挑战。集成式电驱动系统将各个功率部件集成在一起,导致热量集中分布,同时散热条件较差,这可能导致系统内部温度升高。过高的温度会降低系统的可靠性和安全性,甚至可能影响整车性能。因此,需要重新考虑整个系统的散热设计,以确保各个部件能够保持在正常的工作温度范围内。

(2) 复杂的维修和维护。集成式电驱动系统的维修和维护通常更加复杂,修复故障可能需要专业知识和特殊设备,并且在某些情况下,维修人员可能需要拆卸整个系统才能进行修复,这提高了维护的难度和成本。

(3) 技术不够成熟。集成式电驱动系统的技术相对而言还不够成熟,研发难度较大,远高于传统分布式电驱动系统。集成式电驱动系统需要考虑额外的润滑、冷却需求,以及更严格的布置设计。因此,对于研发企业来说,需要具备更高水平的集成和设计能力,这提高了技术开发的门槛和成本。

尽管存在一些挑战,集成式电驱动系统在提高能源效率和优化空间利用方面仍然具有潜力。随着技术的不断进步和经验的积累,问题会逐渐得到解决,使集成式电驱动系统更具吸引力和竞争力。

随着集成式电驱动系统技术的不断进步和市场的发展,以下几个方向可能成为未来的发展趋势。

(1) 提高集成度。进一步提高电驱动系统的集成度,将电机控制器、电源、高电压控制板、车载充电器、整车控制器等多个功能集成到电驱动系统中,这将有助于提高整车性能效率,同时也能够优化冷却系统,提高散热效率,使车辆空间更加紧凑。由此,多合一电驱动系统可能会成为未来的趋势,提供更高效的整体解决方案。

(2) 多电机电驱动系统。加强多电机电驱动系统的开发,通过多电机协同工作,实现更精确的动力分配和更好的悬挂控制,从而提高车辆的稳定性和操控性。一些厂商已经推出了双电机四轮驱动和四电机车型,能够实现原地掉头等传统汽车无法完成的动作,提供了更高级别的性能和控制选项。

(3) 智能控制和自动驾驶。集成式电驱动系统将与智能控制系统更紧密集成,以支持自动驾驶功能。这需要更为先进的传感器、算法、处理器,以实现自动驾驶在不同驾驶情况下的高度安全性和可靠性。未来,电驱动系统将成为自动驾驶车辆的核心组成部分,支持高级驾驶辅助系统和自动化功能。

(4) 针对式设计。考虑到新能源汽车市场的多样性不断增长,包括纯新能源汽车、插电混合动力汽车、燃料电池汽车等,集成式电驱动系统需要灵活适应不同类型的新能源汽车,这可能包括针对不同类型车辆的定制化设计和配置,以满足各种市场和消费者的需求。

总体而言,集成式电驱动系统将不断演进,以满足新能源汽车行业不断变化的需求和技术挑战,这将促使技术创新和系统集成,推动新能源汽车性能、效率、智能化水平的不断提高。

笔者对新能源汽车的集成式电驱动系统进行了研究。介绍了集成式电驱动系统的发展现状,并对国内外的发展情况进行了比较。对集成式电驱动系统的主要结构,如电机控制器、驱动电机、减速器结构进行了分析。分析了集成式电驱动系统存在的不足,并总结了集成式电驱动系统未来的发展趋势。

在当前全球石油资源有限且自然环境问题愈加突出的情况下,新能源汽车的发展具有重要意义,有助于减少环境污染,提高能源利用效率。电驱动系统作为新能源汽车的核心技术,将成为未来的研发重点。电驱动系统的集成化是推动新能源汽车发展的关键技术之一,随着电驱动系统集成技术的不断创新和进步,必将进一步推动新能源汽车的普及,提高市场渗透率,为未来的绿色交通发展铺平道路。

来源：期刊：《装备机械》 作者： 刘田奇  汪 伟  赵 恒  郑继强  徐进壮江苏理工学院 汽车与交通工程学院

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