《新能源汽車電機及控制系統(tǒng)檢修》 課件 1-3 調研分析驅動電機控制系統(tǒng)的發(fā)展VIP

《

新

能

源

汽

車

電

機

&

控

制

系

統(tǒng)

檢

修

》

任務三

調研分析驅動電機控制系統(tǒng)的發(fā)展能力模塊一

新能源汽車驅動電機及驅動控制系統(tǒng)認知學習目標目錄01任務導入02相關知識03任務實施0401學習目標XUEXIMUBIAO技能目標知識目標素養(yǎng)目標學習目標知識目標1.了解驅動電機控制系統(tǒng)的現(xiàn)狀及困境；2.了解驅動電機在主流車企上的應用；

3.掌握新能源汽車對驅動電機控制系統(tǒng)的性能要求。1.能夠說出目前驅動電機控制系統(tǒng)集成化的方向；2.能夠正確識別八合一驅動總成各個部件。技能目標素養(yǎng)目標1.認真嚴謹，積極主動。安全生產(chǎn)，文明施工。2.獲得多途徑檢索知識、分析解決問題以及多元化思考解決問題的方法，形成創(chuàng)新意識。3.嚴格執(zhí)行各項規(guī)章制度及6S現(xiàn)場管理，培養(yǎng)精益求精的工匠精神。02任務導入以闡述事件和提出問題的方式，引出新知識的學習。RENWUDAORU任務導入新能源汽車驅動電機控制系統(tǒng)不同于工業(yè)用電機控制系統(tǒng)，由于受到車輛空間限制和使用環(huán)境的約束，應用于普通的電機控制系統(tǒng)中的電力電子技術、電機技術已經(jīng)不能適應其需求。你作為一名助理工程師，準備向新來的銷售科普當前新能源汽車領域驅動電機控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢。03相關知識XIANGGUANGZHISHI三、新能源汽車對驅動電機控制系統(tǒng)的要求二、新能源汽車驅動電機控制系統(tǒng)的現(xiàn)狀一、新能源汽車驅動電機控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢相關知識一、新能源汽車驅動電機控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢電驅動系統(tǒng)集成化對于新能源汽車行業(yè)來說具有積極推動作用，但基于現(xiàn)階段電動汽車供應鏈的技術水平，集成化過程中的設計和質量問題對于整車廠商和供應商來說仍然是巨大的挑戰(zhàn)。下面，我們從五個方面來分析集成化電驅系統(tǒng)的發(fā)展趨勢。電驅動系統(tǒng)大眾、沃爾沃、克萊斯勒等驅動電機的最高轉速不斷提升，最高達到14000～16000r/min，特斯拉Model3電機轉速達到17900r/min，相關知識一、新能源汽車驅動電機控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢高轉速電機能夠提高功率密度，同時減小體積、降低成本，當前市場上，電驅動系統(tǒng)的電機最高轉速一般在12000r/min以上。（一）電機高速化1234目前面市的轉速超過16000r/min的高速電機主要應用于中高端的純電動車型中。但是，隨著新技術、新材料的不斷發(fā)展及應用，加上消費者對驅動效率、加速體驗的重視及追求，采用更高速的驅動電機成為集成電驅發(fā)展的必然趨勢。純電動乘用汽車市場需要在短時間內(nèi)產(chǎn)生規(guī)模效應、增量降本，因此集成化電驅動系統(tǒng)向平臺化設計發(fā)展是大勢所趨。通過平臺化設計集成電驅動系統(tǒng)，可以降低各部件的采購成本，實現(xiàn)技術經(jīng)驗共享。相關知識一、新能源汽車驅動電機控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢汽車產(chǎn)業(yè)是典型的規(guī)模經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)，新能源汽車產(chǎn)業(yè)亦是如此。汽車產(chǎn)品平臺化設計能夠有效地縮短上市周期、降低研發(fā)成本。（二）平臺化設計1234根據(jù)不同轉矩、功率的需求以及不同級別的車型，可以規(guī)劃不同的系列化平臺電驅動產(chǎn)品。相關知識一、新能源汽車驅動電機控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢（二）平臺化設計項目小功率平臺中等功率平臺大功率平臺定子直徑/mm160180～220>220峰值功率/kw30～12080～160160～340峰值扭矩/N·m40～200180～300300～400永磁同步平臺化集成電驅動系統(tǒng)相關知識一、新能源汽車驅動電機控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢（三）多檔減速器目前全球主流的集成化電驅系統(tǒng)多采用電機匹配單檔減速器的架構，其結構簡單，成本較低。1234但是，在高轉速情況下，效率和扭矩會急速衰減，當電動車達到極速后沒有提升的空間，因此，經(jīng)濟性不高。