新能源汽車的核心技術(shù)
——驅(qū)動系統(tǒng)

文：王高明

新能源汽車的核心技術(shù)
——驅(qū)動系統(tǒng)

文：王高明

近幾年，在國家相關(guān)政策的支持下，新能源汽車產(chǎn)業(yè)得到了大力發(fā)展，新能源汽車技術(shù)也受到了業(yè)內(nèi)外人士的普遍關(guān)注。目前國內(nèi)新能源汽車大多都是基于傳統(tǒng)現(xiàn)有車型開發(fā)出的，與傳統(tǒng)內(nèi)燃機汽車最明顯的區(qū)別，就是驅(qū)動形式的不同。

目前市場上常見的新能源汽車主要有4類：純電動汽車、增程式純電動汽車、混合動力汽車和插電式混合動力汽車。這4種類型的新能源汽車，其驅(qū)動系統(tǒng)所采用的技術(shù)也各有特色。為了便于廣大維修技術(shù)人員對新能源汽車的驅(qū)動技術(shù)有清晰的了解，筆者在此以北汽新能源EV200、特斯拉Model s、寶馬i3、豐田普銳斯、沃爾沃XC90混合動力車型（簡稱XC90混動）以及比亞迪秦等車型為例，對這些車型的驅(qū)動系統(tǒng)一一進行剖析。

1.北汽新能源EV200

北汽新能源EV200是一款純電動汽車，它的動力核心部件是：蓄電池、電機控制器、三相同步電機，它的驅(qū)動原理是電機控制器MCU接收到車輛控制器（VCU）傳輸過來的加速踏板和制動踏板信號，然后控制三相同步電機進行加速、減速運轉(zhuǎn)，其控制原理如圖1所示。

三相同步電機的功率器件絕緣柵雙極性晶體管（IGBT）模塊的脈寬調(diào)制（PWM）波形控制原理都是類似的。通過單片機控制IGBT驅(qū)動模塊，再進而控制IGBT，實現(xiàn)兩相直流和三相交流的轉(zhuǎn)換，其控制原理如圖2所示。

IGBT控制端的驅(qū)動電壓一般為15 V左右，而單片機GPIO管腳的電壓一般為3.3 V。所以要對IGBT控制時，必須外加IGBT隔離驅(qū)動模塊（M57962L），如圖3所示。

2.特斯拉Model s

特斯拉Model s和北汽EV200都是純電動汽車，其動力核心部件是：蓄電池、電機控制器和三相異步電機。由此可以看出，特斯拉與北汽新能源的EV200在動力元件組成上有一個很大區(qū)別，那就是三相電機的不同。一個采用同步電機，一個采用異步電機。同步電機有轉(zhuǎn)速容易控制、能量利用高的優(yōu)點，而異步電機有功率大、轉(zhuǎn)矩大和耐高溫的優(yōu)點。

雖然異步電機有天生的“轉(zhuǎn)速差”，但轉(zhuǎn)速差同樣是可控的，只要控制到合理范圍，并不影響大局。而且，這在一定程度上跟IGBT的PWM控制程序有很大關(guān)系。也就是說，即使EV200也用特斯拉的三相異步電機，但是由于控制程序的不同，是無法獲得特斯拉大轉(zhuǎn)矩、穩(wěn)定性好和轉(zhuǎn)速可控性強的優(yōu)點的。

另外，特斯拉所采用的三相交流異步電機，每相采用的推挽電路由28個IGBT驅(qū)動，共使用84個IGBT。加上其他部位的IGBT，特斯拉的三相交流異步電機共使用96個晶體管，均采用分離型IGBT管，而不是常見的模塊型。特斯拉使用的IGBT是IR公司（已被英飛凌收購）的AUIRGPS4067D1型IGBT單管（圖4），采用了20世紀80年代初的TO-247封裝。

其實無論是特斯拉、還是其他類電動車，他們的電機控制器MCU核心技術(shù)就是對雙絕緣柵極型晶體管IGBT的控制策略，包括硬件和軟件部分。特斯拉MCU內(nèi)部的IGBT要比EV200的多很多。

3.寶馬i3

寶馬i3有2種動力配置，一種是純電動，一種就是增程式純電動。增程式純電動相比純電動多了一個2缸的小排量汽油發(fā)動機和增程式電機，其驅(qū)動系統(tǒng)所有的核心部件位置如圖5所示。

它的驅(qū)動方式就是，當(dāng)高電壓蓄電池的電量消耗到一定程度后，增程式電機與發(fā)動機曲軸相連接，并充當(dāng)起動機以起動發(fā)動機。當(dāng)發(fā)動機起動后，增程式電機轉(zhuǎn)變?yōu)榘l(fā)電機（這個轉(zhuǎn)變過程由增程式電機控制器REME控制）。寶馬i3驅(qū)動系統(tǒng)的控制原理如圖6所示。發(fā)動機帶動增程式電機發(fā)電，發(fā)出的電傳輸給高電壓蓄電池。高電壓蓄電池將兩相直流電傳輸給驅(qū)動電機控制器，驅(qū)動電機控制器控制三相驅(qū)動電機工作，從而帶動車輪運轉(zhuǎn)。

