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本文授權(quán)轉(zhuǎn)載自：驅(qū)動(dòng)視界（ID：VehicleDriveTech），作者：Tony Song 1、EDS電驅(qū)系統(tǒng)概述 隨著電力電子技術(shù)、大規(guī)模集成電路和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展以及新材料的出現(xiàn)和現(xiàn)代控制理論的應(yīng)用，機(jī)電一體化的交流驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)顯示了它的優(yōu)越性，如效率高、能量密度大、驅(qū)動(dòng)力大、有效的再生制動(dòng)、工作可靠和幾乎無(wú)需維護(hù)等，使得交流驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)開(kāi)始越來(lái)越多地應(yīng)用于電動(dòng)汽車中。 EDS（electric drive system）電驅(qū)動(dòng)總成，號(hào)稱電動(dòng)汽車的心臟，電驅(qū)技術(shù)的核心EDS智能電驅(qū)動(dòng)單元包含了電力電子控制單元、高性能動(dòng)力電機(jī)和減速器的高度集成設(shè)計(jì)，相當(dāng)于燃油車的發(fā)動(dòng)機(jī)和變速箱，代表著電動(dòng)汽車的核心技術(shù)。 高性能電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)和集成，對(duì)研發(fā)團(tuán)隊(duì)的技術(shù)考驗(yàn)相當(dāng)大。 2、EDS電驅(qū)系統(tǒng)構(gòu)成
選用小型輕量的高效電機(jī)，對(duì)目前電池容量較小、續(xù)駛里程較短的電動(dòng)汽車現(xiàn)狀顯得尤為重要。目前在電動(dòng)汽車中，主要采用永磁同步電機(jī)(PMSM)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)(SRM)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和異步感應(yīng)電機(jī)(肼)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。 永磁同步電機(jī)(PMSM)是一種高性能的電機(jī)，具有體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、效率高、控制靈活的優(yōu)點(diǎn)，在電動(dòng)汽車上得到了廣泛的應(yīng)用，是當(dāng)前電動(dòng)汽車用電動(dòng)機(jī)的研發(fā)熱點(diǎn)，是異步感應(yīng)電機(jī)的最有力的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手。 永磁電機(jī)的磁鋼價(jià)格較高，磁性能受溫度振動(dòng)等因素的影響，有高溫退磁等問(wèn)題。 開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)(SRM)是由磁阻電機(jī)和開(kāi)關(guān)電路控制器組成的機(jī)電一體化新型調(diào)速電機(jī)。開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)工作時(shí)，依次使定子線圈中的電流導(dǎo)通或截止，電流變化形成的磁場(chǎng)吸引轉(zhuǎn)子的凸出磁極從而產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。 開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本較低，可靠性高，起動(dòng)性能和調(diào)速性能好，控制裝置也比較簡(jiǎn)單。然而在實(shí)際應(yīng)用中，開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)存在著轉(zhuǎn)矩波動(dòng)大、噪聲大、需要位置檢測(cè)器等缺點(diǎn)。 異步感應(yīng)電機(jī)(M)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、堅(jiān)固、成本低、可靠性高、轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)小、噪聲小、轉(zhuǎn)速極限高、無(wú)需位置傳感器及免維護(hù)等特點(diǎn)，美國(guó)以及歐洲研制的電動(dòng)汽車多采用這種電動(dòng)機(jī)。 異步電機(jī)的矢量控制調(diào)速技術(shù)也比較成熟，其電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)具有良好的性能，因此被較早地應(yīng)用于電動(dòng)汽車，目前仍然是電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的主流產(chǎn)品。異步電機(jī)的最大缺點(diǎn)是驅(qū)動(dòng)電路復(fù)雜，效率比永磁電機(jī)和開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)低，特別是在輕載運(yùn)行時(shí)效率更低。因此，如何進(jìn)一步提高異步電機(jī)的運(yùn)行效率，己經(jīng)成為人們關(guān)注的重要課題。