而多檔化設計能使整車獲得更好的動力性和經(jīng)濟性，使電機盡量工作在高效率的轉速區(qū)間，獲得更高的極限車速、更少的百公里加速時間和更大最大爬坡度；特別是在極速狀態(tài)以及低負荷條件下，高速檔和低速檔之間的切換，可以使電機盡量工作在高效率區(qū)間。相關知識一、新能源汽車驅動電機控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢（三）多檔減速器隨著將來技術成熟度的提高和成本的降低，多檔減速器必然會成為更多集成化電驅動系統(tǒng)的選擇，如圖為精進電動混合動力四檔EMAT驅動總成。相關知識一、新能源汽車驅動電機控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢（四）高度集成化高度集成化就是從一開始的全分體結構，逐步變化為電機與減速器共殼體，直到電機、控制器和減速器共殼體的集成模式。這樣從結構設計的角度減少了零部件的數(shù)量，縮小了體積，減少了重量，從而降低了成本。12相關知識一、新能源汽車驅動電機控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢（五）輸入輸出同軸化目前減速器基本是平行軸結構，輸入輸出同軸化相比平行軸齒輪系，123用的行星齒輪系在結構緊湊性方面優(yōu)勢明顯，有助于系統(tǒng)功率密度和扭矩密度的最大化；同時同軸結構可使結構緊湊性最大化，整車布置適應性好。最初的驅動電機控制系統(tǒng)并不存在集成化設計，驅動電機、電機控制系統(tǒng)、減速器等部件均單獨布置，各部件之間通過線束等連接件進行連接，因此當時的驅動電機控制系統(tǒng)十分冗雜。而隨著技術壁壘的逐漸打破、技術成熟度的不斷提高以及新能源汽車市場的逐步繁榮，為了提升整車產(chǎn)品競爭力，電驅系統(tǒng)技術必須向著集成化的方向發(fā)展。相關知識二、新能源汽車驅動電機控制系統(tǒng)的現(xiàn)狀（一）現(xiàn)狀相關知識二、新能源汽車驅動電機控制系統(tǒng)的現(xiàn)狀（一）現(xiàn)狀目前各大主機廠已將電驅系統(tǒng)的深度集成化作為三電系統(tǒng)重要發(fā)展方向之一。1234根據(jù)車輛的類型將其與車橋相結合或提供更加輕巧的三合一電驅系統(tǒng)，在電機轉速、電能轉化效率、機械空間緊湊化、線束精簡化等方面都起到了很大的作用。當前量產(chǎn)的純電動汽車領域中，三合一電驅已經(jīng)成為主流，其將電機、電控系統(tǒng)和減速器集成在一起，相關知識二、新能源汽車驅動電機控制系統(tǒng)的現(xiàn)狀（一）現(xiàn)狀目前，電動汽車驅動電機控制系統(tǒng)已經(jīng)有了多重集成方式，從最初的“二合一”（電機+減速器）驅動總成發(fā)展至大規(guī)模使用的“三合一”（電機+電機控制器+減速器）驅動總成再到最新“八合一”驅動總成。右圖從上往下分別為二合一驅動總成、三合一驅動總成及八合一驅動總成實物。多重集成方式相關知識二、新能源汽車驅動電機控制系統(tǒng)的現(xiàn)狀（一）現(xiàn)狀搭載在比亞迪海豚車型上的八合一驅動總成，融合了集成了電機控制器、單檔變速器、驅動電機、DC-DC電源變換器、雙向車載充電機（OBC）、高壓配電系統(tǒng)、動力域控制器（VBU），其中VBU包含了整車控制器（VCU）和電池管理器（BMS）的部分功能），可以看到在傳統(tǒng)三合一電驅的基礎上，比亞迪e平臺3.0的八合一電驅還集成了由“雙向車載充電機、DC-DC電源變換器、高壓配電系統(tǒng)、整車控制器、電池管理器”組合的五合一電驅模塊，實現(xiàn)了更深度的整合能力，也實現(xiàn)了軟、硬件端云深度融合。相關知識二、新能源汽車驅動電機控制系統(tǒng)的現(xiàn)狀（一）現(xiàn)狀集成化電驅動系統(tǒng)發(fā)展的初期，結構形式都較為簡單。比如，如圖所示的是雪佛蘭Bolt所搭載的二合一驅動系統(tǒng)。將永磁電機和減速器集成在一起，再與車橋結合形成一體式電驅動橋，雖然該系統(tǒng)的連接部分仍然比較復雜，但是至少實現(xiàn)了二合一的設計，縮短了各部件之間的距離，使得電驅動系統(tǒng)整體結構更加緊湊。相關知識二、新能源汽車驅動電機控制系統(tǒng)的現(xiàn)狀（一）現(xiàn)狀隨著電驅動集成技術的不斷發(fā)展，三合一電驅動系統(tǒng)出現(xiàn)，如圖（由上往下）所示。隨后，國外的特斯拉、日本電產(chǎn)、BMW、麥格納、吉凱恩、博世、ZF，國內(nèi)的比亞迪、上海電驅動、巨一、匯川、精進電動、上汽等均推出了三合一電驅動總成系統(tǒng)。相關知識二、新能源汽車驅動電機控制系統(tǒng)的現(xiàn)狀（一）現(xiàn)狀“三合一”驅動總成技術，將驅動電機、電機控制器、減速器集成為一個緊湊型的產(chǎn)品單元——前驅電動總成。123其具有高集成、高效率、高轉速、高性能、高安全的特點，是當前主流的電驅動總成技術方案，使得車輛各系統(tǒng)布局更加靈活，讓消費者獲得最大化的乘坐空間以及寬敞的車輛儲物空間，也為汽車成為住宅、辦公室以外的移動“第三空間”打下了基礎。相關知識二、新能源汽車驅動電機控制系統(tǒng)的現(xiàn)狀（一）現(xiàn)狀①

