汽车底盘构造课件 第七章 纯电动车汽车驱动传动系统

第七章纯电动车汽车驱动传动系统目录7.1纯电动汽车驱动传动系统组成及功用7.2电动汽车动力电池7.3驱动电机及其控制系统7.4电驱动桥7.5纯电动汽车动力传动系统案例分析1.组成1）电机：电机是电驱系统的核心，负责将电能转化为机械能。2）功率变换器：也称为逆变器，负责将电池组提供的直流电转换为电机所需的交流电。3）控制器：是电驱系统的“大脑”，实时控制电机和电子器件的工作状态。4）机械传动装置：将电动机的驱动转矩传输给车辆的驱动轮，带动车辆行驶。5）辅助系统：如冷却系统、充电系统、热管理系统等，保障电驱系统的稳定运行和能量补给。2.功用1）能量转换：将存储在电池组中的电能转换为机械能，以驱动车轮行驶。2）动力传输：通过机械传动装置将电机产生的转矩高效地传递到车轮上。3）智能控制：根据驾驶员的操作指令和车辆状态，实时调整电机的输出功率和转速。4）再生制动：在车辆减速或制动时，将车轮的动能转化为电能充入电池组。7.1纯电动汽车驱动传动系统组成及功用7.2电动汽车动力电池7.2.1动力电池基本概念电动汽车的能量存储与供应核心，是一种能够反复充放电、高效转换化学能与电能的装置（1）能量来源与转换效率：动力电池通过电池内部的化学反应实现能量的转换与存储，能量转换效率较高。（2）环境影响：动力电池在使用过程中几乎零排放，主要环境影响集中在电池生产、回收处理及电力来源。随着可再生能源比例的提升和电池技术的进步，其环保优势日益显著。（3）能源可持续性与成本：动力电池依赖电力供应，随着全球能源结构的转型，可再生能源比例不断增加，其能源可持续性逐渐增强。初期购车成本较高，但运行成本相对较低。7.2电动汽车动力电池7.2.2动力电池系统组成与结构1）电池单体（电芯）：是动力电池系统中最基本的能量存储单元，通过化学反应将化学能转化为电能。2）电池模组：由多个电芯通过串联或并联的方式组装而成，旨在提供更高的电压和容量3）电池管理系统（BMS）：负责监控和管理电池储能单元，确保电池在充放电过程中的安全使用。4）热管理系统：负责控制和调节电池的温度。5）高低压电气组件：用于实现电池系统的电能传输和控制。6）结构组件：指用于支撑、固定、包围电池系统的组件，主要包含上盖和下托盘，以及其他辅助器件，如过渡件、护板、螺栓等。7.2电动汽车动力电池7.2.2动力电池系统组成与结构电芯根据结构不同，一般分为圆柱电芯、方形电芯、软包电芯。目前锂离子电池电芯主要由正极、负极、隔膜和电解液组成。1）正极材料：常见的正极材料包括钴酸锂（LiCoO2）、锰酸锂（LiMn2O4）、镍酸锂（LiNiO2）、磷酸铁锂（LiFePO4）以及三元锂（LiNiMnCoO2）等。2）负极材料：负极普遍采用石墨材料。当电池充电时，锂离子会嵌入石墨层间，形成锂-碳层间化合物（LixC6），从而实现电能的储存。3）电解液：是电池内部离子传输的介质，通常由锂盐溶解在有机溶剂中组成。4）隔膜：位于正极和负极之间，起到隔离正负极、防止短路的作用，同时允许锂离子自由通过。7.2电动汽车动力电池7.2.2动力电池系统组成与结构动力电池的集成技术大致经历了三个大的阶段，分别是标准化模块的1.0时代，即CTM（CelltoModule）技术；采用大模块的2.0时代，即CTP（CelltoPack）技术；电池与底盘融合设计的3.0时代，即CTC（CelltoChassis）技术。7.2电动汽车动力电池7.2.3动力电池热管理系统一般来说，动力电池热管理系统主要由以下几部分组成。1）温度传感器：实时监测电池模块的温度，为热管理系统提供温度数据。2）冷却/加热组件：包括冷却液循环系统、加热器、冷却板等，用于调节电池温度。3）控制单元：根据温度传感器提供的数据，控制冷却/加热组件的工作，保持电池温度稳定。4）执行机构：如电子水泵、风扇、阀门等，用于实现热管理系统的调节功能。根据冷却介质的不同，动力电池热管理系统主要分为风冷、液冷和直冷三种类型。