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新能源电动汽车EDS一体化电驱系统现状及技术发展趋势解析

时间:2019-05-04 来源:今夜新青年

1、EDS电驱系统概述

随着电力电子技术、大规模集成电路和计算机技术的发展以及新材料的出现和现代控制理论的应用,机电一体化的交流驱动系统显示了它的优越性,如效率高、能量密度大、驱动力大、有效的再生制动、工作可靠和几乎无需维护等,使得交流驱动系统开始越来越多地应用于电动汽车中。


EDS(electric drive system)电驱动总成,号称电动汽车的心脏,电驱技术的核心EDS智能电驱动单元包含了电力电子控制单元、高性能动力电机和减速器的高度集成设计。,相当于燃油车的发动机和变速箱,代表着电动汽车的核心技术。

高性能电驱动系统的设计、开发和集成,对研发团队的技术考验相当大。

2、EDS电驱系统构成

  • 2.1、电动汽车驱动电机 

选用小型轻量的高效电机,对目前电池容量较小、续驶里程较短的电动汽车现状显得尤为重要。目前在电动汽车中,主要采用永磁同步电机(PMSM)驱动系统、开关磁阻电机(SRM)驱动系统和异步感应电机(肼)驱动系统。 


永磁同步电机(PMSM)是一种高性能的电机,具有体积小、重量轻、结构简单、效率高、控制灵活的优点,在电动汽车上得到了广泛的应用,是当前电动汽车用电动机的研发热点,是异步感应电机的最有力的竞争对手。

永磁电机的磁钢价格较高,磁性能受温度振动等因素的影响,有高温退磁等问题。 

开关磁阻电机(SRM)是由磁阻电机和开关电路控制器组成的机电一体化新型调速电机。开关磁阻电机工作时,依次使定子线圈中的电流导通或截止,电流变化形成的磁场吸引转子的凸出磁极从而产生转矩。


开关磁阻电机结构简单,成本较低,可靠性高,起动性能和调速性能好,控制装置也比较简单。然而在实际应用中,开关磁阻电动机存在着转矩波动大、噪声大、需要位置检测器等缺点。 

异步感应电机(M)具有结构简单、坚固、成本低、可靠性高、转矩脉动小、噪声小、转速极限高、无需位置传感器及免维护等特点,美国以及欧洲研制的电动汽车多采用这种电动机。


异步电机的矢量控制调速技术也比较成熟,其电驱动系统具有良好的性能,因此被较早地应用于电动汽车,目前仍然是电动汽车驱动系统的主流产品。异步电机的最大缺点是驱动电路复杂,效率比永磁电机和开关磁阻电机低,特别是在轻载运行时效率更低。因此,如何进一步提高异步电机的运行效率,己经成为人们关注的重要课题。 

  • 2.2、变速器 (减速器)

电动汽车用的驱动电机具有宽广的运行范围,并且在低速恒转矩区和高速弱磁区具有良好的转矩.转速性能,为了提高传动系统效率,可以去掉内燃机汽车中必备的十分笨重的机械齿轮变速器,代之以固定速比减速器的传动系统。


▲博格华纳固定齿比减速器

以特斯拉和日产聆风为首的几款纯电动汽车,并没有搭载一台传统变速箱,而只单纯搭载了一组减速器,并不提供换挡功能。

对于电动机车辆,电动机从0转速开始就能全动力输出,没有怠速问题困扰,初始动力也比内燃机大,起步问题对于电动车来说就是小菜一碟。没有了起步困扰,电动机车就不需要搭配“大齿比减速器”。

▲博格华纳固定齿比减速器

关于小齿比,对于内燃机车而言,小齿比高档位通常是在车辆高速运行时使用,降低发动机转速,一方面可以使发动机偏向经济转速运行可以省油,另一方面可以降低噪音,相信不会有人能忍受车子长时间在四五千转发出大量噪音时运行的。

而对于电动机来说,不同转速下电能转化成机械能的效率区别并不大,而且本来电动机噪音也远小于内燃机,所以没必要刻意压低电动机转速。

▲博格华纳固定齿比减速器

这两方原因让电动机既不需要大齿比变速,也不需要小齿比,电动车厂只需要就只配一个齿比中等的减速器,不给配变速箱了,能省点钱就省点钱吧。于是,特斯拉就只单独配了一个齿比为9.73的减速器,日产聆风也是一个减速器齿比为8.19。

从实际计算结果来看,这个中等大小齿比的减速器可以满足电动车起步和加速时的动力需求,电动机本身高转速运行,也可以使整车跑出较高速度。减速器速比选择非常重要,如果选择不合适,将对整车的性能产生不利影响。通过多次仿真和实验测试,可对电动汽车的固定速比进行优化设计,使之具有良好的传动性能。 

  • 2.3、功率变换器 (电控)

在现代电动汽车电驱动系统中,通过功率变换器将电池储存的直流电经电压/频率变换后供给电机和其他交流负载使用。

功率变换器常见的是三相全桥的拓扑结构,其中,尤以电压型逆变器为研究最多,而控制方式也是PWM调制占主流。对于电动汽车,在选用功率器件时,必须考虑额定值、转换效率、功率损耗、基极/门极的可驱动性、动态特性、坚固可靠性、成熟性与成本等要求。 