總成體積縮小，系統(tǒng)總質量降低，一定程度上也降低了汽車能耗、提升了續(xù)航里程；②

采用集成化高的多合一驅動總成系統(tǒng)，不僅使機艙變得更加簡潔，

汽車各系統(tǒng)布局更加靈活，也使乘坐及儲物空間能夠被最大化地利用；

③

通過集成化設計，多合一驅動總成系統(tǒng)也能夠降低接口復雜度及成本。綜上所述，集成度高的驅動總成系統(tǒng)具備的優(yōu)勢主要有：相關知識二、新能源汽車驅動電機控制系統(tǒng)的現(xiàn)狀（二）困境不可否認的是，就目前來看，高集成度也確實是帶來了一些難題。多合一驅動總成的集成化設計需要多維度開發(fā)和能力驗證，如圖所示。相關知識二、新能源汽車驅動電機控制系統(tǒng)的現(xiàn)狀（二）困境總成系統(tǒng)導致各部件與空氣接觸面積減少，為保證各部件處于正常工作溫度區(qū)間，整個散熱系統(tǒng)需要重新設計優(yōu)化。12345同時，NVH（噪聲振動）、EMC（電磁兼容測試）、安全等性能指標的控制，以及零部件開發(fā)協(xié)同都是目前整車廠和供應商需要重點攻克的難題。在后期用車方面，動力總成的集成化可能對消費者產(chǎn)生不良影響。一定程度上，動力總成的集成會導致各部件的可靠性降低，各部件的質量控制尤為重要；當某個零部件出現(xiàn)問題，需要維修或者更換總成，會導致維修時間和成本的增加。相關知識二、新能源汽車驅動電機控制系統(tǒng)的現(xiàn)狀（二）困境雖然，三合一電驅動系統(tǒng)是當前的主流研究對象，但仍有一些公司對多合一集成設計進行了不同程度的嘗試。123比如，零跑汽車的“八合一”電驅動總成技術是在“三合一”中電機控制器的基礎上又集成了MCU、VCU、DC-DC、OBC及PDU，“三合一”和“五合一”兩個模塊集成在一起，稱之為“八合一”。整個系統(tǒng)結構更加小巧，水冷系統(tǒng)的工作效率也得到大幅提升，但整體結構集成后柔性化程度降低，影響機艙的總布置。相關知識三、新能源汽車對驅動電機控制系統(tǒng)的要求對新能源汽車驅動電機控制系統(tǒng)和工業(yè)電機控制系統(tǒng)而言，它們的分類及控制的理論和方法大致是相同的。但由于應用場景的不同，新能源汽車對驅動電機控制系統(tǒng)的性能要求更加嚴格，具體差別可參考表格。類型項目電動汽車應用工業(yè)應用功率密度/（kW/kg）>10.2~0.5電機效率η/%>9585~90系統(tǒng)高效區(qū)（η>80%的區(qū)域）>70局部最優(yōu)動態(tài)控制高動態(tài)性能控制-工作環(huán)境-20~105℃，振動，最大加速度>10g-20~40℃，靜止系統(tǒng)成本/（美元/kW）200~400相關知識三、新能源汽車對驅動電機控制系統(tǒng)的要求電動汽車對于驅動電機控制系統(tǒng)的要求可以歸納為以下幾點：1.為滿足車輛對于低速爬坡、頻繁起停及起動初始加速度等復雜工況的要求，其應具有低速高扭的特性；2.基于新能源汽車對于高速行駛和高速超車的需要，其應具有基速以上（即高速）具有較寬的恒功率區(qū)，其恒功率區(qū)范圍通常為恒轉矩區(qū)的3~10倍；3.為確保電動汽車在全工作范圍內(nèi)具有高效率，從而提供車輛的續(xù)航里程，驅動電機系統(tǒng)效率在95%以上及區(qū)域覆蓋需大于50%；4.電動汽車對于整車空間與高效節(jié)能的要求需要電機驅動系統(tǒng)具有高功率密度，如驅動電機功率密度應大于1kW/Kg，電機控制器的容量密度應為3~4kVA/Kg；相關知識三、新能源汽車對驅動電機控制系統(tǒng)的要求電動汽車對于驅動電機控制系統(tǒng)的要求可以歸納為以下幾點：5.環(huán)境適應度高，工作環(huán)境溫度為-40~105℃，最高振動加速度大于10g；6.可靠性高，電機驅動系統(tǒng)的壽命應達到20萬km以上；7.結構堅固、體積小、