電動(dòng)汽車用的驅(qū)動(dòng)電機(jī)具有寬廣的運(yùn)行范圍，并且在低速恒轉(zhuǎn)矩區(qū)和高速弱磁區(qū)具有良好的轉(zhuǎn)矩．轉(zhuǎn)速性能，為了提高傳動(dòng)系統(tǒng)效率，可以去掉內(nèi)燃機(jī)汽車中必備的十分笨重的機(jī)械齒輪變速器，代之以固定速比減速器的傳動(dòng)系統(tǒng)。 ▲博格華納固定齒比減速器 以特斯拉和日產(chǎn)聆風(fēng)為首的幾款純電動(dòng)汽車，并沒(méi)有搭載一臺(tái)傳統(tǒng)變速箱，而只單純搭載了一組減速器，并不提供換擋功能。 對(duì)于電動(dòng)機(jī)車輛，電動(dòng)機(jī)從0轉(zhuǎn)速開(kāi)始就能全動(dòng)力輸出，沒(méi)有怠速問(wèn)題困擾，初始動(dòng)力也比內(nèi)燃機(jī)大，起步問(wèn)題對(duì)于電動(dòng)車來(lái)說(shuō)就是小菜一碟。沒(méi)有了起步困擾，電動(dòng)機(jī)車就不需要搭配“大齒比減速器”。 ▲博格華納固定齒比減速器 關(guān)于小齒比，對(duì)于內(nèi)燃機(jī)車而言，小齒比高檔位通常是在車輛高速運(yùn)行時(shí)使用，降低發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，一方面可以使發(fā)動(dòng)機(jī)偏向經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)速運(yùn)行可以省油，另一方面可以降低噪音，相信不會(huì)有人能忍受車子長(zhǎng)時(shí)間在四五千轉(zhuǎn)發(fā)出大量噪音時(shí)運(yùn)行的。 而對(duì)于電動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)，不同轉(zhuǎn)速下電能轉(zhuǎn)化成機(jī)械能的效率區(qū)別并不大，而且本來(lái)電動(dòng)機(jī)噪音也遠(yuǎn)小于內(nèi)燃機(jī)，所以沒(méi)必要刻意壓低電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。 ▲博格華納固定齒比減速器 這兩方原因讓電動(dòng)機(jī)既不需要大齒比變速，也不需要小齒比，電動(dòng)車廠只需要就只配一個(gè)齒比中等的減速器，不給配變速箱了，能省點(diǎn)錢就省點(diǎn)錢吧。于是，特斯拉就只單獨(dú)配了一個(gè)齒比為9.73的減速器，日產(chǎn)聆風(fēng)也是一個(gè)減速器齒比為8.19。 從實(shí)際計(jì)算結(jié)果來(lái)看，這個(gè)中等大小齒比的減速器可以滿足電動(dòng)車起步和加速時(shí)的動(dòng)力需求，電動(dòng)機(jī)本身高轉(zhuǎn)速運(yùn)行，也可以使整車跑出較高速度。減速器速比選擇非常重要，如果選擇不合適，將對(duì)整車的性能產(chǎn)生不利影響。通過(guò)多次仿真和實(shí)驗(yàn)測(cè)試，可對(duì)電動(dòng)汽車的固定速比進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，使之具有良好的傳動(dòng)性能。
在現(xiàn)代電動(dòng)汽車電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，通過(guò)功率變換器將電池儲(chǔ)存的直流電經(jīng)電壓/頻率變換后供給電機(jī)和其他交流負(fù)載使用。 功率變換器常見(jiàn)的是三相全橋的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其中，尤以電壓型逆變器為研究最多，而控制方式也是PWM調(diào)制占主流。對(duì)于電動(dòng)汽車，在選用功率器件時(shí)，必須考慮額定值、轉(zhuǎn)換效率、功率損耗、基極/門極的可驅(qū)動(dòng)性、動(dòng)態(tài)特性、堅(jiān)固可靠性、成熟性與成本等要求。 目前，電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的PVvGVI逆變器主要采用IGBT元件，提高工作頻率，降低低頻諧波分量和起動(dòng)時(shí)的電流沖擊。 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)，絕緣柵雙極型晶體管，IGBT是能源變換與傳輸?shù)暮诵钠骷?，俗稱電力電子裝置的“CPU”，應(yīng)用于直流電壓為600V及以上的變流系統(tǒng)如軌道交通、智能電網(wǎng)、航空航天、電動(dòng)汽車與新能源裝備等領(lǐng)域。封裝后的IGBT模塊直接應(yīng)用于變頻器、UPS不間斷電源等設(shè)備上。 