汽車智能底盤原理及技術 課件 第二章 智能驅動系統(tǒng)

第二章智能電驅動系統(tǒng)智能驅動系統(tǒng)課前小討論2比亞迪電驅動系統(tǒng)的發(fā)展經歷了顯著的迭代和進步。該系統(tǒng)從分立式發(fā)展起步，逐步演進至“3+3”模式，最終發(fā)展到目前的多合一高集成度生產平臺。其中，第四代電驅動技術尤為突出，作為全球首款量產的集成八大部件的深度集成動力模塊，其不僅集成了驅動電機、電機控制器、減速器、整車控制器等關鍵部件，還顯著減少了體積和重量，提升了系統(tǒng)綜合效率至89%。此外，基于e平臺3.0開發(fā)，該電驅動系統(tǒng)已成功搭載于比亞迪的e3.0首款轎車及純電動SUV上，展現(xiàn)了其輕量化、小型化、高效率和高智能的核心優(yōu)勢。這一系列的發(fā)展表明，比亞迪在電驅動技術方面持續(xù)創(chuàng)新，致力于提供更為先進、高效的新能源汽車動力系統(tǒng)。目前汽車驅動系統(tǒng)的主要類型有哪些？其發(fā)展趨勢是什么？第二章

智能電驅動系統(tǒng)

3智能電驅動系統(tǒng)基本結構與工作原理集中式驅動系統(tǒng)分布式驅動系統(tǒng)智能電驅動系統(tǒng)基本結構與工作原理1.1智能電驅動系統(tǒng)基本結構智能電驅動系統(tǒng)由傳感器、電子控制單元及執(zhí)行器三大部分組成智能電驅動系統(tǒng)基本結構實時監(jiān)測車輛的狀態(tài)和駕駛員的操作將電能轉化為機械能，實現(xiàn)對車輛動力的精確控制智能電驅動系統(tǒng)基本結構與工作原理5電路磁路機械能電能驅動電機是依據電磁感應定律和電磁力定律實現(xiàn)機電能量轉換和信號傳遞的裝置。1.1智能電驅動系統(tǒng)基本結構驅動電機智能電驅動系統(tǒng)基本結構與工作原理6交流異步電機永磁同步電機變壓器旋轉電機直流電機驅動電機1）按運動方式分類：2）按功能方式分類：電機發(fā)電機：由原動機拖動，將機械能轉換成電能電動機：將電能轉化為機械能，驅動電力機械變壓器、變流機、變頻機、移相器：分別用于改變電壓、電流、頻率和相位控制電機：進行信號的傳遞和轉換，控制系統(tǒng)中的執(zhí)行，檢測或解算元件電機1.1智能電驅動系統(tǒng)基本結構驅動電機分類智能電驅動系統(tǒng)基本結構與工作原理7定子：主要包括定子繞組和定子鐵心兩部分。定子繞組主要分為分布式和集中式兩種形式；轉子：包含永磁體、轉子鐵心、轉軸、軸承等。根據永磁體在轉子上的不同安放位置，永磁同步電機通常被分為表貼式轉子結構和內置式轉子結構。1.1智能電驅動系統(tǒng)基本結構永磁同步電機永磁同步電機（PMSM）是一種先進的電動機，其核心部件包括定子、轉子以及端蓋等，這些部件共同協(xié)作以實現(xiàn)高效的能量轉換和動力輸出。智能電驅動系統(tǒng)基本結構與工作原理8基本原理：當向定子繞組通入交流電時，會在定子內部產生一個旋轉磁場。由于永磁體產生的磁場與定子產生的旋轉磁場之間存在相互作用，轉子會受到定子磁場的吸引和排斥力，從而跟隨定子磁場的旋轉而轉動。由于其幅值大小不變，這個旋轉磁動勢的軌跡便形成一個圓，稱為圓形旋轉磁動勢。1.1智能電驅動系統(tǒng)基本結構永磁同步電機在電機內部，轉子上安裝了永磁體，而定子上則繞有繞組永磁體提供的恒定磁場使得電機在不同負載下都能保持較好的性能，并且具有較寬的調速范圍通過精確控制定子電流的頻率和相位，可以實現(xiàn)對永磁同步電機轉速和轉矩的精確調節(jié)智能電驅動系統(tǒng)基本結構與工作原理9定子：主要包括定子繞組和定子鐵心兩部分。鐵心是電動機主磁路的關鍵部分，繞組主要功能是產生感應電勢和電磁轉矩；轉子：作為電機的旋轉部分，同樣由鐵心和繞組組成，分為鼠籠式和繞線式兩種。1.1智能電驅動系統(tǒng)基本結構異步電機異步電機是一種常見的交流電機，其基本結構主要包括定子和轉子兩部分。智能電驅動系統(tǒng)基本結構與工作原理10基本原理：當定子磁場旋轉，轉子不轉，轉子導條與旋轉磁場有相對運動，在導條中產生感應電勢E，因轉子導條彼此在端部短路，則感應電勢在閉合回路內產生電流i。電流方向與感應電勢同方向。轉子受力后產生電磁轉矩，方向與旋轉磁場同方向。1.1智能電驅動系統(tǒng)基本結構異步電機n

