BEV车型采用的电驱动系统梳理分析

要长高

描述

在新能源汽车推广应用的过程中出现过各种关于电驱动系统技术路线的讨论,随着时间的推移以及越来越严苛的环保要求,越来越多的车企都将汽车发展的技术路线调整到BEV的赛道上,其中的代表车企如VW、TOYOTA、GM分别推出了MEB、e-TNGA、Ultium 等的纯电动车型平台。在新能源汽车时代严重掉队的传统巨头们不约而同地推出了自家面向未来的下一代纯电动车型平台,以期通过平台化的车型开发加速新车的投放速度,以弥补失去的时间和市场。在BEV车型开发的过程中,由于各自产品规划和定位的不同,各车企采用的电驱动系统方案也各有侧重。本文旨在对BEV车型开发过程中采用的电驱动系统进行梳理和介绍,以确定在开发过程中进行电驱动系统匹配和选型的策略。

匹配BEV车型的电驱动系统主要有早期基于燃油车架构更改而来的电机直驱系统和发展到现在广泛采用的基于全新BEV平台开发的中央集成驱动系统以及面向未来的分布式驱动系统等三种形式,以下将分别进行说明。

一、直驱系统

在电动汽车发展的早期,各车企为便于尽快推出产品,大多采用在传统燃油车架构的基础上以驱动电机直接替代发动机并在车身底盘加装动力电池的开发策略,以缩短从产品开发到投向市场的时间。该阶段的电驱动系统主要由电机和电机控制器组成,电机和电机控制器独立布置于车身内部。因此,该阶段的电驱动系统具有结构简单、适用性好的特点。其中的代表产品如SMG1U180,产品结构简单、技术成熟、可靠性高,匹配过多款车型。其结构图示和技术参数分别如图1、表一所示:

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图1 SMG1U180驱动电机结构图示

表一 SMG1U180驱动电机参数

项目 参数
峰值功率(kW) 100~130
额定功率(kW) 25~75
峰值扭矩(N.m) 165~300
额定扭矩(N.m) 60~160
峰值转速(rpm) 13000
冷却方式 液冷
质量(kg) 25~42
工作温度(℃) -40~125

二、集成驱动系统

集成驱动系统主要是相对直驱系统而言,有电机、减速箱集成的二合一电驱动系统和电机、电机控制器及减速器集成的三合一电驱动系统。按结构又可分为平行轴结构和同轴结构;按照变速箱的形式又可分为单挡系统和两挡系统;在此基础上为了取得更高的系统动力参数,可以将驱动系统进行集成,进行动力耦合输出。以下分别进行说明。

1、二合一电驱动系统

二合一电驱动系统是在直驱系统的基础上将电机、减速器进行集成设计,有助于减小电机尺寸,降低系统费用,便于系统布置。某广泛应用的二合一驱动系统结构图示及系统参数分别如图2、表二所示:

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图2 二合一驱动系统结构图示

表二 二合一驱动系统参数

项目 参数
峰值功率(kW): 98
额定功率(kW): 40
峰值扭矩(N.m): 175
额定扭矩(N.m): 72
峰值转速(rpm): 14000
Ratio: 13.4
冷却方式: 液冷&8L/min
系统额定电压(V DC): 350
系统最高效率: 95%
质量(kg): 55

2、三合一电驱动系统

三合一电驱动系统是在二合一系统的基础上将电机控制器进行集成设计,有助于减小电驱动系统总成的包络尺寸,更有利于进行整车布置,提高整车空间利用率;采用集成设计的方案可极大地减少各子系统之间的机械及电气连接接口,有助于减少连接零部件的数量,降低系统BOM成本;也有助于提高系统稳定性和可靠性,同时有益于改善系统的EMC性能等。MEB平台采用的三合一电驱动系统结构图示及系统参数分别如图3、表三所示:

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图3 MEB平台后驱动系统结构图示

表三:MEB平台后驱动系统参数

Key Parameter 150kW
INV:Max. AC Current:500Arms
EM:PSM,Stator:220/129,Speed:16000rpm,I-Pin
GB:Gear ratio:13.1
Max. Power 150kW@360V,10s
Max. Wheel Torque 3900N.m
Max. Wheel Speed 1221rpm
Continuous Power 75kW@320V
Continuous Torque 2300N.m
Max. Efficiency >93%
IP Protection Class IP67,IP6k9k
ASIL level ASIL D
Park lock optional
Ambient temperature -40℃~85℃
Voltage range 250V~460V
Cooling Water cooling
Weight 95kg

