電動(dòng)汽車電驅(qū)系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢(shì)研究

趙娜

摘 要：汽車發(fā)展100多年來(lái)，改變了人們的出行方式，帶來(lái)極大的便利。但是燃油汽車排放引起嚴(yán)重的環(huán)境問(wèn)題，節(jié)能減排成為全球共識(shí)。在此背景下，電動(dòng)汽車蓬勃發(fā)展，但目前仍處于在電動(dòng)汽車發(fā)展的初級(jí)階段，面臨著各自問(wèn)題。其中制衡電動(dòng)汽車發(fā)展的就是電驅(qū)系統(tǒng)技術(shù)，它成本高導(dǎo)致電動(dòng)汽車無(wú)法大面積普及。本文針對(duì)電動(dòng)汽車電驅(qū)系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢(shì)進(jìn)行研究，明確國(guó)內(nèi)外技術(shù)差距，為電驅(qū)系統(tǒng)發(fā)展提供參考建議。

關(guān)鍵詞：電動(dòng)車;電驅(qū);電機(jī);電控

一、引言

汽車為人民的生活帶來(lái)了便利，但是其排放污染物也破壞了我們賴以生存的大氣環(huán)境。隨著環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)，世界各地都出臺(tái)了排放限制法規(guī)，減少汽車排放污染物，保護(hù)地球大氣環(huán)境。[1]

為了應(yīng)對(duì)日益嚴(yán)格的排放法規(guī)，全球汽車廠商制定了新能源汽車計(jì)劃表。其中電動(dòng)化是新能源汽車發(fā)展的重要趨勢(shì)。目前以特斯拉為首的新興電動(dòng)汽車勢(shì)力正在高速發(fā)展，以大眾為首的傳統(tǒng)燃油汽車廠商正以壯士斷腕的決心實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)變。

雖然電動(dòng)車蓬勃發(fā)展，但受技術(shù)限制，電動(dòng)汽車的價(jià)格居高不下，且技術(shù)穩(wěn)定程度相較燃油車還有一定差距，所以電動(dòng)汽車的銷售仍然只占燃油汽車極小比例。其中影響價(jià)格及穩(wěn)定性最關(guān)鍵的就是電動(dòng)汽車的三電部品技術(shù)：電池、電機(jī)和電控。其中電機(jī)和電控合并簡(jiǎn)稱為電驅(qū)系統(tǒng)，本文針對(duì)電驅(qū)系統(tǒng)的技術(shù)現(xiàn)狀及趨勢(shì)進(jìn)行研究，為電動(dòng)汽車發(fā)展盡綿薄之力。

二、發(fā)展現(xiàn)狀

電驅(qū)系統(tǒng)直接影響汽車動(dòng)力傳遞，其技術(shù)水平直接影響著電動(dòng)汽車的整車性能，是衡量電動(dòng)汽車質(zhì)量的重要指標(biāo)之一。就電動(dòng)汽車動(dòng)力總成系統(tǒng)而言，現(xiàn)有的電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)方式主要有集中式驅(qū)動(dòng)和分布式驅(qū)動(dòng)兩種。

電動(dòng)汽車集中式驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)采用高功率密度的驅(qū)動(dòng)電機(jī)取代傳統(tǒng)汽車的燃油發(fā)動(dòng)機(jī)，同時(shí)保留大部分傳統(tǒng)汽車原有的整套機(jī)械傳動(dòng)、制動(dòng)系統(tǒng)。

電動(dòng)汽車分布式電驅(qū)系統(tǒng)將多個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)直接安裝在車輪側(cè)，并將驅(qū)動(dòng)、傳動(dòng)、制動(dòng)裝置都整合在一起，省去了離合器、變速器、差速器等機(jī)械傳動(dòng)總成，能顯著減小車輛簧載質(zhì)量、縮短機(jī)械傳遞鏈和提高傳動(dòng)效率，同時(shí)大大簡(jiǎn)化電動(dòng)汽車底盤(pán)結(jié)構(gòu)。

電動(dòng)汽車集中式驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是現(xiàn)階段電動(dòng)汽車的主流驅(qū)動(dòng)模式，也是本文研究的主要研究對(duì)象。

（一）電驅(qū)系統(tǒng)整體介紹

電驅(qū)系統(tǒng)是電動(dòng)汽車的動(dòng)力傳遞裝置，它主要由3 IN 1、MCU、電機(jī)和減速器組成。動(dòng)力傳遞過(guò)程為：直流電從電池包傳輸至3 IN 1中進(jìn)行電壓轉(zhuǎn)換，流入MCU變成滿足電機(jī)需要的交流電，然后通過(guò)電機(jī)將電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能，電機(jī)輸出扭矩，經(jīng)過(guò)變速箱放大，最后通過(guò)差速器將動(dòng)力分配到不同輪胎上。