--電機轉速，單位：r/min；s--轉差率。電機轉速與旋轉磁場的轉速不相同，

即定轉子轉速不同步，存在轉速差，

因此叫“異步電機”。通過改變轉差、

極數(shù)和定子頻率可以實現(xiàn)電機的轉速的改變。在異步驅動電機系統(tǒng)中，

采用的是改變定子頻率，即采用所謂的變頻調速，通過改變電機控制器的輸出頻率來調節(jié)電機的轉速。智能電驅動系統(tǒng)基本結構與工作原理11概念：電機控制器是控制動力電源與驅動電機之間能量傳輸?shù)难b置，是電動汽車三電核心部件之一。電機控制器的整體結構如右圖所示。原理：電機控制器通過逆變電路輸出三相交流電壓，控制電機旋轉，實現(xiàn)電能到機械能的轉化。其主要由功率模塊、高壓連接器、母線電容、低壓連接器、控制電路、驅動電路、電流傳感器等部分構成。1-母線維修蓋；2-上蓋；3-高壓連接器；4-控制和驅動電路；5-旋變線束；6-電流傳感器；7-磁環(huán)；8-IGBT三相導電柱；9-母線電容；10-功率模塊；11-水道密封圈；12-低壓連接器屏蔽罩；13-三相銅排及支架；14-殼體；15-低壓連接器；16-出水口密封圈電機控制器基本組成1.1智能電驅動系統(tǒng)基本結構電機控制器智能電驅動系統(tǒng)基本結構與工作原理12功率模塊是電機控制器的核心部件，主要作用是將動力電池的直流電轉換為交流電，用于驅動電機工作。功率模塊的典型封裝結構如圖所示，主要包括外殼、芯片、鍵合線、端子、陶瓷覆銅板和基板功率模塊典型封裝結構1.1智能電驅動系統(tǒng)基本結構電機控制器——功率模塊智能電驅動系統(tǒng)基本結構與工作原理13目前行業(yè)主流的功率模塊為：Si基IGBT（絕緣柵雙極型晶體管）和SiC基MOSFET（金屬氧化物場效應晶體管）。Si-IGBT及SiC-MOSFET功率模塊Si-IGBT功率模塊SiC-MOSFET功率模塊Si-IGBT芯片SiC-MOSFET芯片Si-IGBT及SiC-MOSFET芯片同規(guī)格下，SiC-MOSTET芯片和功率模塊顯著小于Si-IGBT芯片和功率模塊，可大幅提升控制器功率密度1.1智能電驅動系統(tǒng)基本結構電機控制器——功率模塊智能電驅動系統(tǒng)基本結構與工作原理與Si-IGBT相比，SiC-MOSFET具有以下優(yōu)勢：更高的熱導率，即在高溫運行時穩(wěn)定性明顯提升。更高的電子飽和速度，故該功率器件導通損耗更低。更高的電子遷移率，使功率器件的工作頻率可以更高。更寬的禁帶寬度使其具有更高的耐壓能力。14SiC-MOSFET具備高頻、高壓、高效等多種優(yōu)勢，因此在電動汽車領域的應用越來越多1.1智能電驅動系統(tǒng)基本結構電機控制器——功率模塊智能電驅動系統(tǒng)基本結構與工作原理高壓連接器是在高壓電纜與高壓部件間，提供連接和分離功能的具有一組或者多組導體端子的部件。其工作電壓在60Vdc以上，主要由端子、絕緣體、塑殼、屏蔽環(huán)、密封件、高壓互鎖機構等組成。高壓連接器151.1智能電驅動系統(tǒng)基本結構電機控制器——高壓連接器高壓連接器在設計上集成了高壓安全、電磁屏蔽和防護結構。高壓連接器廣泛應用于電池系統(tǒng)、電機控制器、電機、DC/DC轉換器及車載充電器等設備。