电动汽车设计与制造课件：电驱动系统设计

电驱动系统匹配设计1电驱动系统的主要构型C:离合器；D:差速器；FG:固定速比变速箱；GB:变速箱；M:电机2单电机+变速箱驱动

单电机直接驱动

双电机耦合集中驱动双电机前后轴独立驱动双电机双侧独立驱动四轮独立驱动六种驱动方案优缺点对比3驱动方案优点缺点单电机+变速箱驱动①设计和改装难度小；②变速箱的存在可以节约成本；③离合器的存在降低了换挡控制难度。①成本高和重量大带来的负面效益；②占用的底盘空间较大，可搭载电池空间小，续航里程短。单电机直接驱动①省去了变速箱和离合器，给底盘留出了较大的空间；②构型简单，部件数量少。①电驱动系统都集中到了前轴，集成设计难度增加；②单电机驱动，其功率和转矩会增加。双电机耦合集中驱动两个电机耦合，实现了动力的汇聚和分流，改善动力性能和系统效率。①增加了电机的数量和动力耦合传动装置，成本上升；②系统也变得更加复杂。双电机前后轴独立驱动①充分利用轮胎的附着能力，具有非常好的动力性能；②单个电机可以灵活选择不同类型的电机，能够降低成本；③前后轴的轴荷分配更均匀，整车的操稳性能好。①需要协调控制两个电机的动力输出，控制难度增加；②由于前后轴都集成了电驱动系统，挤占了电池包的布置空间。双电机双侧独立驱动①省去了差速器，降低了复杂度，增大了电池包的布置空间；②能对左右车轮进行独立控制。对双侧电机的动力学协调控制提出了很高的要求四轮独立驱动①缩短动力传递路径，提升了驱动和再生制动的效率；②节省了底盘空间，有利于整车总布置。①各电机协调控制的难度较大；②在结构设计、热管理、电磁兼容等方面存在技术难题。动力系统匹配设计的基本流程工程上通常采用理论计算和仿真校验的方法对动力驱动系统的主要参数进行匹配设计。即根据设计指标，基于汽车理论和各部件特性的相关知识进行理论计算，初步得到各部件的主要参数，然后在专业软件或自行搭建的性能仿真模型中对匹配得到的参数进行校验，进一步核实所匹配参数的准确性，还可以基于模型进行进一步的参数优化。性能指标理论计算仿真校验AdvisorAVL/Cruise自建Simulink模型4电驱动系统基本匹配参数

永磁同步电机典型外特性曲线额定转速，额定转矩，额定功率最高转速，峰值转矩，峰值功率5车用电机一般存在额定和峰值两种工作特性。额定工作特性反映的是电机长时间工作的能力，对应的是电机长时间工作后处于热平衡的情况。峰值工作特性反映的是电机短时间工作的能力，时间过长会导致电机或电机控制器发生过温失效。工作特性特点：“低速恒扭矩、高速恒功率”整车动力性能指标

动力性能指标6最高车速vmax：车辆所能达到的最高持续行驶速度，反映的是动力驱动系统持续工作的能力。30min最高车速(额定功率)，1km最高车速(峰值转矩和峰值功率）最大爬坡度imax：车辆以某=指定车速所能爬上的最大坡度(峰值转矩和峰值功率)加速时间ta：车辆从静止加速到某一指定车速所需要的时间(峰值转矩和峰值功率)7理论计算——最大爬坡度最大爬坡度限制原理在匹配驱动电机时，应同时考虑在最大坡度上行驶时电机的峰值功率和电驱动系统应提供的峰值驱动力。8理论计算——短时最高车速最高车速限制原理

在对短时最高车速进行匹配计算时，应主要考虑驱动电机的最高转速和峰值功率。9理论计算——加速能力最常用的加速性能指标-百公里加速时间质量(m)1250车轮滚动半径(r)0.365迎风面积(A)3.031.050.96滚动阻力系数(f)0.0130.35某轿车整车参数列表加速时间的表达式为：1、只配备固定速比减速器的电动汽车受电机峰值扭矩和传动比的影响与传动比无关，只与电机的峰值功率有关

10理论计算——加速能力2、配备两挡电驱动系统的电动汽车某两档电驱动系统输出驱动力随车速变化图当换档车速选择在vz2以下时，电驱动系统输出的驱动力在换挡瞬间将下降，加速时间将延长。换挡车速在vz2以后，电驱动系统输出的驱动力不会在换挡点下降，整车能获得最好的加速性能；此时车轮处最大驱动力曲线的转折车速与档位无关。

电机恒扭矩区和恒功率区的转折车速11思考1——峰值驱动力对加速时间的影响峰值功率一定，等间隔增加峰值驱动力时电驱动系统的输出外特性曲线变峰值驱动力加速车速变化曲线变峰值驱动力加速总时间结果分析：随着峰值驱动力增大，恒扭矩加速时间缩短，恒功率加速时间延长，总加速时间缩短，但峰值驱动力增大到一定程度以后，速度变化曲线变得很密集，总加速时间的改善越来越不明显。结论：一味地增大峰值驱动力不能持续提升电动汽车的加速性能。恒扭矩区恒功率区