特点对比：电机：从电能到机械能的转换；发动机：从化学能到机械能的转换；电机特性：先恒扭矩后恒功率；发动机特性：1400转以上恒扭矩，保持到3500转以上，然后近似恒功率；发动机和电机表现基本一致。7.3.1驱动电机类型及特点发动机电机和发动机对外表现基本一致。电机电机出现历史更早，为什么直到现在才得到高速发展？1.电机与发动机的对比7.3.1驱动电机类型及特点新能源汽车高压驱动电机；功率大，转速高，效率高；锂离子动力电池，逆变控制器，驱动电机的三部件核心结构；电机型式：永磁同步电机PMSM，感应电机IM，开关磁阻电机SRM；工作电压：当前为400V，正在向800V发展；控制算法：FOC矢量控制，DTC直接转矩控制。2.汽车电机——高压（驱动电机）电机逆变器牵引驱动电机动力电池电池管理系统DCDC变换器高压驱动电机为当前新能源电动汽车应用核心热点。发动机管理系统电磁力产生两种方式：1.磁极之间，异性相吸，同性相斥。当前大多数电机工作原理。定转子磁场叉乘。定转子磁极产生方式不同。7.3.2驱动电机的构造及工作原理1.电机基本工作原理2.磁极与铁磁性物质的电磁力。电磁铁工作原理。定转子只需要一个励磁。可以动圈，可以动铁。驱动简单电机类型划分的基础。分类原则：磁极，磁铁作用。定转子，励磁，永磁。互感感应，独立励磁。驱动控制工作原理理解容易。不再区分交直流方式。感应电机的特殊性。基本覆盖全部电机类型。便于扩展新型电机结构。7.3.2驱动电机的构造及工作原理2.电机基本类型感应电机感应电磁铁磁铁磁极电机定子转子励磁开关磁阻电机永磁永磁励磁BLDC/PMSM永磁同步电机EESM电励磁同步电机永磁直流有刷电机BLDC/PMSM永磁同步电机EESM电励磁同步电机永磁直流有刷电机EESM电励磁同步电机独立本分类方式逻辑结构更为清晰合理。音圈电机关键特点：基本覆盖全部电机类型。便于扩展新型电机结构。工作原理及特点：定子永磁，转子励磁。最传统，最成熟，应用量最大。调速通过数字PWM实现。可通过H桥驱动实现反转。电刷必须存在。电刷寿命有限。速度反馈一般需要传感器。低压应用较多。高压不合适，为什么？7.3.2驱动电机的构造及工作原理1.永磁直流有刷电机通电导体在磁场中的洛伦磁力。工作原理及特性特点：定子励磁，转子永磁。永磁有刷直流电机的逆向思维。电刷不再需要。无电刷寿命限制。电子换相实现电刷作用。定子绕组电子换相产生旋转磁场，吸引转子旋转。反电动势正弦波或者梯形波。需要半导体工业进步配合。当前低压和高压应用发展非常迅速。7.3.2驱动电机的构造及工作原理2.BLDC/PMSM永磁同步电机内外转子可以互换，形成外转子电机。径向磁通电机轴向磁通电机工作原理及特性特点：定子励磁，转子永磁。功率密度高。圆线电机转向扁线电机。永磁需要稀土。控制算法逐渐成熟。当前主流电驱方案。国内稀土资源优势最大。当前向800V高压发展。7.3.2驱动电机的构造及工作原理2.BLDC/PMSM永磁同步电机——径向内转子当前新能源汽车电驱主流方案。工作原理及特性特点：内转子电机的内外反置。形状扁平，轴向尺寸短。结构简单，可以不用轴承。定转子可以分开安装。散热效果好。增程器发电机组应用。转速比较低，不适合高速。成本比较低。7.3.2驱动电机的构造及工作原理2.BLDC/PMSM永磁同步电机——径向外转子当前增程器发电机组主流方案。工作原理及特性特点：轴向磁通。轴向尺寸短。堆叠实现高功率密度。轮边电驱的关键方案。也可以用于增程器发电机组。散热效果好。转速可以比较高。结构复杂。7.3.2驱动电机的构造及工作原理2.BLDC/PMSM永磁同步电机——轴向磁通当前电驱发展的未来方向之一。工作原理及特性特点：定子励磁，转子励磁。转子励磁独立。转子励磁需要电刷，也可以非接触式电源变换进行传能。永磁同步电机的变形。解决昂贵稀土永磁材料的应用。控制和永磁同步电机一样。励磁可灵活控制，运行范围宽。欧洲和日本优先发展。国内不是热点，为什么？7.3.2驱动电机的构造及工作原理3.EESM永磁同步电机BLDC/PMSM永磁同步电机的变形。电刷励磁无线传能对比分析：电刷接触励磁，机械接触可靠性高，有寿命限制。无线传能，非接触，寿命长，电子系统可靠性要求高。