IGBT的作用是交流電和直流電的轉(zhuǎn)換，同時(shí)IGBT還承擔(dān)電壓的高低轉(zhuǎn)換的功能：外界充電的時(shí)候是交流電，需要通過(guò)IGBT轉(zhuǎn)變成直流電然后給電池，同時(shí)要把220V電壓轉(zhuǎn)換成適當(dāng)?shù)碾妷阂陨喜拍芙o電池組充電。 電池放電的時(shí)候，把通過(guò)IGBT把直流電轉(zhuǎn)變成交流電機(jī)使用的交流電，同時(shí)起到對(duì)交流電機(jī)的變頻控制，當(dāng)然變壓是必不可少的。IGBT是功率半導(dǎo)體器件，可以說(shuō)是電動(dòng)車的的核心技術(shù)之一,IGBT的好壞直接影響電動(dòng)車功率的釋放速度。 以空調(diào)壓縮機(jī)為例：國(guó)內(nèi)規(guī)定的電壓220V，頻率50Hz的電流經(jīng)整流濾波后得到310V左右的直流電，此直流電經(jīng)過(guò)逆變后，就可以得到用以控制壓縮機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的變頻電源，這就能將50赫茲的電網(wǎng)頻率轉(zhuǎn)變?yōu)?0-130赫茲，利用電源頻率可以控制平滑控制壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速，達(dá)到自動(dòng)無(wú)級(jí)變速，使壓縮機(jī)始終處于最佳工作狀態(tài)。在電動(dòng)車上，可以把電機(jī)看成壓縮機(jī)。兩者原理幾乎完全一致。 IGBT約占電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)成本的一半，而電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)占整車成本的15-20%，也就是說(shuō)IGBT占整車成本的7-10%，是除電池之外成本第二高的元件，也決定了整車的能源效率。2016年全球電動(dòng)車銷量大約200萬(wàn)輛，共消耗了大約9億美元的IGBT管，平均每輛車大約450美元，是電動(dòng)車?yán)锍姵赝庾畎嘿F的部件。 也正因?yàn)镮GBT太重要，豐田在開(kāi)發(fā)混合動(dòng)力車時(shí)就認(rèn)定IGBT管要完全控制在手中，豐田也是全球唯一能夠自產(chǎn)IGBT的汽車廠家（注意：自產(chǎn)，不是買別人的晶圓再做封裝），普銳斯也因此獲得強(qiáng)大的生命力，也是目前全球唯一的強(qiáng)混合動(dòng)力車。
IGBT目前已經(jīng)發(fā)展到7.5代，第7代由三菱電機(jī)在2012年推出，三菱電機(jī)目前的水平可以看作7.5代，同時(shí)IGBT的下一代SiC技術(shù)已經(jīng)在日本全面普及，無(wú)論三菱這樣的大廠還是Fuji、Rohm這樣的小廠都有能力輕松制造出SiC元件，我國(guó)目前停留在第三代水平上，差距在20年以上。 自第六代以后，IGBT自身的潛力已經(jīng)挖掘的差不多了，大家都把精力轉(zhuǎn)移到IGBT的封裝上，也就是散熱。車用IGBT的散熱效率要求比工業(yè)級(jí)要高得多，同時(shí)還要考慮強(qiáng)振動(dòng)條件，汽車級(jí)的IGBT遠(yuǎn)在工業(yè)級(jí)之上。
散熱的關(guān)鍵是材料，而材料科學(xué)是一個(gè)國(guó)家基礎(chǔ)科學(xué)的體現(xiàn)，中國(guó)在這方面非常落后，日本則遙遙領(lǐng)先，不僅在德國(guó)之上，還在美國(guó)之上。 3、EDS一體化電驅(qū)系統(tǒng)技術(shù)淺析 EDS電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)作為能量轉(zhuǎn)化的中樞，要求有非常高的集成度，要集成電力電子控制單元、高性能動(dòng)力電機(jī)和減速器。電力電子控制單元通過(guò)極短的高壓線束與三相永磁同步高性能動(dòng)力電機(jī)相連。可以說(shuō)對(duì)于純電動(dòng)車型來(lái)說(shuō)，一個(gè)高性能的電驅(qū)動(dòng)橋是至關(guān)重要的技術(shù)環(huán)節(jié)。 在EDS電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，感應(yīng)電機(jī)是極其重要的一環(huán)。目前，感應(yīng)電機(jī)和永磁同步電機(jī)是交流電機(jī)最主要的技術(shù)發(fā)展方向。相較而言，感應(yīng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速范圍更廣，能夠在很大范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)高效工作，車輛速度越高越穩(wěn)定，效率發(fā)揮越好。 一體化集成的EDS電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，配備銅轉(zhuǎn)子感應(yīng)電機(jī)、獨(dú)特拓?fù)浼軜?gòu)設(shè)計(jì)的電機(jī)控制器和大扭矩齒輪箱，把電池組中的電能轉(zhuǎn)化成驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車前進(jìn)所需的機(jī)械能，對(duì)電動(dòng)汽車的性能表現(xiàn)起著重要作用。 高功率、大扭矩的動(dòng)力組合，滿足整車配置需求。