12思考2——峰值功率对总加速时间的影响峰值驱动力一定，等间隔增加峰值功率时电驱动系统的输出外特性曲线变峰值功率加速车速变化曲线变峰值功率加速总时间变化结果分析：随着峰值功率的增加，总加速时间逐渐减小，但减小程度越来越低。原因分析：峰值驱动力恒定时，增大峰值功率相当于延长了恒驱动力加速的时间，从而提升了加速性能；当峰值功率增大到一定程度后，恒功率区的驱动力越来越接近峰值驱动力。因此，对加速性能的改善作用越来越有限。加速能力综合分析13总加速时间随起步加速度和电驱动系统峰值功率的变化关系总加速时间等高线

将图中的曲面向a0,max-Pmax平面投影目标加速时间10s，电驱动系统参数选择区14峰值参数综合分析根据最大爬坡度、最高车速和加速时间的要求，可确定电机峰值参数：

对于仅配置固定速比减速器的电动汽车，该式一定程度上实现了电机峰值参数与传动比匹配计算过程的解耦。在考虑电机峰值参数的可能情况时，可以暂时不必考虑传动比的大小。15额定参数综合分析

扩速比：

永磁同步电机：1~2.5异步电机：<=4开关磁阻电机：<=616电机的选型——根据客户需求重新开发电机厂商根据客户需求重新进行电机开发。需要根据之前的关系式，通过枚举法给出若干备选方案。

17电机的选型——直接在现有电机中选型

得到主减速比范围后，结合机械设计中齿轮传动的基本原理，选取合适的齿数比可得到确切的传动比。但是如果电机的转速范围不够宽，则需要对设计进行改进。

变速箱匹配的考虑18匹配变速箱的优缺点优点：减小驱动电机的扭矩和功率缺点：系统集成难度增加换挡车速应选择在高档位额定转速对应的车速之上，以保证最优的加速性能，因此低挡位最高转速对应的车速就应大于高挡位额定转速对应车速，相邻挡位传动比比值应小于选定电机的扩速比。

确定挡位数和各挡之间的传动比：电驱动系统参数匹配

19由上述计算公式可确定各参数的组合关系，这个组合关系确定了各参数的一个取值空间。理论上来说，只要在这个取值空间内的值都是可以选择的的设计参数。但还需要考虑其他的一些因素，比如设计加工难度、采购的难易程度、成本等。所以，在匹配设计过程中，可以在这个取值空间内，找到多组可行的设计，从多个维度去选出最合理的设计。20实例-电动方程式赛车动力系统匹配计算长×宽×高(mm)2922×1421×1209轴距(mm)1580满载质量(kg)211+700.9车轮滚动半径(mm)215滚动阻力系数f0.0151.051.3整车基本参数设计指标（根据FSEC赛制的要求）最高车速<=120km/h0～75m加速时间<=3.8s电池输出最大功率<=80kW续驶里程>=22km21峰值功率-峰值扭矩的计算

以3.6s、3.8s、4s为目标加速时间进行最大起步加速度a(0,max)和电机峰值功率Pmax关系的计算

22

峰值功率-峰值扭矩的计算

由于赛车使用的轮胎为热熔胎，最大附着系数能达到1.8，计算得到起步时能达到的峰值加速度为1.258g。由于在峰值附着系数附近，轮胎的附着能力不稳定，因此设计时需要留有一定的冗余，这里取定轮胎实际附着系数为1.75，计算得到最大起步加速度为1.22g。

起步加速度的确定23额定功率计算

24电机额定转速、峰值转速及扩速比的计算

25两种电机方案电机型号Emrax228质量12.3kg额定转速2500rpm最高转速5500rpm额定功率45kw峰值功率100kw额定转矩125Nm峰值转矩240Nm电机效率0.88~0.96额定电压50~450V电机冷却方式水冷控制器冷却方式水冷方案一：

26传动比计算

电机型号YASA-250质量18kg额定转速3000rpm最高转速9000rpm额定功率65kw峰值功率90kw额定转矩160Nm峰值转矩250Nm电机效率＞0.86额定电压350V电机冷却方式油冷控制器冷却方式水冷方案二：总结：对比两方案，方案一Emrax228电机质量较轻，能尽量满足赛车轻量化需求且永磁电机的效率较高，因此最终选择方案一。