7.3.2驱动电机的构造及工作原理3.EESM永磁同步电机无线传能励磁是未来方向。电刷励磁-宝马I3无线传能-马勒工作原理及特性特点：定子励磁，转子感应励磁。转子励磁由定子励磁产生。转子是短路的绕组。由于感应，定转子磁场有相位差，对外反应为转速差，也称转差率。结构最为简单，出现最早（鼠笼电机）。控制一般采用V/F变频方式。FOC、DTC先进控制算法逐步得到应用，和永磁同步电机算法基本一致。特斯拉电动车依此成名。7.3.2驱动电机的构造及工作原理4.感应异步电机IM理论模型上更为复杂，控制发展缓慢。工作原理转子定子感应电机工作原理及特性特点：转子的端接采用铜焊，特斯拉的专利新工艺。200kw以上，西瓜体积大小，市场效果非常好。工艺创新是关键。汽车应用的优化是核心。新型功率半导体的应用引入。对汽车产业、电子工业、控制信息的综合应用创新。7.3.2驱动电机的构造及工作原理4.感应异步电机特斯拉创新在于功率密度的提高。工作原理及特点：定子永磁，线圈运动。线圈通电产生磁极，与定子永磁作用。音响扩音器应用最广。也称为直线电机。动圈，质量小，响应速度高，频率高，用作高速执行器。也可以动铁，动铁永磁，和通常电磁铁有本质区别；质量大，响应速度较慢。控制正反向运动需正反电流。7.3.2驱动电机的构造及工作原理5.音圈电机音圈电机本质是旋转电机的直线型式。音响应用最为普遍。工作原理及特点：电磁铁原理。定子励磁，转子纯铁磁性。转子具有凸极性。转子工作温度很高。天然具有防爆特性。较小电流产生较大起动扭矩。结构简单坚固，调速范围宽。控制需要位置传感器反馈转子位置。矿山应用最合适。新能源应用也在发展。7.3.2驱动电机的构造及工作原理6.开关磁阻电机以电磁铁的理论来理解开关磁阻电机。控制原理及特点：定子永磁励磁，不可调节。转子电压激励调节。7.3.3驱动电机控制系统1.永磁直流有刷电机H桥驱动

D为占空比PWM调速转速扭矩低边驱动高边驱动控制原理及特点：三相桥驱动，6开关管。霍尔传感器判定转子位置，也可以无感判定。FOC控制是主流趋势。FOC算法算力要求高。转矩控制精度高。7.3.3驱动电机控制系统2.BLDC/PMSM永磁同步电机D为占空比PWM调速转速扭矩PMSM永磁同步电机无感FOC控制BLDC/PMSM永磁同步电机三相桥驱动控制原理及特点：定子，转子均是绕组。定子电子换相，磁场变化。转子电子励磁，励磁范围宽。转子位置需要位置传感器。弱磁范围宽，转速高。7.3.3驱动电机控制系统3.EESM永磁同步电机转子绕组无线传能励磁驱动定子绕组三相半桥驱动控制原理及特点：定子，转子均是绕组。转子不励磁，靠定转子感应励磁。定转子必须不同步，转差率和扭矩相关。定子绕组驱动仍是三项半桥驱动。FOC控制成为主流趋势。7.3.3驱动电机控制系统4.感应异步电机IM感应异步电机三相半桥驱动感应异步电机VFD变频控制感应异步电机无感FOC控制控制原理及特点：小功率音圈电机：H桥驱动，正反电流控制。精密位置控制，高频驱动。振动试验台激励源。大功率音圈电机（直线电机）：磁悬浮列车应用。交直流型式均有。7.3.3驱动电机控制系统5.音圈电机音圈电机H桥驱动控制原理及特点：非对称桥驱动。电流方向无要求。二极管续流。冗余度高，可靠性高。非线性控制，创新控制须突破。7.3.3驱动电机控制系统6.开关磁阻电机开关磁阻电机驱动7.4电驱动桥1.集中式电驱动桥2.轮边电机驱动桥3.轮毂电机驱动桥电驱动桥分类7.4电驱动桥集中式电驱动桥按电机位置分类：二合一电驱动桥（电机+减速器）三合一电驱动桥（电控制器+电机+减速器）按部件集成度分类：平行轴式电驱动桥同轴式电驱动桥轮边电驱动桥轮边电机驱动桥轮毂电机驱动桥沿用传统车结构的集中电驱动桥与燃油车传动系统结构相同；开发成本和制造成本较低；占用空间大；传动效率低；重量大;在纯电动商用车中有应用。7.4.1集中式电驱动桥相对于传统汽车，电动汽车由于电机的工作范围较广（一般在0-15000rpm），在低转速甚至零转速下也可以输出很大的转矩，所以即使没有变速箱，电动汽车也可以正常运行；不需要传动轴，效率有所提高，重量也有一定降低。