汽车智能底盘原理及技术 课件 第二章 智能驱动系统

第二章智能电驱动系统智能驱动系统课前小讨论2比亚迪电驱动系统的发展经历了显著的迭代和进步。该系统从分立式发展起步，逐步演进至“3+3”模式，最终发展到目前的多合一高集成度生产平台。其中，第四代电驱动技术尤为突出，作为全球首款量产的集成八大部件的深度集成动力模块，其不仅集成了驱动电机、电机控制器、减速器、整车控制器等关键部件，还显著减少了体积和重量，提升了系统综合效率至89%。此外，基于e平台3.0开发，该电驱动系统已成功搭载于比亚迪的e3.0首款轿车及纯电动SUV上，展现了其轻量化、小型化、高效率和高智能的核心优势。这一系列的发展表明，比亚迪在电驱动技术方面持续创新，致力于提供更为先进、高效的新能源汽车动力系统。目前汽车驱动系统的主要类型有哪些？其发展趋势是什么？第二章

智能电驱动系统

3智能电驱动系统基本结构与工作原理集中式驱动系统分布式驱动系统智能电驱动系统基本结构与工作原理1.1智能电驱动系统基本结构智能电驱动系统由传感器、电子控制单元及执行器三大部分组成智能电驱动系统基本结构实时监测车辆的状态和驾驶员的操作将电能转化为机械能，实现对车辆动力的精确控制智能电驱动系统基本结构与工作原理5电路磁路机械能电能驱动电机是依据电磁感应定律和电磁力定律实现机电能量转换和信号传递的装置。1.1智能电驱动系统基本结构驱动电机智能电驱动系统基本结构与工作原理6交流异步电机永磁同步电机变压器旋转电机直流电机驱动电机1）按运动方式分类：2）按功能方式分类：电机发电机：由原动机拖动，将机械能转换成电能电动机：将电能转化为机械能，驱动电力机械变压器、变流机、变频机、移相器：分别用于改变电压、电流、频率和相位控制电机：进行信号的传递和转换，控制系统中的执行，检测或解算元件电机1.1智能电驱动系统基本结构驱动电机分类智能电驱动系统基本结构与工作原理7定子：主要包括定子绕组和定子铁心两部分。定子绕组主要分为分布式和集中式两种形式；转子：包含永磁体、转子铁心、转轴、轴承等。根据永磁体在转子上的不同安放位置，永磁同步电机通常被分为表贴式转子结构和内置式转子结构。1.1智能电驱动系统基本结构永磁同步电机永磁同步电机（PMSM）是一种先进的电动机，其核心部件包括定子、转子以及端盖等，这些部件共同协作以实现高效的能量转换和动力输出。智能电驱动系统基本结构与工作原理8基本原理：当向定子绕组通入交流电时，会在定子内部产生一个旋转磁场。由于永磁体产生的磁场与定子产生的旋转磁场之间存在相互作用，转子会受到定子磁场的吸引和排斥力，从而跟随定子磁场的旋转而转动。由于其幅值大小不变，这个旋转磁动势的轨迹便形成一个圆，称为圆形旋转磁动势。1.1智能电驱动系统基本结构永磁同步电机在电机内部，转子上安装了永磁体，而定子上则绕有绕组永磁体提供的恒定磁场使得电机在不同负载下都能保持较好的性能，并且具有较宽的调速范围通过精确控制定子电流的频率和相位，可以实现对永磁同步电机转速和转矩的精确调节智能电驱动系统基本结构与工作原理9定子：主要包括定子绕组和定子铁心两部分。铁心是电动机主磁路的关键部分，绕组主要功能是产生感应电势和电磁转矩；转子：作为电机的旋转部分，同样由铁心和绕组组成，分为鼠笼式和绕线式两种。1.1智能电驱动系统基本结构异步电机异步电机是一种常见的交流电机，其基本结构主要包括定子和转子两部分。智能电驱动系统基本结构与工作原理10基本原理：当定子磁场旋转，转子不转，转子导条与旋转磁场有相对运动，在导条中产生感应电势E，因转子导条彼此在端部短路，则感应电势在闭合回路内产生电流i。电流方向与感应电势同方向。转子受力后产生电磁转矩，方向与旋转磁场同方向。1.1智能电驱动系统基本结构异步电机n

