纯电动乘用车动力总成

纯电动乘用车驱动系统发展趋势分析2合1：驱动电机+减速机最常见的纯电动汽车电驱动系统集成方案，多应用于乘用车上，像北汽407EV和佳宝V80L EV等商用车也开始采用的这种方案。特点：①结构简单；②开发成本和制造成本低；③电控系统单独安装，可避免与电机一起高频振动；④整车NVH效果好；⑤减重效果一般。 3合1：驱动电机+减速机+电机控制器此方案是目前主流乘用车的基础配置，特斯拉、蔚来汽车、比亚迪等的驱动系统都至少是“三合一”起步。博世、吉凯恩、采埃孚等公司均有成熟的“三合一”电驱动产品配套。特点：①集成度高，结构紧凑；②开发成本高，制造成本低；③电控系统与电机一起高频振动，耐久性受影响；④减重效果较好。 分布式驱动系统：轮毂电机此方案是未来驱动系统的发展方向，受限于电机尺寸过于庞大，目前主要应用的车型是“电动客车”。以湖北泰特电机公司为首的轮毂电机公司已向电动客车厂批量供应轮毂电机产品，特点：①集成度高，结构紧凑；②开发难度大，制造成本低；③释放整车布置空间，增加总布置的灵活性；④传动效率高；⑤减重效果优异。 纯电动汽车电驱动系统常见集成案例电机+减速器电机+变速箱+后桥 电机+控制器 ZF“三合一”电驱动系统集成方案 典型纯电动乘用车驱动系统（1）特斯拉MODEL S采用后置后驱的布置方式，驱动系统是交流异步驱动电机+减速机+电机控制器的“三合一”集成动力总成。（2）特斯拉MODEL X的后轮电驱动系统与MODEL S相同，额外增加了一套前轮“三合一”电驱动系统，实现四轮驱动。 轮毂电机的技术优点：⚫省略大量传动部件，让车辆结构更简单，有利于电池包布置，使车辆地板结构更简单；⚫传动效率高、重量轻；⚫可实现多种复杂的驱动方式：由于轮毂电机具备单个车轮独立驱动的特性，因此无论是前驱，全时四驱在轮毂电机驱动的车辆上实现起来非常容易。⚫同时轮毂电机可以通过左右车轮的不同转速甚至反转实现类似履带式车辆的差动转向，大大减小车辆的转弯半径，在特殊情况下几乎可以实现原地转向，对于特种车辆很有价值；⚫适用于几乎所有车型。 轮毂电机的技术缺点：⚫轮毂电机较大幅度地增大了簧下质量，同时也增加了轮毂的转动惯量，这对于车辆的操控性能是不利的。⚫电制动性能有限，维持制动系统运行需要消耗不少电能：⚫由于轮毂电机系统的电制动容量较小，不能满足整车制动性能的要求，都需要附加机械制动系统；⚫没有了传统内燃机带动的真空泵，就需要电动真空泵来提供刹车助力，但也就意味着有更大的能量消耗。⚫轮毂电机工作的环境恶劣，面临水、灰尘等多方面影响，在密封方面也有较高要求，同时在设计上也需要为轮毂电机单独考虑散热问题。 轮毂电机和轮边电机的方案对比轮毂电机轮边电机 混动系统驱动电机ISG单电机混动结构 本田双电机混动结构 电驱动技术发展趋势（1）高功率密度：峰值功率密度达到5.0kW/kg，连续功率密度达到3kW/kg。（2）系统集成化：多部件集成设计和制造有利于减小系统重量和体积，降低系统制造成本。同时也提高了整车厂的生产效率，降低了管理成本。（3）电机永磁化：永磁电机凭借着高转矩和高功率密度的特点，占据着接近八成的车用驱动电机的市场份额；（4）高速化：高速电机可以大量节省昂贵的永磁体材料，也能减小电机体积，对提升功率密度，降低制造成本效果显著；（5）减速系统多挡化：经模拟仿真和实车试验证实，多挡（≥2）变速系统可以拓宽电机高效区的应用区间，降低系统能耗，NEDC工况下能提升10%左右续驶里程；（6）冷却手段多样化：为提升电机功率极限，提高电机的散热能力是卓有成效的技术手段之一。随着MODEL 3的大卖，油冷电机将成为市场的新宠。在未来，综合应用内部油冷与壳体水冷的驱动产品将成为主流。