電動汽車電驅系統發展現狀及趨勢研究

趙娜

摘 要：汽車發展100多年來，改變了人們的出行方式，帶來極大的便利。但是燃油汽車排放引起嚴重的環境問題，節能減排成為全球共識。在此背景下，電動汽車蓬勃發展，但目前仍處于在電動汽車發展的初級階段，面臨著各自問題。其中制衡電動汽車發展的就是電驅系統技術，它成本高導致電動汽車無法大面積普及。本文針對電動汽車電驅系統的發展現狀及趨勢進行研究，明確國內外技術差距，為電驅系統發展提供參考建議。

關鍵詞：電動車;電驅;電機;電控

一、引言

汽車為人民的生活帶來了便利，但是其排放污染物也破壞了我們賴以生存的大氣環境。隨著環保意識的增強，世界各地都出臺了排放限制法規，減少汽車排放污染物，保護地球大氣環境。[1]

為了應對日益嚴格的排放法規，全球汽車廠商制定了新能源汽車計劃表。其中電動化是新能源汽車發展的重要趨勢。目前以特斯拉為首的新興電動汽車勢力正在高速發展，以大眾為首的傳統燃油汽車廠商正以壯士斷腕的決心實現轉變。

雖然電動車蓬勃發展，但受技術限制，電動汽車的價格居高不下，且技術穩定程度相較燃油車還有一定差距，所以電動汽車的銷售仍然只占燃油汽車極小比例。其中影響價格及穩定性最關鍵的就是電動汽車的三電部品技術：電池、電機和電控。其中電機和電控合并簡稱為電驅系統，本文針對電驅系統的技術現狀及趨勢進行研究，為電動汽車發展盡綿薄之力。

二、發展現狀

電驅系統直接影響汽車動力傳遞，其技術水平直接影響著電動汽車的整車性能，是衡量電動汽車質量的重要指標之一。就電動汽車動力總成系統而言，現有的電動汽車驅動方式主要有集中式驅動和分布式驅動兩種。

電動汽車集中式驅動系統采用高功率密度的驅動電機取代傳統汽車的燃油發動機，同時保留大部分傳統汽車原有的整套機械傳動、制動系統。

電動汽車分布式電驅系統將多個驅動電機直接安裝在車輪側，并將驅動、傳動、制動裝置都整合在一起，省去了離合器、變速器、差速器等機械傳動總成，能顯著減小車輛簧載質量、縮短機械傳遞鏈和提高傳動效率，同時大大簡化電動汽車底盤結構。

電動汽車集中式驅動系統是現階段電動汽車的主流驅動模式，也是本文研究的主要研究對象。

（一）電驅系統整體介紹

電驅系統是電動汽車的動力傳遞裝置，它主要由3 IN 1、MCU、電機和減速器組成。動力傳遞過程為：直流電從電池包傳輸至3 IN 1中進行電壓轉換，流入MCU變成滿足電機需要的交流電，然后通過電機將電能轉變為機械能，電機輸出扭矩，經過變速箱放大，最后通過差速器將動力分配到不同輪胎上。

（二）充電3合1

充電3IN1是電池包充放電接口，包含DCDC、OBC和PDU。DCDC指將高壓電變壓為低壓電，給蓄電池等電器件供電。OBC指可將220AC轉換為高壓直流電，根據BMS要求進行恒流恒壓輸出。PDU為高壓配電盒，將電池電源分配給DCDC、OBC等各高壓電器件。其結構示意圖如下，主要由安裝基體、繼電器、DCDC、散熱器及OBC等組成。

（三）MCU

MCU是電機控制單元，通過接收VCU的車輛行駛控制指令，將直流電轉為交流電，且為電機需要的交流電形態，通過電流矢量分解和波形達成扭矩控制，控制電動機輸出指定的扭矩和轉速，驅動車輛行駛。

MCU電機控制單元功能：①怠速控制（爬行）;②電機正轉（前進）;③電機反轉（倒車）;④能量回收（交流轉直流）;⑤駐坡（防止溜車）。其內部組成如下圖所示，主要包含薄膜電容、IGBT、三相銅排及一系列相關的傳感器。

（四）電機

電機是將電能轉化為機械能的關鍵裝置，其基本原理是導體在磁場中通電，導體會轉動。目前電動汽車常用的電機包含交流感應電機和永磁同步電機[2]，其對比如圖所示，相對來說，永磁同步電機在電動汽車中應用更廣泛。

圖6為永磁同步電機爆炸圖，其主要由安裝基體、轉子總成、定子總成及密封裝置組成，轉子總成主要包括永磁體、硅銅片和定子鐵芯，定子總成主要包括鑄鋁和銅線繞組。

（五）減速器

減速器是將電機輸出的扭矩進行放大，滿足車輛驅動的需要。但電動汽車的變速器比燃油汽車的要簡單了很多，如下圖所示，它由兩級齒輪完成單檔的變速，由差速器完成兩個車輪的轉速，扭矩分配。