智能電驅動系統(tǒng)基本結構與工作原理母線電容位于母線正負極之間，可以穩(wěn)定動力電池輸出母線電壓進而減小電壓波動，以及降低功率器件和母線回路中電感進而抑制器件兩端的尖峰電壓。母線電容161.1智能電驅動系統(tǒng)基本結構電機控制器——母線電容智能電驅動系統(tǒng)基本結構與工作原理母線電容主要是薄膜電容，它是以有機薄膜為絕緣介質，在有機薄膜表面蒸鍍而成的金屬層作為電極，成對卷繞而成的電力電容器，具有容量穩(wěn)定，自感量小等優(yōu)點。適合應用于使用條件苛刻、感量低、長壽命、性能要求高的變流器中。17母線電容主要類型1.1智能電驅動系統(tǒng)基本結構電機控制器——母線電容智能電驅動系統(tǒng)基本結構與工作原理低壓連接器負責連接電纜、信號線及電氣元件，適用于60VDC以下電壓的電流與信號傳輸。其主要包括外殼、插頭、插座、密封圈、鎖止機構以及其他附件等。低壓連接器的應用：①車內照明、儀表盤、空調等基礎電氣系統(tǒng)；②制動系統(tǒng)、轉向系統(tǒng)及懸架控制系統(tǒng)等車輛關鍵外部控制器。18低壓連接器1.1智能電驅動系統(tǒng)基本結構電機控制器——低壓連接器智能電驅動系統(tǒng)基本結構與工作原理低壓連接器一旦發(fā)生松動，可能會引起動力系統(tǒng)故障、安全功能失效、充電系統(tǒng)監(jiān)測異常等，嚴重影響車輛的安全性與可靠性。連接器設計需求：防塵防水要求:電驅安裝于車輛后副車架或前艙，工作環(huán)境較為惡劣，連接器須達到IP67、IPX9K防護等級；對外通信接共需要16~20位信號針及4位電源針（12V或24V,5AMax.）；防錯設計、阻燃材料。19低壓連接器1.1智能電驅動系統(tǒng)基本結構電機控制器——低壓連接器智能電驅動系統(tǒng)基本結構與工作原理20控制電路控制電路包括主控芯片及外圍電路、CAN通訊電路、模擬采樣電路、旋變解碼電路、過流和過壓保護電路以及PWM信號電路。1.1智能電驅動系統(tǒng)基本結構電機控制器——控制電路工作原理：信號接收與處理：負責接收來自VCU和其他系統(tǒng)的信號，并通過內置的微處理器處理這些信號。電機控制算法：控制板運用預設的控制算法來計算出電機需要的電流、電壓或頻率等參數(shù)。安全與保護：控制板集成多種保護機制，如過溫保護、過流保護、短路保護等。智能電驅動系統(tǒng)基本結構與工作原理21驅動電路驅動電路主要包括電源電路、驅動電路及保護電路。1.1智能電驅動系統(tǒng)基本結構電機控制器——驅動電路工作原理：功率轉換：負責將電池提供的直流電轉換為驅動電機所需的交流電。電機控制：驅動板通過控制逆變器的開關狀態(tài)來調節(jié)電機的轉速和扭矩。信號處理：驅動板中的微處理器或數(shù)字信號處理器解析指令，并計算出合適的電機控制策略。反饋回路：驅動板中的傳感器（如電流傳感器），持續(xù)監(jiān)測電機的狀態(tài)，并將數(shù)據反饋給控制器。智能電驅動系統(tǒng)基本結構與工作原理

霍爾傳感器221.1智能電驅動系統(tǒng)基本結構電機控制器——電流傳感器智能電驅動系統(tǒng)基本結構與工作原理1.2電機控制原理直流交流位置傳感器電流傳感器電壓采樣電流反饋位置(角度)反饋母線電容