目前,电驱动系统的PVvGVI逆变器主要采用IGBT元件,提高工作频率,降低低频谐波分量和起动时的电流冲击。

IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor),绝缘栅双极型晶体管,IGBT是能源变换与传输的核心器件,俗称电力电子装置的“CPU”,应用于直流电压为600V及以上的变流系统如轨道交通、智能电网、航空航天、电动汽车与新能源装备等领域。封装后的IGBT模块直接应用于变频器、UPS不间断电源等设备上。

IGBT的作用是交流电和直流电的转换,同时IGBT还承担电压的高低转换的功能:外界充电的时候是交流电,需要通过IGBT转变成直流电然后给电池,同时要把220V电压转换成适当的电压以上才能给电池组充电。

电池放电的时候,把通过IGBT把直流电转变成交流电机使用的交流电,同时起到对交流电机的变频控制,当然变压是必不可少的。IGBT是功率半导体器件,可以说是电动车的的核心技术之一,IGBT的好坏直接影响电动车功率的释放速度。

以空调压缩机为例:国内规定的电压220V,频率50Hz的电流经整流滤波后得到310V左右的直流电,此直流电经过逆变后,就可以得到用以控制压缩机运转的变频电源,这就能将50赫兹的电网频率转变为30-130赫兹,利用电源频率可以控制平滑控制压缩机转速,达到自动无级变速,使压缩机始终处于最佳工作状态。在电动车上,可以把电机看成压缩机。两者原理几乎完全一致。

IGBT约占电机驱动系统成本的一半,而电机驱动系统占整车成本的15-20%,也就是说IGBT占整车成本的7-10%,是除电池之外成本第二高的元件,也决定了整车的能源效率。2016年全球电动车销量大约200万辆,共消耗了大约9亿美元的IGBT管,平均每辆车大约450美元,是电动车里除电池外最昂贵的部件。

也正因为IGBT太重要,丰田在开发混合动力车时就认定IGBT管要完全控制在手中,丰田也是全球唯一能够自产IGBT的汽车厂家(注意:自产,不是买别人的晶圆再做封装),普锐斯也因此获得强大的生命力,也是目前全球唯一的强混合动力车。

IGBT目前已经发展到7.5代,第7代由三菱电机在2012年推出,三菱电机目前的水平可以看作7.5代,同时IGBT的下一代SiC技术已经在日本全面普及,无论三菱这样的大厂还是Fuji、Rohm这样的小厂都有能力轻松制造出SiC元件,我国目前停留在第三代水平上,差距在20年以上。

自第六代以后,IGBT自身的潜力已经挖掘的差不多了,大家都把精力转移到IGBT的封装上,也就是散热。车用IGBT的散热效率要求比工业级要高得多,同时还要考虑强振动条件,汽车级的IGBT远在工业级之上。

散热的关键是材料,而材料科学是一个国家基础科学的体现,中国在这方面非常落后,日本则遥遥领先,不仅在德国之上,还在美国之上。

3、EDS一体化电驱系统技术浅析

 EDS电驱动系统作为能量转化的中枢,要求有非常高的集成度,要集成电力电子控制单元、高性能动力电机和减速器。电力电子控制单元通过极短的高压线束与三相永磁同步高性能动力电机相连。可以说对于纯电动车型来说,一个高性能的电驱动桥是至关重要的技术环节。

在EDS电驱动系统中,感应电机是极其重要的一环。目前,感应电机和永磁同步电机是交流电机最主要的技术发展方向。相较而言,感应电机的转速范围更广,能够在很大范围内实现高效工作,车辆速度越高越稳定,效率发挥越好。

一体化集成的EDS电驱动系统,配备铜转子感应电机、独特拓扑架构设计的电机控制器和大扭矩齿轮箱,把电池组中的电能转化成驱动电动汽车前进所需的机械能,对电动汽车的性能表现起着重要作用。 高功率、大扭矩的动力组合,满足整车配置需求。


EDS电驱动系统搭载的铜转子感应电机,采用了高性能铜材制造转子导电通路来替代传统铝转子,由于铜的电导率比铝更高,因此,铜转子感应电机的效率更高。

4、国内主流EDS电驱系统

4.1、上汽荣威

上汽荣威全新开发的EDS电驱动系统能耗优化降低至业界领先的15kWh/百公里。给了驾驶者加速迅猛且安静的优良驾驶体验。

▲上汽荣威ERX5 EDS电驱动单元

▲上汽荣威ERX5 EDS电驱动单元

4.2、蔚来汽车

蔚来汽车高度集成的XPT EDS电驱动系统可输出240千瓦功率,扭矩达420牛Nm。

4.3、陆地方舟

第六代HIEDS电机驱动系统,采用先进的硬件架构,与合理的结构设计,电磁兼容性得到了进一步的提高,不断改进控制算法,使得电机运行更加平稳,响应速度更快、能量转化更高。控制逻辑更为先进,使得车辆更为安全。


4.4、比亚迪

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