重量-20%、成本-30% Figure1双电机结构想象图特斯拉介绍了一种双电机结构。他们称之为：“双电机差速器一体化结构”双电机结构图-特斯拉专利电动汽车双电机驱动产品 特斯拉的两台电机看上去长的一样，但却是有主次之分的。辅助电机的转矩转速外特性是比较平缓的，如下图所示一样，像一条水平线。主电机的外特性是典型的恒转矩恒功率外特性。两台电机的转矩相加后，构成了合成外特性。特斯拉两台电机设计有明显区别，主电机提供主要的动力，其基速设置在转矩下降到95%位置处，大概7200rpm。辅助电机的基速设置为主电机的150%以上，超过了10000rpm。如此辅助电机的恒转矩范围就很宽，成了一个恒转矩源。他们是这样考虑问题的。主电机单独运行在重载低速情况；辅助电机单独运行在轻载的情况；当需要重载高速时，辅助电机作为恒转矩源补偿主电机在高速时转矩下降效应，以增强高速动力性。如此每台电机可以分工况优化，每台电机的高效区域可以充分利用，达到系统效率最优。双电机结构特性-特斯拉专利 为什么要双电机驱动如果是单电机系统，为了考虑爬坡或者高速等极端工况，电机往往选的比较大，而在实际运行过程中又经常工作在低速低载工作点，可能连最大转矩30%都不到，这样电机的效率不会高的，造成很大的能量浪费。下图为纯电动轿车在UDDS循环工况下的电机工作点分布图。可以发现这种设计和实际的反差。为了避免出现能量的浪费，设置两台电机，根据行驶工况，动态的选择是一个电机工作，还是两个电机一起工作。如此实现，“大马拉大载、小马拉小载”的优化效果。经常工作点和偶发工作点的对比 两台一模一样的电机合成的外特性一大一小两台不一样电机合成外特性为什么特斯拉选择一大一小两台电机？因为他们论证下来一大一小的配置的整体重量小于两台同样大小的电机。三个图说明这个问题:第一幅图是两台一模一样的电机1组合，它们合成外特性为合成特性1，第二幅图是一台电机1和一台恒转矩辅助电机2组合，他们的合成外特性为合成2。两种合成方式特性对比对比合成1和合成2的特性，就会发现：在峰值功率点的转矩，合成1反而不如峰值2。也就说一大一小两类不同特性电机组合而成的高速性能，反而比两台同样大的电机更好。这是因为普通车用电机的弱点是：高速时由于电压约束，输出能力会明显下降。而恒转矩电机能以最少的成本，补偿普通电机的弱点，这叫差异化互补。 轮毂双电机：轮毂电机当下炙手可热，一般是双电机结构，安装在前轮或者后轮上。轮毂电机的优点是一个电机驱动一个轮子。省略大量传动部件，让车辆结构更简单。轮边双电机的优点是：消机械差速装置有利于动力系统减轻质量，提高传动效率，降低传动噪声。 双电机动力耦合可以分为：1）转矩耦合型：就是两个电机能够把力矩耦合在一起，实现转矩合成。但两台电机的转速不能合成，每台都必须达到高速。特斯拉就是转矩耦合型。其它的转矩耦合结构成员如下所示：如图所示，这种结构是两个电机分开布置的，电机采用的是传统电机，每个电机接齿轮减速装置，两个电机的动力同轴输出，可以实现两个电机分别驱动以及两个电机的转矩耦合驱动，但输出的转速不能叠加。（a）单电机驱动对比图 （b）转矩耦合驱动对比图 简单的理解就是：如果把合成电机当作一台等效电机，那么这台电机就至少有三个高效区域，如上图的红绿蓝部分，而普通电机只有一个高效区域。但缺点是合成电机的高转速区时效率仍然比较低。2）转速耦合型：要实现转速耦合就必须实现两台电机的转速是能够叠加合成的。这里就需要一个关键机构：行星减速器。行星齿轮分为太阳轮、行星架、行星轮。就像太阳系一样运转并实现了转速的叠加合成。转速耦合型种类有很多，下图是一个比较典型的结构。它的特点是一个电机接太阳轮，另外一个电机接行星架，通过行星轮输出。 