電機控制算法電機控制器能夠將動力電池的直流電轉換成幅值、頻率可控的交流電，用于控制電機輸出車輛需求的扭矩，其中電機控制算法發(fā)揮了核心的作用。智能電驅動系統(tǒng)基本結構與工作原理22自然坐標系(ABC)兩相靜止坐標系(αβ)兩相旋轉坐標系(dq)Clark變換Park變換反Clark變換反Park變換

Clark變換矩陣：Park變換矩陣：

逆Clark變換矩陣：

Clark變換：逆Clark變換：逆Park變換矩陣：

Park變換：逆Park變換：

1.2電機控制原理坐標變化前饋解耦

智能電驅動系統(tǒng)基本結構與工作原理23傳統(tǒng)PID控制器的位置式表達式：

增量型表達式（由①-②得）：

永磁同步電機d、q軸電壓方程：

解耦后：d、q軸存在耦合d、q軸各自獨立PID的增量型算法可以消除位置型算法中的累加誤差，減少存儲單元，便于程序的編寫。

解耦后d、q軸的被控對象不存在相互間的參數(shù)擾動，大大提高控制性能。

PID控制前饋解耦1.2電機控制原理電流閉環(huán)調節(jié)智能電驅動系統(tǒng)基本結構與工作原理24

三相電壓合成的空間矢量：

能夠最大化直流母線電壓的利用率，是正弦PWM輸出電壓的1.154倍；減小諧波含量，從而減小轉矩脈動，實現(xiàn)更平滑的電機控制。

SVPWM是一種脈寬調制技術，相比傳統(tǒng)的正弦PWM可提高直流母線電壓利用率，降低諧波含量，提高電機性能和效率。1.2電機控制原理空間矢量脈寬調制(SVPWM)第二章

智能電驅動系統(tǒng)

27智能電驅動系統(tǒng)基本結構與工作原理集中式驅動系統(tǒng)分布式驅動系統(tǒng)集中式驅動系統(tǒng)集中式驅動系統(tǒng)其工作原理是通過主電機與傳動軸的直接連接，從而有效地驅動車輛。該系統(tǒng)的核心組件包括一個驅動總成、一個差速器以及雙傳動半軸，這些構成了其基礎結構單元。根據驅動總成在車輛中的具體布局，集中式驅動系統(tǒng)可以采取不同的配置形式。由于電機的體積和重量相較于內燃機顯著減小，可以進一步分為單電機驅動系統(tǒng)和多電機驅動系統(tǒng)

集中式驅動系統(tǒng)

單電機驅動系統(tǒng)

多電機驅動系統(tǒng)集中式驅動系統(tǒng)概念及分類類型動力架構驅動系統(tǒng)特點傳統(tǒng)燃油汽車復雜的多檔變速傳動機構1.結構復雜，成本高2.傳遞路徑長，效率低3.換檔過程車輛平順性差電動汽車一檔變速器的動力架構1.結構簡單2.傳遞路徑短，效率高3.無檔位切換全速域駕駛平順集中式驅動系統(tǒng)單電機驅動系統(tǒng)由驅動電機、一檔減速器或多檔變速器及差速器構成，每個組件在系統(tǒng)中都扮演著不可或缺的角色，共同影響著車輛的性能、效率和駕駛體驗。2.1單電機驅動系統(tǒng)單電機驅動系統(tǒng)組成類型動力架構系統(tǒng)外特性特點局限性單電機+一檔減速器1.結構簡單，驅動過程簡潔明了2.驅動過程平順性較好1.受的扭矩相對較小，無法適應大負載或高扭矩的應用場景2.速度調節(jié)范圍相對有限單電機+多檔變速器1.在高速行駛時，可以有效降低電機的轉速2.在爬坡或加速等工況，可讓電機釋放出更大的轉矩1.結構復雜和尺寸較大,不利于車輛的布置2.控制復雜，換檔過程容易出現(xiàn)頓挫感或沖擊感集中式驅動系統(tǒng)隨著車輛動力性需求的不斷增長，一檔減速器逐漸顯露出其局限性，而多檔變速器具備動力性方面的優(yōu)勢2.1單電機驅動系統(tǒng)單電機+多檔變速器集中式驅動系統(tǒng)2.2多電機驅動系統(tǒng)雙電機+固定傳動比定義：多電機耦合驅動構型是采用兩個或多個電機共同驅動車輛的一種技術方案。多電機耦合驅動構型與傳統(tǒng)的單電機驅動系統(tǒng)相比，多電機耦合驅動構型通過電機之間的協(xié)調控制和動力耦合，能夠顯著提升車輛的動力性能和扭矩輸出。通過智能控制策略，該系統(tǒng)還能實現(xiàn)電機之間的靈活切換和協(xié)同工作，以適應不同工況下的動力需求。集中式驅動系統(tǒng)2.2多電機驅動系統(tǒng)