（二）充電3合1

充電3IN1是電池包充放電接口，包含DCDC、OBC和PDU。DCDC指將高壓電變壓為低壓電，給蓄電池等電器件供電。OBC指可將220AC轉(zhuǎn)換為高壓直流電，根據(jù)BMS要求進(jìn)行恒流恒壓輸出。PDU為高壓配電盒，將電池電源分配給DCDC、OBC等各高壓電器件。其結(jié)構(gòu)示意圖如下，主要由安裝基體、繼電器、DCDC、散熱器及OBC等組成。

（三）MCU

MCU是電機(jī)控制單元，通過(guò)接收VCU的車輛行駛控制指令，將直流電轉(zhuǎn)為交流電，且為電機(jī)需要的交流電形態(tài)，通過(guò)電流矢量分解和波形達(dá)成扭矩控制，控制電動(dòng)機(jī)輸出指定的扭矩和轉(zhuǎn)速，驅(qū)動(dòng)車輛行駛。

MCU電機(jī)控制單元功能：①怠速控制（爬行）;②電機(jī)正轉(zhuǎn)（前進(jìn)）;③電機(jī)反轉(zhuǎn)（倒車）;④能量回收（交流轉(zhuǎn)直流）;⑤駐坡（防止溜車）。其內(nèi)部組成如下圖所示，主要包含薄膜電容、IGBT、三相銅排及一系列相關(guān)的傳感器。

（四）電機(jī)

電機(jī)是將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的關(guān)鍵裝置，其基本原理是導(dǎo)體在磁場(chǎng)中通電，導(dǎo)體會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)。目前電動(dòng)汽車常用的電機(jī)包含交流感應(yīng)電機(jī)和永磁同步電機(jī)[2]，其對(duì)比如圖所示，相對(duì)來(lái)說(shuō)，永磁同步電機(jī)在電動(dòng)汽車中應(yīng)用更廣泛。

圖6為永磁同步電機(jī)爆炸圖，其主要由安裝基體、轉(zhuǎn)子總成、定子總成及密封裝置組成，轉(zhuǎn)子總成主要包括永磁體、硅銅片和定子鐵芯，定子總成主要包括鑄鋁和銅線繞組。

（五）減速器

減速器是將電機(jī)輸出的扭矩進(jìn)行放大，滿足車輛驅(qū)動(dòng)的需要。但電動(dòng)汽車的變速器比燃油汽車的要簡(jiǎn)單了很多，如下圖所示，它由兩級(jí)齒輪完成單檔的變速，由差速器完成兩個(gè)車輪的轉(zhuǎn)速，扭矩分配。

三、發(fā)展趨勢(shì)

（一）電驅(qū)系統(tǒng)高度集成化

在電動(dòng)汽車發(fā)展初期，電機(jī)、減速器、逆變器及電機(jī)控制器等分布在整車各個(gè)地方，驅(qū)動(dòng)電機(jī)需要三根又長(zhǎng)又重的UVW高壓線連接到逆變器，容易產(chǎn)生電磁干擾，生產(chǎn)成本十分昂貴，且占用大量空間。隨著技術(shù)的發(fā)展，高度集成的3IN1電驅(qū)產(chǎn)品不斷發(fā)展。

集成的電驅(qū)系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)輕量化、增大車內(nèi)空間，同時(shí)布局靈活，有利于車企平臺(tái)化的設(shè)計(jì)，可以為不同車型搭載同一套系統(tǒng)。

圖8 電驅(qū)系統(tǒng)集成化演變

電驅(qū)系統(tǒng)集成化是必然趨勢(shì)，三合一是目前的主流方向，未來(lái)可能會(huì)實(shí)現(xiàn)多合一方案。目前華為已經(jīng)在研究多合一集成化電驅(qū)系統(tǒng)，通過(guò)將電機(jī)、MCU、PDU、OBC、DCDC、減速器、BCU等七大部件高度集成，一方面實(shí)現(xiàn)了機(jī)械部件和功率部件的高度融合，另一方面可將智能化帶入到電驅(qū)系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)端云協(xié)同與控制歸一。我國(guó)目前研究進(jìn)展基本與國(guó)外同步，但是在高速減速器及其軸承、齒輪等配套關(guān)鍵零部件上仍存在差距，電機(jī)與減速器的深度集成需要進(jìn)一步強(qiáng)化。