转矩转速双耦合型如果能够将两种耦合机构进行有效的组合，可以实现既有转矩耦合工作模式，又兼有转速耦合工作模式，能够形成多种工作模式的有效组合，更好的满足车辆多变行驶工况。（a）单电机驱动对比图（b）转速耦合驱动对比图（a）转矩耦合驱动动力传动路线（b）转速耦合驱动动力传动路线上图就是一种双耦合的结构，可以两台电机通过普通减速器连接，实现转矩叠加。也可以切换成行星减速器连接，实现转速叠加。转速耦合型结构由两种工作模式，实现了合成等效电机转速和功率的扩展。带来的好处也可以通过高效区域增加来理解。通过转速合成，相当于合成等效电机额外拥有了一个高速高效区域。（下图中红色部分），如此实现了节能效果。比特斯拉双电机结构更高明一点。 如此可以组合出非常多的工况，相当于合成电机有了四个高效区域。如下图所示。如此电机总是工作在高效区间，不但续航里程高。而且可以同时获得高转矩（转矩耦合特性），高转速（转速耦合特性）的等效特性。可以说双耦合型结构是双电驱结构中的大哥大，是集大成者，但相应的结构也更复杂、控制算法也更复杂。需要通过复杂的算法去优化如何切换模式，达到性能最优。他们的共同基因就是拥有一项核心竞争力：“高效节能”。相比较单电机运行的系统，他们具备更多的高效区间。他们获得这种核心能力的策略是“差异化互补”。通过两台不同特型的电机，相互配合达到系统效率最优。双电机家族如下图所示： 纯电动商用车动力总成现状分析项目后置后驱半轴输出中央驱动系统同轴/平行轴电驱桥图片开发方案电机与减速机集成一体，通过悬置支架布置在后轴，通过双半轴进行动力传输。驱动电机与变速箱集成，替代原车发动机和变速箱，发挥电机的高速优势。电机与传统驱动桥进行集成，电机经减速增扭后直接驱动车轮。厂商北汽新能源、一汽吉林轻型汽车厂采埃孚、吉凯恩、易佳斯采埃孚、东风德纳、汉德车桥特点系统效率低；开发成本高和制造成本高；占用空间大，动力电池包布置困难；整车NVH效果好；重量大。系统效率低；开发难度小和制造成本低；占用空间大，动力电池包布置困难；系统重量与前者持平节省传动轴、悬置支架等零部件，重量小，装车成本低；传动效率高；占用空间小，便于动力电池包布置；NVH效果差；簧下重量大且偏置，不利于整车操控性。 纯电动商用车驱动系统发展趋势分析（1）沿用传统车结构与燃油车驱动系统结构相同：用驱动电机和减速机替代发动机和变速箱，为了扩大电池组的布置空间，通常会缩减传动轴的尺寸，通过原车驱动桥进行动力传输。特点：①用传统燃油车车身改制，改制难度小，风险低；②开发周期短，制造成本低；③占用车辆X向空间大，不利于电池包布置；④离地间隙小，无法用于低地板公交车；⑤驱动系统轻量化水平不高；⑥应用此种改制方案的商用车辆整车EKg值在0.45左右，不满足国家最新补贴标准（≤0.35）。▲沿用传统车结构 （3）轮毂电机驱动桥：驱动电机和减速机集成在车轮轮毂内部空间。下图为湖北泰特量产配套的轮毂电机。特点：①高度集成，零件数量少，结构紧凑；②释放地板下空间，有利于电池包布置；③适合所有车型使用；④对比前两种布置方式重量最轻；⑤簧下质量和转动惯量稍大，对操控性略有影响；⑥传动效率高，能耗少。（2）轮边电机驱动桥：驱动电机、减速机与车桥集成在一起；长江新能源和比亚迪均开发出了轮边电驱动桥产品；这种结构常应用于纯电动重卡和公交等车型。特点：①集成度高，结构紧凑；②完全释放地板下空间，有利于电池包布置；③特别适合低地板纯电动公交车使用；④重量比传统中央驱动方式稍轻；⑤簧下质量较大，对操控性略有影响；⑥开发难度大，制造成本较高；⑦系统传动效率高。 比亚迪K9大巴轮边双电机轮边电机和轮毂电机的思路很像，轮毂是直接安装在轮子上，但这样转速就比较低，功率密度较小。轮边电机也是单独驱动轮胎，但是增设了一个减速器，这样转速得以提高。