--电机转速，单位：r/min；s--转差率。电机转速与旋转磁场的转速不相同，

即定转子转速不同步，存在转速差，

因此叫“异步电机”。通过改变转差、

极数和定子频率可以实现电机的转速的改变。在异步驱动电机系统中，

采用的是改变定子频率，即采用所谓的变频调速，通过改变电机控制器的输出频率来调节电机的转速。智能电驱动系统基本结构与工作原理11概念：电机控制器是控制动力电源与驱动电机之间能量传输的装置，是电动汽车三电核心部件之一。电机控制器的整体结构如右图所示。原理：电机控制器通过逆变电路输出三相交流电压，控制电机旋转，实现电能到机械能的转化。其主要由功率模块、高压连接器、母线电容、低压连接器、控制电路、驱动电路、电流传感器等部分构成。1-母线维修盖；2-上盖；3-高压连接器；4-控制和驱动电路；5-旋变线束；6-电流传感器；7-磁环；8-IGBT三相导电柱；9-母线电容；10-功率模块；11-水道密封圈；12-低压连接器屏蔽罩；13-三相铜排及支架；14-壳体；15-低压连接器；16-出水口密封圈电机控制器基本组成1.1智能电驱动系统基本结构电机控制器智能电驱动系统基本结构与工作原理12功率模块是电机控制器的核心部件，主要作用是将动力电池的直流电转换为交流电，用于驱动电机工作。功率模块的典型封装结构如图所示，主要包括外壳、芯片、键合线、端子、陶瓷覆铜板和基板功率模块典型封装结构1.1智能电驱动系统基本结构电机控制器——功率模块智能电驱动系统基本结构与工作原理13目前行业主流的功率模块为：Si基IGBT（绝缘栅双极型晶体管）和SiC基MOSFET（金属氧化物场效应晶体管）。Si-IGBT及SiC-MOSFET功率模块Si-IGBT功率模块SiC-MOSFET功率模块Si-IGBT芯片SiC-MOSFET芯片Si-IGBT及SiC-MOSFET芯片同规格下，SiC-MOSTET芯片和功率模块显著小于Si-IGBT芯片和功率模块，可大幅提升控制器功率密度1.1智能电驱动系统基本结构电机控制器——功率模块智能电驱动系统基本结构与工作原理与Si-IGBT相比，SiC-MOSFET具有以下优势：更高的热导率，即在高温运行时稳定性明显提升。更高的电子饱和速度，故该功率器件导通损耗更低。更高的电子迁移率，使功率器件的工作频率可以更高。更宽的禁带宽度使其具有更高的耐压能力。14SiC-MOSFET具备高频、高压、高效等多种优势，因此在电动汽车领域的应用越来越多1.1智能电驱动系统基本结构电机控制器——功率模块智能电驱动系统基本结构与工作原理高压连接器是在高压电缆与高压部件间，提供连接和分离功能的具有一组或者多组导体端子的部件。其工作电压在60Vdc以上，主要由端子、绝缘体、塑壳、屏蔽环、密封件、高压互锁机构等组成。高压连接器151.1智能电驱动系统基本结构电机控制器——高压连接器高压连接器在设计上集成了高压安全、电磁屏蔽和防护结构。高压连接器广泛应用于电池系统、电机控制器、电机、DC/DC转换器及车载充电器等设备。智能电驱动系统基本结构与工作原理母线电容位于母线正负极之间，可以稳定动力电池输出母线电压进而减小电压波动，以及降低功率器件和母线回路中电感进而抑制器件两端的尖峰电压。母线电容161.1智能电驱动系统基本结构电机控制器——母线电容智能电驱动系统基本结构与工作原理母线电容主要是薄膜电容，它是以有机薄膜为绝缘介质，在有机薄膜表面蒸镀而成的金属层作为电极，成对卷绕而成的电力电容器，具有容量稳定，自感量小等优点。适合应用于使用条件苛刻、感量低、长寿命、性能要求高的变流器中。17母线电容主要类型1.1智能电驱动系统基本结构电机控制器——母线电容智能电驱动系统基本结构与工作原理低压连接器负责连接电缆、信号线及电气元件，适用于60VDC以下电压的电流与信号传输。其主要包括外壳、插头、插座、密封圈、锁止机构以及其他附件等。低压连接器的应用：①车内照明、仪表盘、空调等基础电气系统；②制动系统、转向系统及悬架控制系统等车辆关键外部控制器。18低压连接器1.1智能电驱动系统基本结构电机控制器——低压连接器智能电驱动系统基本结构与工作原理低压连接器一旦发生松动，可能会引起动力系统故障、安全功能失效、充电系统监测异常等，严重影响车辆的安全性与可靠性。连接器设计需求：防尘防水要求:电驱安装于车辆后副车架或前舱，工作环境较为恶劣，连接器须达到IP67、IPX9K防护等级；对外通信接共需要16~20位信号针及4位电源针（12V或24V,5AMax.）；防错设计、阻燃材料。19低压连接器1.1智能电驱动系统基本结构电机控制器——低压连接器智能电驱动系统基本结构与工作原理20控制电路控制电路包括主控芯片及外围电路、CAN通讯电路、模拟采样电路、旋变解码电路、过流和过压保护电路以及PWM信号电路。1.1智能电驱动系统基本结构电机控制器——控制电路工作原理：信号接收与处理：负责接收来自VCU和其他系统的信号，并通过内置的微处理器处理这些信号。电机控制算法：控制板运用预设的控制算法来计算出电机需要的电流、电压或频率等参数。安全与保护：控制板集成多种保护机制，如过温保护、过流保护、短路保护等。智能电驱动系统基本结构与工作原理21驱动电路驱动电路主要包括电源电路、驱动电路及保护电路。1.1智能电驱动系统基本结构电机控制器——驱动电路工作原理：功率转换：负责将电池提供的直流电转换为驱动电机所需的交流电。电机控制：驱动板通过控制逆变器的开关状态来调节电机的转速和扭矩。信号处理：驱动板中的微处理器或数字信号处理器解析指令，并计算出合适的电机控制策略。反馈回路：驱动板中的传感器（如电流传感器），持续监测电机的状态，并将数据反馈给控制器。智能电驱动系统基本结构与工作原理