电机+减速器二合一集中电驱动桥7.4.1集中式电驱动桥商用车整体式电驱动桥电机+减速器二合一集中电驱动桥非簧载质量大且偏置、影响操控性。7.4.1集中式电驱动桥电控+电机+减速器三合一集中电驱动桥高度集成化，更能支持新能源车型紧凑的动力布局；简化冷却管路和功率驱动线缆，模块内部集成大功率交流驱动母线进一步降低了线缆成本；平台化设计灵活适配不同车型。目前，吉凯恩GKN、BOSCH和ZF等国外公司三合一集成电驱动桥走在前列。7.4.1集中式电驱动桥GNK三合一电驱动桥电控+电机+减速器三合一集中电驱动桥7.4.1集中式电驱动桥GKN双速三合一电驱系统电控+电机+减速器三合一集中电驱动桥减速比分别为11.38合5.85，换挡通过电机驱动，已经在宝马i8等车型上应用。7.4.1集中式电驱动桥高集成度、宽工作范围。它把电机、逆变器、电机控制器和减速箱等集成一个动力系统模块，根据应用场景不同，功率范围可设置在50-300KW，输出扭矩可以为1000-6000NM，从而在纯电动汽车与混合动力汽车上均可使用。电控+电机+减速器三合一集中电驱动桥BOSCHeAxle7.4.1集中式电驱动桥电控+电机+减速器三合一集中电驱动桥ZF三合一电驱系统（前置前驱）最大输出功率为120千瓦，能保证在低速情况下输出高扭矩值；其动力电源是与电驱装置集成为一体的，适用于小型和中型轿车的电动车驱动产品，能很好的适应未来的城市交通状况。7.4.1集中式电驱动桥电控+电机+减速器三合一集中电驱动桥奥迪e-tron平行轴式前驱动桥电控制器驱动电机减速器7.4.1集中式电驱动桥电控+电机+减速器三合一集中电驱动桥奥迪e-tron平行轴式前驱动桥驱动电机减速器电控制器7.4.1集中式电驱动桥电控+电机+减速器三合一集中电驱动桥奥迪e-tron平行轴式前驱动桥爆炸图7.4.1集中式电驱动桥电控+电机+减速器三合一集中电驱动桥奥迪e-tron平行轴式前驱动桥7.4.1集中式电驱动桥

APA250：平行轴异步电机250Nm

APA320：平行轴异步电机320Nm

AKA320：同轴，异步电机320Nm

ATA250：双电机同轴异步电机250Nme-tron的四种电驱总成，都是采用异步电机，但长度不同，功率不同，各版本电控系统硬件架构相同，采用不同的软件版本。电控+电机+减速器三合一集中电驱动桥奥迪e-tron电驱动桥7.4.1集中式电驱动桥电控+电机+减速器三合一集中电驱动桥奥迪e-tron电驱动桥同轴平行轴两级传动方案：第一级传动为行星齿轮。7.4.1集中式电驱动桥同轴电驱动桥，一根半轴穿过电机的中空轴，采用行星齿轮减速器集成度高，结构紧凑；重量较轻；电机壳变成承载件，有风险。比亚迪同轴电驱桥用于轻卡系列电控+电机+减速器三合一集中电驱动桥7.4.1集中式电驱动桥奥迪e-tronS车型的双同轴电机不需要差速器，每个轮子由两个独立的电机驱动。奥迪e-tronATA250双同轴电机电驱动桥7.4.2轮边电机驱动桥集成度高；减少高压电器数量和动力传输线路长度；便于实现电子差速与转矩协调控制，可回收制动能量，能量利用率高；可降低车身高度和车载自重、提高承载量、提升有效空间；非簧载质量较大。轮边电机驱动桥完全释放地板下空间，有利于电池包布置；特别适合低地板电动公交车采用。轮边电机、轮边减速、带空气悬架的整体式后驱动桥轮边电机是电机装在车轮边上以单独驱动车轮7.4.2轮边电机驱动桥轮边电机驱动桥ZF低地板客车电驱动桥内置一体式电机设计，高度集成在车桥内部，没有独立的电机外壳；水冷高转速电机与两级大减速比减速机构的设计，使得电机尺寸更小，系统高效区更宽；不需要传动轴等机械硬连接，重量能减轻约250-500kg。悬臂7.4.2轮边电机驱动桥轮边电机驱动桥比亚迪客车轮边电驱动桥7.4.2轮边电机驱动桥轮毂电机驱动桥车轮轮毂内安装电机，将动力、传动和制动装置都整合到轮毂内。7.4.3轮毂电机驱动桥轮毂电机、控制器与轮毂集成一体，直接安装在车轮上，轮毂作为电机的转子；大大减少了零部件数量和动力系统的体积，