（二）電機(jī)技術(shù)發(fā)展

電機(jī)是電動(dòng)汽車電驅(qū)系統(tǒng)的關(guān)鍵核心部件，其性能的優(yōu)劣，是衡量電動(dòng)汽車是否具備優(yōu)良動(dòng)力性能的關(guān)鍵因素之一。目前的技術(shù)發(fā)展方向包括提高材料利用率、提升電機(jī)與整車工況效率匹配以及提升電機(jī)品質(zhì)和降低成本。

提高材料利用率，一方面要優(yōu)化電機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)電機(jī)輕量化與集成化，另一方面要開(kāi)發(fā)新材料及新工藝，減少稀缺材料的使用量。提升電機(jī)與整車工況效率匹配，近幾年發(fā)展出自適應(yīng)控制[3]、變結(jié)構(gòu)控制[4]、模糊控制和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制[5]等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)電機(jī)與整車工況效率匹配。

提升電機(jī)品質(zhì)和降低成本，通過(guò)永磁高效化、新材料及制造工藝運(yùn)用等方式實(shí)現(xiàn)。具體技術(shù)方向包含：①使用低損耗硅鋼、高性能磁鋼、成型繞組、匯流排、磁鋼定位封裝等先進(jìn)工藝;②關(guān)鍵材料及部件國(guó)產(chǎn)化，提升自主工藝開(kāi)發(fā)及生產(chǎn)線建設(shè)能力;③加大關(guān)鍵零部件技術(shù)研發(fā)，如軸承、轉(zhuǎn)子及扇線繞組;④開(kāi)發(fā)低成本高性能、耐高溫穩(wěn)定性高稀土永磁材料，同時(shí)設(shè)計(jì)上減少稀土等貴重材料的使用量。

總體上說(shuō)，我國(guó)電機(jī)技術(shù)在功率密度、轉(zhuǎn)速、效率等關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)與國(guó)外相當(dāng)，在扁導(dǎo)線制造工藝方面有一定積累，未來(lái)需要加大耐電暈?zāi)透邷亟^緣材料、高強(qiáng)度耐高溫高熱導(dǎo)絕緣材料、低重稀土永磁材料、高導(dǎo)磁低損材料及骨架、直接油冷電機(jī)材料等的替代應(yīng)用及兼容性問(wèn)題研究。

四、總結(jié)

電動(dòng)汽車的發(fā)展對(duì)我國(guó)來(lái)說(shuō)是一種挑戰(zhàn)也機(jī)遇，一方面是實(shí)現(xiàn)汽車產(chǎn)業(yè)彎道超車的重要機(jī)會(huì)，另一面也是考驗(yàn)著我國(guó)技術(shù)研發(fā)及產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)建設(shè)水平。我國(guó)電動(dòng)汽車發(fā)展與外國(guó)仍有差距，我們?nèi)孕枰龊靡韵路矫娴难芯浚?/p>

（1）加快傳統(tǒng)關(guān)鍵零部件的研發(fā)，如軸承、轉(zhuǎn)子等;

（2）利用數(shù)字化技術(shù)實(shí)現(xiàn)電驅(qū)系統(tǒng)的集成化、高效化及智能化;

（3）研發(fā)電機(jī)新材料及新工藝，降低產(chǎn)品價(jià)格及提升產(chǎn)品品質(zhì)。

本文對(duì)電驅(qū)系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢(shì)做了粗略的研究及概況，明確出我國(guó)與國(guó)外技術(shù)水平的差距，并提出建議，希望為電動(dòng)汽車電驅(qū)系統(tǒng)的發(fā)展提供綿薄之力。

參考文獻(xiàn)：

[1] 中國(guó)公路學(xué)報(bào)編輯部. 中國(guó)汽車工程學(xué)術(shù)研究綜述2017[J].中國(guó)公路學(xué)報(bào)，2017，30（ 6） ： 1-188.

[2] Chau K T，Chan C C，Liu C. Overview of Permanent-magnet Brushless Drives for Electric and Hybrid Electric Vehicles[J]. IEEE Transactions on industrial electronics，2008，55（ 6） ： 2246-2257.

[3] Rodriguez J，Kazmierkowski M P，Espinoza J R，et al. State of the Art of Finite Control Set Model Predictive Control in Power Electronics[J]. IEEE Transactions on Industrial Informatics，2013，9（ 2） ：1003-1016.

[4]Kouro S，Perez M A，Rodriguez J，et al. Model Predictive Control：MPC's Role in the Evolution of Power Electronics[J]. IEEE Industrial Electronics Magazine，2015，9（ 4） ： 8-21.

[5]王鵬博，盧秀和.基于模糊PI 及矢量變換控制方法的電動(dòng)車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)工況適應(yīng)性研究[J]. 電測(cè)與儀表，2019，56 （ 08） ：57-63.