霍尔传感器221.1智能电驱动系统基本结构电机控制器——电流传感器智能电驱动系统基本结构与工作原理1.2电机控制原理直流交流位置传感器电流传感器电压采样电流反馈位置(角度)反馈母线电容

电机控制算法电机控制器能够将动力电池的直流电转换成幅值、频率可控的交流电，用于控制电机输出车辆需求的扭矩，其中电机控制算法发挥了核心的作用。智能电驱动系统基本结构与工作原理22自然坐标系(ABC)两相静止坐标系(αβ)两相旋转坐标系(dq)Clark变换Park变换反Clark变换反Park变换

Clark变换矩阵：Park变换矩阵：

逆Clark变换矩阵：

Clark变换：逆Clark变换：逆Park变换矩阵：

Park变换：逆Park变换：

1.2电机控制原理坐标变化前馈解耦

智能电驱动系统基本结构与工作原理23传统PID控制器的位置式表达式：

增量型表达式（由①-②得）：

永磁同步电机d、q轴电压方程：

解耦后：d、q轴存在耦合d、q轴各自独立PID的增量型算法可以消除位置型算法中的累加误差，减少存储单元，便于程序的编写。

解耦后d、q轴的被控对象不存在相互间的参数扰动，大大提高控制性能。

PID控制前馈解耦1.2电机控制原理电流闭环调节智能电驱动系统基本结构与工作原理24

三相电压合成的空间矢量：

能够最大化直流母线电压的利用率，是正弦PWM输出电压的1.154倍；减小谐波含量，从而减小转矩脉动，实现更平滑的电机控制。

SVPWM是一种脉宽调制技术，相比传统的正弦PWM可提高直流母线电压利用率，降低谐波含量，提高电机性能和效率。1.2电机控制原理空间矢量脉宽调制(SVPWM)第二章

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27智能电驱动系统基本结构与工作原理集中式驱动系统分布式驱动系统集中式驱动系统集中式驱动系统其工作原理是通过主电机与传动轴的直接连接，从而有效地驱动车辆。该系统的核心组件包括一个驱动总成、一个差速器以及双传动半轴，这些构成了其基础结构单元。根据驱动总成在车辆中的具体布局，集中式驱动系统可以采取不同的配置形式。由于电机的体积和重量相较于内燃机显著减小，可以进一步分为单电机驱动系统和多电机驱动系统