目標：應能承受兩個電機輸出的高扭矩和高轉速，還能實現(xiàn)電機之間的動力耦合和傳遞，為此常采用先進的齒輪傳動技術和精密的控制系統(tǒng)，此外還需具備電機空檔操作功能，實現(xiàn)與單電機相當?shù)慕洕阅?。換擋機構電機換檔基本控制模塊齒輪設計：采用多檔變速設計，通過調整齒輪傳動比實現(xiàn)電機轉速和輸出扭矩的靈活調節(jié)。采用了輕量化材料和先進的潤滑技術，降低傳動損失和提高傳動效率?？刂葡到y(tǒng)設計：電機控制單元負責接收來自車輛控制器的指令，并根據指令控制電機的運行狀態(tài)。傳感器負責實時監(jiān)測電機的轉速、溫度、電流等參數(shù)，并將數(shù)據反饋給電機控制單元和車輛控制器。耦合變速器的設計與功能集中式驅動系統(tǒng)2.2.2多電機驅動系統(tǒng)

優(yōu)勢：更高的動力輸出：通過同時驅動多個電機，將各個電機的動力疊加，從而提供比單電機更高的動力輸出。提高能源效率：通過不同電機的搭配和協(xié)調控制擴大系統(tǒng)高效區(qū)，有助于在不同工況下保持較高的能源利用效率。增強系統(tǒng)靈活性：根據實時工況動態(tài)調整各電機的輸出，以適應復雜多變的行駛環(huán)境。

挑戰(zhàn)：復雜性和成本相對較高?？刂齐y度較大。為實現(xiàn)電機之間的精確配合和協(xié)同工作，需采用先進的無沖擊換檔控制算法和傳感器技術。可靠性、耐久性需經過嚴格的測試和驗證。雙電機輸出扭矩特性圖多電機耦合驅動構型的優(yōu)勢與挑戰(zhàn)第二章

智能電驅動系統(tǒng)