电驱动系统设计

整车控制系统设计27整车控制器的主要功能高压上下电管理：整车控制器接收各方传来的信号后，通过控制继电器实现高压上下电。驱动扭矩管理：将油门踏板开度解析为驱动电机的目标扭矩指令。制动能量回馈控制：对电制动力和机械制动力在总制动力中的分配比例。电动附件管理：管理电气化附件的工作。续驶里程估计：估计电动车的剩余续驶里程。安全管理：故障诊断与容错控制。充电管理：管理充电电流大小、充电时间长度。28驱动控制策略设计a.驾驶员需求扭矩解析根据油门开度大小来计算驾驶员对动力系统的需求扭矩值。

表示解析后的油门开度。需要通过大量的实车试验标定，以数据表格的形式储存。加速踏板负荷率曲线根据加速踏板负荷率曲线，若以“动力”曲线，则解析后的油门开度比驾驶员实际踩下的油门开度大。若以“经济”曲线，则解析后的油门开度比驾驶员实际踩下的油门开度小。29驱动控制策略设计b.需求扭矩修正需根据电池、电机和传动系统的最大输出能力对目标扭矩进行修正，以确保各部件不会过载工作。

30制动能量回收控制策略设计A.制动性能滑行或制动中损失的动能

化学能。在电动汽车的制动过程中，存在电制动和机械制动两种制动方式。

电机a.制动力

地面制动力的大小

图1图2

由此，可得图2的制动力变化图。31制动能量回收控制策略设计A.制动性能a.制动力附着系数与滑移率之间的关系滑移：地面制动力超过路面附着极限时，车轮发生的偏移现象。滑移率s：表示滑移的剧烈程度。32制动能量回收控制策略设计A.制动性能b.前后轴制动力分配车辆制动时的受力图车辆制动时整车重心会前移，车辆制动时的加速度

由力矩平衡关系可得

33制动能量回收控制策略设计A.制动性能b.前后轴制动力分配制动时，前、后轮同时抱死时，可得

根据上式，可得到不同附着系数下的理想制动力分配曲线，即I曲线。

β表示前制动器制动力与总制动力的比值。通常，两轴汽车的前、后制动器制动力之比为一固定的比值。由上式确定的直线为实际的前、后制动器制动力分配线，即β线。34制动能量回收控制策略设计A.制动性能c.制动规程若后轮先抱死，后轮会失去抵抗侧向力的能力，车辆受到横向力时，在惯性力的作用下加速侧滑。前轮先抱死，车辆会失去转向能力，在惯性力的作用下仍能够保持直线行驶。当β线处于I曲线下方时，前轮将先于后轮抱死，这符合上述理论的安全性要求。当

β线远低于

I曲线时，后轮的制动能力得不到有效利用，因此，提出ECE规程。ECE规定后轮的最小制动力

因此，前后轮制动力的分配比例需落在I曲线与ECE制动规程曲线之间。ECE制动规程制动力分配35制动能量回收控制策略设计A.制动性能d.制动性能分析①f线和r线当前轮抱死时，

同理，当后轮抱死时，

r线f线36制动能量回收控制策略设计A.制动性能d.制动性能分析②前轮的最大可用制动力当μ=0.5时，沿β线上升至a点，触

f线，前轮抱死。继续踩深踏板，沿

f线至b点，前后轮同时抱死。当μ=1.0时，沿β线上升至d点，触r线，后轮抱死。继续踩深踏板，沿r线到达e点，前后轮同时抱死。当μ=0.8时，前后制动力沿β线上升至c点，前后轮同时抱死，制动减速度达到最大值0.8g。37制动能量回收控制策略设计A.制动性能d.制动性能分析②前轮的最大可用制动力当μ=0.7，j=0.6g时，制动回收能量最大化时的分配点为g点，而不是ECE曲线上的k点。当j=0.5g时，应取为ECE规定的n点，而不是f线上的p点。当μ=0.5，j=0.4g时，制动力分配点应取为r点。j=0.3g时应取为u点38制动能量回收控制策略设计B.再生制动控制策略的设计原理a.并联式再生制动系统并联式混合制动系统结构原理图特点：只有电制动力可控，机械制动力不可控，由制动踏板深度确定。关键问题：如何在保证制动安全和稳定性的前提下，控制电制动力大小，尽可能多地用电制动回收能量。并联式再生制动控制策略主要包括两种：1.电制动与机械制动成固定比例的控制策略2.电制动最大化的控制策略39制动能量回收控制策略设计B.再生制动控制策略的设计原理a.并联式再生制动系统1.电制动与机械制动成固定比例的控制策略基本思想：当轮速高于给定阈值时，在前后制动力分配符合ECE制动规程的前提下，电制动力以固定的比例加入到前轮制动力中。再生制动力与机械制动力成固定比例的控制策略图中“机械+电气”折线表示该控制策略的制动力分配情况。40制动能量回收控制策略设计B.再生制动控制策略的设计原理a.并联式再生制动系统2.电制动最大化的控制策略当目标制动强度为0.5时，前轮机械制动力，即为d点横坐标，前轮电机制动力的