 

3、同轴电驱动系统

同轴电驱动系统是指集成式驱动系统中减速箱输出轴与电机同轴,如上述的MEB平台三合一后驱动系统,其减速箱输入轴与电机轴共轴线,输出轴与输入轴为平行关系,因此为平行轴系统。同轴系统即减速箱输入轴与输出轴共轴线的结构,具有结构紧凑、功率密度高、便于整车布置的特点。应用于Jaguar I-Pace车型的AAM三合一系统便是同轴电驱动系统中的典型结构,其结构图示及系统参数分别如图4、表四所示:

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图4 AAM同轴电驱动系统结构图示

表四:AAM同轴电驱动系统参数

项目 参数
峰值功率(kW): 150
额定功率(kW): 60
峰值扭矩(N.m): 3100
峰值转速(rpm): 15000
Ratio: 9.04
最高车速(km/h): 200
电压范围(V DC): 290~400
Park Lock: Optional
质量(kg) 75

4、两挡电驱动系统

两挡电驱动系统主要是针对集成驱动系统中的减速箱速比而言。单档减速箱具有固定速比,结构简单,运行可靠,但是无法进行电机调速,使电机更多的工作在高效区内;两档箱即变速箱具有两个固定速比,驱动系统可以根据系统运行工况选择合适的速比运行,能极大地优化电机的高效工作效率区间,提高电驱动系统的系统效率;有助于在相同的整车续航里程条件下减小电池包容量,降低整车成本。

典型的两挡电驱动系统如Schaeffler 的两挡驱动桥,已批量应用于WAY P8、CS75等车型,其结构图示及系统参数分别如图5、表五所示:

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图5 Schaeffler两挡驱动电桥结构图示

表五:Schaeffler两挡驱动桥系统参数

项目 参数
峰值功率(kW) 90
电机峰值扭矩(N.m) 200
电机峰值转速(rpm) 14000
系统输出扭矩(N.m) 2960
最大输出转速(rpm) 1800
Ratio 5.05/14.8
换挡机构 同步器换挡
换挡执行时间(ms) ≤150
防护等级 IP 6K9K
工作温度范围(℃) -30~105
功能安全等级 ASIL C

5、动力耦合电驱动系统

电驱动系统迥异于传统燃油发动机的快速动力响应特性可以极大地提升车辆的驾驶乐趣,然而在某些性能车型中,对驱动系统的动力性提出了更高的性能要求。当传统结构的电驱动系统无法满足该要求时,就需要寻找或开发更高参数的电驱动系统。全新开发无疑会导致产生较高的产品开发费用,这时候采用传统结构的电驱动系统进行系统耦合就是一个现实的选项。当传统的纯电驱动系统电桥无法满足整车动力需求时,可以采用一定的方式将传统的电驱动系统进行动力耦合,以实现更高的动力系统参数要求。

常见的动力耦合方式有串联、并联、混联等。典型结构的并联结构动力耦合电驱动系统结构图示及系统参数

表六:动力耦合电驱动系统参数

Max. Power 150×2 kW
Conti. Power 75×2 kW
Max. EM Torque 150×2 N.m
Conti. EM Torque 75×2 N.m
Max. EM Speed 15000 rpm
Conti. EM Speed 4000 rpm
Transmission Ratio 8.6
Peak axle Speed 1740 rpm
Peak axle Torque 6020 N.m
Max. Efficiency >92%
Voltage Range 260~450 V
Cooling Water cooling

三、分布式驱动系统

分布式驱动系统区别于中央集成驱动系统,电驱动系统动力经输出轴直接传递至车轮驱动车辆行驶。分布式驱动系统由于取消了电驱动系统至轮端的动力传递过程,因此可以获得较高的动力传递效率;同时由于动力直接作用于轮端,没有传动轴约束的车轮可以获得更大的转向角,因此可以极大地减小车辆的转弯半径,提高车辆的驾驶乐趣。典型结构的分布式驱动系统结构图示及系统参数分别如图7、表七所示:

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图7 典型结构轮毂电机结构图示

表七:轮毂电机系统参数

Max. Power 80 kW
Conti. Power 54 kW
Max. EM Torque 1250 N.m
Conti. EM Torque 625 N.m
Max. EM Speed 1600 rpm
Voltage Range 200~400 V
IP Protection Class IP67,IP69
Weight 43 kg
Cooling Water cooling
Power and Control Electronics Integrated


 

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