34智能電驅動系統(tǒng)基本結構與工作原理集中式驅動系統(tǒng)分布式驅動系統(tǒng)分布式驅動系統(tǒng)35分布式驅動系統(tǒng)的類型主要有輪邊驅動和輪轂驅動兩種形式，其工作原理是將驅動電機直接安裝在車輪內或車輪附近，從而取消了差速器等傳動部件，使得傳動鏈路更簡單、緊湊。該構型將動力源直接分散至每個車輪，使驅動力分配變得均衡與靈活，且賦予每個車輪獨立驅動的能力，可以實現(xiàn)多種集中式驅動構型無法實現(xiàn)的功能，如扭矩矢量控制、原地轉向和應急浮水等。原地轉向功能分布式驅動系統(tǒng)應急浮水功能分布式驅動系統(tǒng)概念及分類分布式驅動系統(tǒng)3.1輪邊電機驅動系統(tǒng)36輪邊電機驅動系統(tǒng)是由輪邊電機、減速器、控制器、電池組、傳動軸、制動器等構成。其中，減速器的布置和集成方式決定了驅動系統(tǒng)的構型。集成位置因車輛類型和設計需求而異，目前主要有兩種構型，構型一是減速器位于電機與輪轂之間，構型二是減速器位于兩側驅動輪的近旁。兩種輪邊電機驅動系統(tǒng)構型輪邊電機驅動構型的組成分布式驅動系統(tǒng)3.1輪邊電機驅動系統(tǒng)37輪邊電機驅動構型的類型輪邊電機構型可以根據其安裝位置和功能特點進行分類：輪邊電機直接驅動構型：輪邊電機直接安裝在車輪邊上，通過傳動機構將動力傳遞給車輪。該構型簡化了傳動系統(tǒng)，提高了傳動效率，并且可以獨立控制每個車輪的扭矩。輪邊電機-減速驅動構型：輪邊電機通過減速機構（如齒輪、帶輪或鏈輪等）來驅動車輪。該構型可提高扭矩輸出，適用于需要較大驅動力的應用場景。輪邊電機的位置可以是固定的，也可以與懸架集成，形成擺動式結構，以適應不同的懸架設計。動態(tài)吸振式輪邊電驅動構型：利用動態(tài)吸振原理來抑制由于簧下質量增加導致的車輛振動問題。電機可以懸置于轉向節(jié)或車身，通過設計移動副安裝彈簧和減震器來吸收車輛振動。該構型可以提高車輛的平順性和車輪接地性。分布式驅動系統(tǒng)3.1輪邊電機驅動系統(tǒng)38動力性能優(yōu)越：輪邊電機驅動構型能夠直接為車輪提供驅動力，減少了動力傳遞的損耗，使得電動汽車在加速、爬坡等工況下具有更好的動力性能。能量利用效率高：由于動力傳遞路徑的簡化，輪邊電機驅動構型能夠降低傳動損失，提高系統(tǒng)的能量利用效率。同時，由于電動機可以根據實際需求進行精確控制，因此可以進一步降低能耗。可擴展性強：輪邊電機驅動構型可以方便地擴展為多動力源分布式驅動系統(tǒng)，滿足不同車型和用途的需求。比亞迪仰望易四方分布式驅動系統(tǒng)東風猛士分布式電驅動系統(tǒng)極氪001FR分布式電驅動系統(tǒng)輪邊電機驅動構型優(yōu)勢分布式驅動系統(tǒng)3.1輪邊電機驅動系統(tǒng)39輪邊電驅動系統(tǒng)技術新需求新一代的輪邊驅動系統(tǒng)，對集成化設計、智能化協(xié)同控制、結構強度可靠性和節(jié)能環(huán)保輕量化四個方面提出了更高的要求，以達到更優(yōu)異的性能表現(xiàn)。分布式驅動系統(tǒng)3.2輪轂電機驅動系統(tǒng)40輪轂電機驅動構型的結構輪轂電機示意圖輪轂電機是一種集電力電子、控制技術、計算機技術、電機制造技術于一體的智能電機，是將車子的“動力系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)、剎車系統(tǒng)”集成到一起而設計出來的電機。輪轂電機驅動構型的核心在于將驅動電機及減速器直接集成于車輪之中。輪轂電機驅動構型主要由：驅動電機、減速器、制動系統(tǒng)、懸掛系統(tǒng)組成。分布式驅動系統(tǒng)3.2輪轂電機驅動系統(tǒng)41驅動電機減速器制動系統(tǒng)：懸掛系統(tǒng)輪轂電機組成部分示意圖懸掛系統(tǒng)用于支撐車輪和車身，并緩沖路面不平度對車身的沖擊。由于電機和減速器屬于簧下質量，因此懸掛系統(tǒng)的設計和優(yōu)化尤為重要。通常采用電子制動方式，通過控制電機的電流和磁場來實現(xiàn)制動功能。減速器用于降低電機的轉速，提高扭矩輸出，以適應車輪的驅動需求。是輪轂電機的核心部件，將電能轉化為機械能，為車輪提供動力。電機定子固定在輪廓上，轉子則與車輪連接。當電流通過定子時會產生磁場，磁場與轉子上的永磁體或繞組相互作用，產生轉矩驅動轉子旋轉。輪轂電機驅動構型的結構分布式驅動系統(tǒng)423.2輪轂電機驅動系統(tǒng)輪轂電機類型內轉子電機外轉子電機轉速高，電機的轉速可高達15000r/min低，電機的轉速與車輪的轉速同步，轉速范圍通常在800-1500轉/分鐘（r/min）扭矩低高減速機構配備固定傳動比的減速器無優(yōu)點集成度高，結構緊湊，能量密度高動力性能好，降低故障率，傳遞效率更高缺點1.結構較復雜，電機最高轉速易受限制2.難