有人會說，這樣設(shè)置不是多此一舉么？其實此言差矣，由于大排量發(fā)動機污染環(huán)境，而且驅(qū)動電機已經(jīng)完全有能力提供足夠的動力（此時大排量的發(fā)動機就是累贅）。在這樣的情況下，增加小排量發(fā)動機的作用就很明顯了，既可以減少尾氣排放，又可以增加續(xù)航里程，還能夠降低設(shè)計和制造成本。

4.豐田普銳斯

豐田普銳斯屬于混合動力車型，其動力部分核心元件有：MG1（充當(dāng)起動機和發(fā)電機）、MG2（驅(qū)動電機）和發(fā)動機；控制元件有：發(fā)動機控制單元、變頻器總成（主要用于控制MG1和MG2）以及HVECU混合動力總控制器。其動力部分整體結(jié)構(gòu)如圖7所示，控制系統(tǒng)組成如圖8所示。

車輛的“驅(qū)動力”在變速耦合機構(gòu)中形成，可以是MG2單獨驅(qū)動，也可以是發(fā)動機單獨驅(qū)動，還可以是MG2和發(fā)動機混合驅(qū)動。

由于混合動力車型相對于插電式混合動力而言，其蓄電池較小，電壓也就在200 V左右，因此會在變頻器總成內(nèi)設(shè)有“升壓轉(zhuǎn)換器”，可把電壓升至500 V左右，然后經(jīng)變頻器變成三相交流電，如圖9所示。

豐田普銳斯的變頻器總成內(nèi)也集成了DC-DC裝置，其目的就是把HV蓄電池的高壓電轉(zhuǎn)變?yōu)檩o助蓄電池的12 V低壓電，供低壓系統(tǒng)使用（圖10）。

假設(shè)HV蓄電池由于某種原因沒電了，將會導(dǎo)致車輛無法起動。此時可以通過診斷儀設(shè)置DC-DC從輔助蓄電池向HV蓄電池進行反向充電，由于充電電壓較低（低電壓充電），所以一般要充很長時間。

5.沃爾沃XC90混動

沃爾沃XC90混動車型的動力核心部件有：MG1（充當(dāng)起動機和發(fā)電機）、MG2（驅(qū)動電機）和發(fā)動機（2.0T雙渦輪增壓，型號B4304T27），驅(qū)動系統(tǒng)組成如圖11所示。

XC90混動在驅(qū)動方面和普銳斯最大的不同，在于MG2主要驅(qū)動后輪主減速器。所以XC90混動并沒有動力耦合機構(gòu)。它雖然是四驅(qū)車型但沒有傳動橋，電池豎立布置于底盤上。

XC90在車輛起動按鈕的后方設(shè)置了駕駛模式選擇開關(guān)DRIVE MODE（圖13）。如果選擇純電動行駛，此時發(fā)動機關(guān)閉，車輛只有后驅(qū)行駛。但電池剩余電量SOC下降到一定程度后，就會強制轉(zhuǎn)變?yōu)锳UTO模式運行。在AUTO模式下，如果深踩加速踏板時發(fā)動機起動，此時車輛以四驅(qū)模式行駛。

6.比亞迪秦

比亞迪是國內(nèi)較早研發(fā)混合動力的整車企業(yè)，但是在研發(fā)過程中遭遇豐田汽車的專利門檻。豐田汽車很早就開始發(fā)展混合動力汽車，其研發(fā)出一套采用行星齒輪動力分配機構(gòu)的混合動力模式（圖14）。這套模式包括2個電機、1個發(fā)動機和1套行星齒輪動力分配機構(gòu)，其核心就是這套行星齒輪動力分配機構(gòu)。該機構(gòu)可以巧妙地讓發(fā)動機和電機根據(jù)實際的運行狀況，要么形成并聯(lián)，即發(fā)動機和電機一起驅(qū)動車輛；或者形成串聯(lián)，即發(fā)動機作功用于發(fā)電，1個電機充當(dāng)發(fā)電機，另外1個電機則充當(dāng)電動機驅(qū)動車輛。而這套動力分配機構(gòu)是有專利的。

比亞迪秦的驅(qū)動方式與普銳斯比較相似，其動力核心部件有：MG1（充當(dāng)起動機和發(fā)電機）、MG2（驅(qū)動電機）和發(fā)動機。與普銳斯的不同在于，比亞迪秦采用了一套耦合機構(gòu)代替行星齒輪動力分配機構(gòu)，從而實現(xiàn)發(fā)動機與電機共同驅(qū)動，或者純電動驅(qū)動，這就是比亞迪對外宣稱的“雙?！?。

另外，比亞迪秦屬于插電式混合動力汽車，它能夠外接電源充電，而普銳斯則不能外接電源充電。普銳斯在變頻器總成內(nèi)有蓄電池升壓裝置，而秦的變頻器總成內(nèi)沒有升壓裝置，原因是比亞迪秦的電池遠比普銳斯的電池大，輸出電壓高達700 V，根本無需升壓裝置進行升壓。