集中式驱动系统

单电机驱动系统

多电机驱动系统集中式驱动系统概念及分类类型动力架构驱动系统特点传统燃油汽车复杂的多档变速传动机构1.结构复杂，成本高2.传递路径长，效率低3.换档过程车辆平顺性差电动汽车一档变速器的动力架构1.结构简单2.传递路径短，效率高3.无档位切换全速域驾驶平顺集中式驱动系统单电机驱动系统由驱动电机、一档减速器或多档变速器及差速器构成，每个组件在系统中都扮演着不可或缺的角色，共同影响着车辆的性能、效率和驾驶体验。2.1单电机驱动系统单电机驱动系统组成类型动力架构系统外特性特点局限性单电机+一档减速器1.结构简单，驱动过程简洁明了2.驱动过程平顺性较好1.受的扭矩相对较小，无法适应大负载或高扭矩的应用场景2.速度调节范围相对有限单电机+多档变速器1.在高速行驶时，可以有效降低电机的转速2.在爬坡或加速等工况，可让电机释放出更大的转矩1.结构复杂和尺寸较大,不利于车辆的布置2.控制复杂，换档过程容易出现顿挫感或冲击感集中式驱动系统随着车辆动力性需求的不断增长，一档减速器逐渐显露出其局限性，而多档变速器具备动力性方面的优势2.1单电机驱动系统单电机+多档变速器集中式驱动系统2.2多电机驱动系统双电机+固定传动比定义：多电机耦合驱动构型是采用两个或多个电机共同驱动车辆的一种技术方案。多电机耦合驱动构型与传统的单电机驱动系统相比，多电机耦合驱动构型通过电机之间的协调控制和动力耦合，能够显著提升车辆的动力性能和扭矩输出。通过智能控制策略，该系统还能实现电机之间的灵活切换和协同工作，以适应不同工况下的动力需求。集中式驱动系统2.2多电机驱动系统

目标：应能承受两个电机输出的高扭矩和高转速，还能实现电机之间的动力耦合和传递，为此常采用先进的齿轮传动技术和精密的控制系统，此外还需具备电机空档操作功能，实现与单电机相当的经济性能。换挡机构电机换档基本控制模块齿轮设计：采用多档变速设计，通过调整齿轮传动比实现电机转速和输出扭矩的灵活调节。采用了轻量化材料和先进的润滑技术，降低传动损失和提高传动效率。控制系统设计：电机控制单元负责接收来自车辆控制器的指令，并根据指令控制电机的运行状态。传感器负责实时监测电机的转速、温度、电流等参数，并将数据反馈给电机控制单元和车辆控制器。耦合变速器的设计与功能集中式驱动系统2.2.2多电机驱动系统

优势：更高的动力输出：通过同时驱动多个电机，将各个电机的动力叠加，从而提供比单电机更高的动力输出。提高能源效率：通过不同电机的搭配和协调控制扩大系统高效区，有助于在不同工况下保持较高的能源利用效率。增强系统灵活性：根据实时工况动态调整各电机的输出，以适应复杂多变的行驶环境。

挑战：复杂性和成本相对较高。控制难度较大。为实现电机之间的精确配合和协同工作，需采用先进的无冲击换档控制算法和传感器技术。可靠性、耐久性需经过严格的测试和验证。双电机输出扭矩特性图多电机耦合驱动构型的优势与挑战第二章