EDS電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)搭載的銅轉(zhuǎn)子感應(yīng)電機(jī)，采用了高性能銅材制造轉(zhuǎn)子導(dǎo)電通路來(lái)替代傳統(tǒng)鋁轉(zhuǎn)子，由于銅的電導(dǎo)率比鋁更高，因此，銅轉(zhuǎn)子感應(yīng)電機(jī)的效率更高。 4、國(guó)內(nèi)主流EDS電驅(qū)系統(tǒng) 4.1、上汽榮威 上汽榮威全新開(kāi)發(fā)的EDS電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)能耗優(yōu)化降低至業(yè)界領(lǐng)先的15kWh/百公里。給了駕駛者加速迅猛且安靜的優(yōu)良駕駛體驗(yàn)。
▲上汽榮威ERX5 EDS電驅(qū)動(dòng)單元 ▲上汽榮威ERX5 EDS電驅(qū)動(dòng)單元 4.2、蔚來(lái)汽車 蔚來(lái)汽車高度集成的XPT EDS電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)可輸出240千瓦功率，扭矩達(dá)420牛Nm。 4.3、陸地方舟 第六代HIEDS電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，采用先進(jìn)的硬件架構(gòu)，與合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，電磁兼容性得到了進(jìn)一步的提高，不斷改進(jìn)控制算法，使得電機(jī)運(yùn)行更加平穩(wěn)，響應(yīng)速度更快、能量轉(zhuǎn)化更高?？刂七壿嫺鼮橄冗M(jìn)，使得車輛更為安全。
4.4、比亞迪
4.5、北汽新能源 北汽新能源超級(jí)電驅(qū)技術(shù)e-Motion Drive。北汽新能源自主研發(fā)的e-Motion Drive 2.0智能電驅(qū)系統(tǒng)負(fù)責(zé)采集和監(jiān)控超過(guò)250個(gè)部件的數(shù)據(jù)。
在e-Motion Drive 2.0智能電驅(qū)系統(tǒng)的加持下，能量轉(zhuǎn)化率提升至98%，意味著在同等電量下，比其他純電動(dòng)車將跑得更遠(yuǎn)，從而減少了消費(fèi)者的充電次數(shù)；同時(shí)，讓汽車電路系統(tǒng)更安全穩(wěn)定， 配合ASR系統(tǒng)共同協(xié)作發(fā)力，可將電機(jī)的輸出扭矩調(diào)整到最佳狀態(tài)，確保車輛在濕滑路面的穩(wěn)定行駛，用戶雨雪天開(kāi)車出門更安全；另外，還可確保電池和電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)更加健康，減少車輛的故障率，提高整車使用壽命。 5、目前EDS系統(tǒng)現(xiàn)狀及未來(lái)發(fā)展趨勢(shì) 隨著新能源汽車技術(shù)的不斷發(fā)展，零部件集成化設(shè)計(jì)已經(jīng)成為必然趨勢(shì)。通過(guò)集成化設(shè)計(jì)，一方面可以簡(jiǎn)化主機(jī)廠的裝配，提高產(chǎn)品合格率；另一方面可以大規(guī)?？s減供應(yīng)商數(shù)量，還可以達(dá)到輕量化、節(jié)約成本等目的。 在電驅(qū)動(dòng)技術(shù)方面，目前有“二合一（電機(jī) 減速器）”方案，代表車型是雪佛蘭Bolt；“三合一（電機(jī) 減速器 電機(jī)控制器）”方案，代表車型是特斯拉系列。 還有“多合一（包含電機(jī) 減速器、電機(jī)控制器、充電機(jī)、支流變換器、高壓分線盒、部分整車控制器）”方案，代表車型是寶馬i3。 綜合來(lái)看，目前大多數(shù)企業(yè)只能做到“二合一”的電驅(qū)動(dòng)總成方案，但業(yè)內(nèi)專家預(yù)計(jì)，未來(lái)幾年內(nèi)，三合一電驅(qū)動(dòng)總成方案將成為主流。而從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，電機(jī)、減速器、電機(jī)控制器、高壓分線盒、DC/DC、DC/AC、充電機(jī)等零部件都會(huì)集成為一個(gè)大的動(dòng)力總成。 目前國(guó)內(nèi)大多數(shù)電機(jī)及電控企業(yè)正在由單一產(chǎn)品供應(yīng)商向“電機(jī) 電控 減速器”的動(dòng)力總成提供商轉(zhuǎn)型，但大多數(shù)還在研發(fā)、測(cè)試階段。其中，包括長(zhǎng)安汽車、大洋電機(jī)、精進(jìn)電動(dòng)等企業(yè)已經(jīng)研發(fā)了三合一電驅(qū)動(dòng)總成方案，預(yù)計(jì)最快在2019年實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)應(yīng)用。 |
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