三、發展趨勢

（一）電驅系統高度集成化

在電動汽車發展初期，電機、減速器、逆變器及電機控制器等分布在整車各個地方，驅動電機需要三根又長又重的UVW高壓線連接到逆變器，容易產生電磁干擾，生產成本十分昂貴，且占用大量空間。隨著技術的發展，高度集成的3IN1電驅產品不斷發展。

集成的電驅系統可實現輕量化、增大車內空間，同時布局靈活，有利于車企平臺化的設計，可以為不同車型搭載同一套系統。

圖8 電驅系統集成化演變

電驅系統集成化是必然趨勢，三合一是目前的主流方向，未來可能會實現多合一方案。目前華為已經在研究多合一集成化電驅系統，通過將電機、MCU、PDU、OBC、DCDC、減速器、BCU等七大部件高度集成，一方面實現了機械部件和功率部件的高度融合，另一方面可將智能化帶入到電驅系統中，實現端云協同與控制歸一。我國目前研究進展基本與國外同步，但是在高速減速器及其軸承、齒輪等配套關鍵零部件上仍存在差距，電機與減速器的深度集成需要進一步強化。

（二）電機技術發展

電機是電動汽車電驅系統的關鍵核心部件，其性能的優劣，是衡量電動汽車是否具備優良動力性能的關鍵因素之一。目前的技術發展方向包括提高材料利用率、提升電機與整車工況效率匹配以及提升電機品質和降低成本。

提高材料利用率，一方面要優化電機結構設計，實現電機輕量化與集成化，另一方面要開發新材料及新工藝，減少稀缺材料的使用量。提升電機與整車工況效率匹配，近幾年發展出自適應控制[3]、變結構控制[4]、模糊控制和神經網絡控制[5]等技術，實現電機與整車工況效率匹配。

提升電機品質和降低成本，通過永磁高效化、新材料及制造工藝運用等方式實現。具體技術方向包含：①使用低損耗硅鋼、高性能磁鋼、成型繞組、匯流排、磁鋼定位封裝等先進工藝;②關鍵材料及部件國產化，提升自主工藝開發及生產線建設能力;③加大關鍵零部件技術研發，如軸承、轉子及扇線繞組;④開發低成本高性能、耐高溫穩定性高稀土永磁材料，同時設計上減少稀土等貴重材料的使用量。

總體上說，我國電機技術在功率密度、轉速、效率等關鍵技術指標與國外相當，在扁導線制造工藝方面有一定積累，未來需要加大耐電暈耐高溫絕緣材料、高強度耐高溫高熱導絕緣材料、低重稀土永磁材料、高導磁低損材料及骨架、直接油冷電機材料等的替代應用及兼容性問題研究。

四、總結

電動汽車的發展對我國來說是一種挑戰也機遇，一方面是實現汽車產業彎道超車的重要機會，另一面也是考驗著我國技術研發及產業基礎建設水平。我國電動汽車發展與外國仍有差距，我們仍需要做好以下方面的研究：

（1）加快傳統關鍵零部件的研發，如軸承、轉子等;

（2）利用數字化技術實現電驅系統的集成化、高效化及智能化;

（3）研發電機新材料及新工藝，降低產品價格及提升產品品質。

本文對電驅系統的發展現狀及趨勢做了粗略的研究及概況，明確出我國與國外技術水平的差距，并提出建議，希望為電動汽車電驅系統的發展提供綿薄之力。

參考文獻：

[1] 中國公路學報編輯部. 中國汽車工程學術研究綜述2017[J].中國公路學報，2017，30（ 6） ： 1-188.

[2] Chau K T，Chan C C，Liu C. Overview of Permanent-magnet Brushless Drives for Electric and Hybrid Electric Vehicles[J]. IEEE Transactions on industrial electronics，2008，55（ 6） ： 2246-2257.

[3] Rodriguez J，Kazmierkowski M P，Espinoza J R，et al. State of the Art of Finite Control Set Model Predictive Control in Power Electronics[J]. IEEE Transactions on Industrial Informatics，2013，9（ 2） ：1003-1016.

[4]Kouro S，Perez M A，Rodriguez J，et al. Model Predictive Control：MPC's Role in the Evolution of Power Electronics[J]. IEEE Industrial Electronics Magazine，2015，9（ 4） ： 8-21.

[5]王鵬博，盧秀和.基于模糊PI 及矢量變換控制方法的電動車驅動系統工況適應性研究[J]. 電測與儀表，2019，56 （ 08） ：57-63.