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34智能电驱动系统基本结构与工作原理集中式驱动系统分布式驱动系统分布式驱动系统35分布式驱动系统的类型主要有轮边驱动和轮毂驱动两种形式，其工作原理是将驱动电机直接安装在车轮内或车轮附近，从而取消了差速器等传动部件，使得传动链路更简单、紧凑。该构型将动力源直接分散至每个车轮，使驱动力分配变得均衡与灵活，且赋予每个车轮独立驱动的能力，可以实现多种集中式驱动构型无法实现的功能，如扭矩矢量控制、原地转向和应急浮水等。原地转向功能分布式驱动系统应急浮水功能分布式驱动系统概念及分类分布式驱动系统3.1轮边电机驱动系统36轮边电机驱动系统是由轮边电机、减速器、控制器、电池组、传动轴、制动器等构成。其中，减速器的布置和集成方式决定了驱动系统的构型。集成位置因车辆类型和设计需求而异，目前主要有两种构型，构型一是减速器位于电机与轮毂之间，构型二是减速器位于两侧驱动轮的近旁。两种轮边电机驱动系统构型轮边电机驱动构型的组成分布式驱动系统3.1轮边电机驱动系统37轮边电机驱动构型的类型轮边电机构型可以根据其安装位置和功能特点进行分类：轮边电机直接驱动构型：轮边电机直接安装在车轮边上，通过传动机构将动力传递给车轮。该构型简化了传动系统，提高了传动效率，并且可以独立控制每个车轮的扭矩。轮边电机-减速驱动构型：轮边电机通过减速机构（如齿轮、带轮或链轮等）来驱动车轮。该构型可提高扭矩输出，适用于需要较大驱动力的应用场景。轮边电机的位置可以是固定的，也可以与悬架集成，形成摆动式结构，以适应不同的悬架设计。动态吸振式轮边电驱动构型：利用动态吸振原理来抑制由于簧下质量增加导致的车辆振动问题。电机可以悬置于转向节或车身，通过设计移动副安装弹簧和减震器来吸收车辆振动。该构型可以提高车辆的平顺性和车轮接地性。分布式驱动系统3.1轮边电机驱动系统38动力性能优越：轮边电机驱动构型能够直接为车轮提供驱动力，减少了动力传递的损耗，使得电动汽车在加速、爬坡等工况下具有更好的动力性能。能量利用效率高：由于动力传递路径的简化，轮边电机驱动构型能够降低传动损失，提高系统的能量利用效率。同时，由于电动机可以根据实际需求进行精确控制，因此可以进一步降低能耗。可扩展性强：轮边电机驱动构型可以方便地扩展为多动力源分布式驱动系统，满足不同车型和用途的需求。比亚迪仰望易四方分布式驱动系统东风猛士分布式电驱动系统极氪001FR分布式电驱动系统轮边电机驱动构型优势分布式驱动系统3.1轮边电机驱动系统39轮边电驱动系统技术新需求新一代的轮边驱动系统，对集成化设计、智能化协同控制、结构强度可靠性和节能环保轻量化四个方面提出了更高的要求，以达到更优异的性能表现。分布式驱动系统3.2轮毂电机驱动系统40轮毂电机驱动构型的结构轮毂电机示意图轮毂电机是一种集电力电子、控制技术、计算机技术、电机制造技术于一体的智能电机，是将车子的“动力系统、传动系统、刹车系统”集成到一起而设计出来的电机。轮毂电机驱动构型的核心在于将驱动电机及减速器直接集成于车轮之中。轮毂电机驱动构型主要由：驱动电机、减速器、制动系统、悬挂系统组成。分布式驱动系统3.2轮毂电机驱动系统41驱动电机减速器制动系统：悬挂系统轮毂电机组成部分示意图悬挂系统用于支撑车轮和车身，并缓冲路面不平度对车身的冲击。由于电机和减速器属于簧下质量，因此悬挂系统的设计和优化尤为重要。通常采用电子制动方式，通过控制电机的电流和磁场来实现制动功能。减速器用于降低电机的转速，提高扭矩输出，以适应车轮的驱动需求。是轮毂电机的核心部件，将电能转化为机械能，为车轮提供动力。电机定子固定在轮廓上，转子则与车轮连接。当电流通过定子时会产生磁场，磁场与转子上的永磁体或绕组相互作用，产生转矩驱动转子旋转。轮毂电机驱动构型的结构分布式驱动系统423.2轮毂电机驱动系统轮毂电机类型内转子电机外转子电机转速高，电机的转速可高达15000r/min低，电机的转速与车轮的转速同步，转速范围通常在800-1500转/分钟（r/min）扭矩低高减速机构配备固定传动比的减速器无优点集成度高，结构紧凑，能量密度高动力性能好，降低故障率，传递效率更高缺点1.结构较复杂，电机最高转速易受限制2.难