车用电驱动系统设计及开发
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23
基于行星齿轮的ECVT系统
• 典型代表丰田的Prius、福特公司的PG-ECVT、通用混合动力PG-ECVT
24
PG-ECVT
丰田PG-ECVT 通用PG-ECVT
福特PG-ECVT
25
国内外电驱动系统介绍
A、丰田普锐斯的行星齿轮传动系统
国内外电驱动系统介绍
行星齿轮减速机构优点： 传动效率高（单级达到96%-99%）； 传动比范围广，传动功率可以从12W到50000kW，体积重量比普通齿轮和 涡轮蜗杆小得多； 行星齿轮的类型：渐开线行星齿轮、行星摆线针轮减速器、少齿差渐开 线行星齿轮减速器。 行星齿轮减速机构缺点： 结构复杂； 制造精度要求高； 丰田普锐斯的行星齿轮传动系统优点
0.08 0.06 0.04 0.02 0
Torque Command Speed Command MTPA lookup table
PI
i
d _ FW
idMTPA
++
i q ref
+ -
++
i dref
M
udref
uqref
+-
Vector control & Decoupling
SVPWM &Inverter
电动汽车的开发难点
• 专用汽车电子基础薄弱
在HEV的 成本构成 中，汽车 电子的比 例高达 47%，而 在传统汽 车中这一 数字仅为 15%
电驱动系统测试技术
汽车新能源技术开发实验室主要用于电动汽车和混合动力各系统及零部件开发和设 计的测试、标定、验证工作。实验室能够实现对驱动电机、动力电池、电子控制单元、 动力总成、底盘等系统的实验模拟测试工作，包括从软件到硬件、从单个零部件到动 力系统的整套试验功能。 实验室组建完善后，可以完成： 电驱动系统性能测试和可靠性测试； 动力电池本体特性测试、产品验证和安全性测试，BMS软件和硬件开发测试； 整车电子控制系统应用层策略开发验证、底层软件集成测试、控制器快速原型实现； 控制系统故障检测和硬件在回路仿真测试； 电动汽车整车关键零部件的装配、调试 动力总成系统标定、性能试验和可靠性试验；
© Ricardo plc 2007
Full Range Of E-drive System And Component Testing
电机生产车间布局和工艺路线
安装转子 组件 安装前后 端盖 涂紧固胶 紧固螺钉 装弯头、水 咀、吊环
涂硅胶
锁轴承内盖
安装旋变
旋变调零
装旋变压盖
装旋变后罩
装出线盒 座、胶垫
装出线板、 出线板垫圈
装铜螺母 、平垫
套热缩管 、硅管
焊接航插
涂固化胶
固定航插
装胶垫盖板 屏蔽接头
装铭牌、 转向标识
打永久标识
装防护 装置
表面处理
打包入库
线段测控工艺布局和工艺路线
反电势测 试
测试安装 线序检验
电压校准
辅控电机 运转测试
旋变信号 测试
保护特性 测试
三相平衡 性能测试
转矩性能 测试
转速性能 测试
车用电驱动系统设计及开发
廖越峰 2012.06.19.
BJEV
内容提要
1. 国内外车用电驱动系统的发展和现状 2. 车用电驱动系统类型特点与发展趋势 3. 电机设计中的关键点 4. 电机控制器软硬件设计及实现 5. 电机生产制造工艺 6. 电驱动系统测试技术 7. 电驱动系统研究重点、难点及未来发展方向 8. 北汽新能源的电驱动系统研发和产品
3
BJEV
现代电驱动技术的开山鼻祖
Prof。 Tom Lipo Prof。 Tom Jahns
© Ricardo plc 2007
电驱动系统的系统结构
＋ － Id c 故障检测电路
整车 电源
电流传感 器
逆变器
电流传感 器
电机
门驱动电路
I a
I b
位置传感器
整车通 讯 模拟量检测电路
MCU 数字量检测电路
Saturation control V0 / + feedforward tables Idq*
Torque Regulator
2/ x Vdc
Flux Regulator
Mi_ref / Mi Space Vector Modulation
Tcmd
Torque Regulator and Limits
系统效率 测试
堵转测试
整车通迅 测试
贴合格标 签
入库
电机生产过程质量工艺路线
量检具校 准检验
定子耐压 检测
转子来料 检验
前后端盖 来料检验
紧固力矩 检测
旋变温控 电阻检测
旋变温控 耐压检测
对拖、 性能测试
漆膜厚度 检测
外观检验
贴合格标 签
当今混合动力汽车的整体水平
混合动力汽车优缺点
优点： 两种动力源（发动机和电机），能够克服电动汽车的续驶里程受限于 蓄电池容量的不足，而且可以利用发动机给蓄电池充电，提供电动机 驱动能源，通过加油实现无限制的续驶里程； 与传统燃油汽车相比，混合动力汽车的发动机效率较高，燃油经济性 大为提高。 不需要外部充电，避免了纯电动汽车定期且费时的充电过程； 在混合动力汽车中，蓄电池只是起能量中转、缓冲的作用，因此对电 池的比能量要求不高，从而可以大幅度降低电池组的重量和成本。
34
分析：
方案 燃油车 （kg） 电动车 （kg）
ACP
Valeo
Magna 1460
Nissa
大洋
国标推 荐
整车
整备质量 峰值功率（kW） 额定功率（kW） 峰值扭矩（Nm） 额定扭矩（Nm） 基速（rpm） 最高转速（rpm） 型式 速比 主减速比 电压（V） 容量（Ah/kWh）
-300
-100-0.02 -0.04 -0.06 -0.08 id iq (A)
100
300
+ -
id i q ISG PMSM model
U
qtorqref _ FW
i
m ax
PI
+ -
2 2 ud ref u q ref
BJEV
IPM traction motor control system
混合动力电机开发
70 60 50
Torque Nm
40 30 20 10 0 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 RPM
12000
10000
8000
Power W
6000
4000
2000
0 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 RPM
逆变器开发
结构设计
驱动设计
性能分析
评价和测定
电机控制单元开发
控制方法开发
Measured flux linkgae for Ld Lq test
Flux Weakening Control Module
i
derr _ FW
M th
PI
+ -
Lds(id) Lqs(iq)
Lds Lqs (mH)
© Ricardo plc 2007
国际新能源汽车形势
从国家战略上来看美国、德国、日本三个国家的动向： 2010年美国首次将新能源汽车上升为国家战略，2015年推广一百万 辆新能源汽车。同时在政策支持提供了很多资金补贴等政策支持。在 技术方向上美国以纯电动，混合动力，燃料电池为主，市场化方面， 09年美国混合动力汽车销售29万辆，占比2.8%，通用克莱斯勒均处 于示范阶段。 以欧洲为代表的德国，09年国家颁布了国家电动汽车发展计划，投资 五亿欧元，到2020年拥有一百万辆电动汽车。在技术方向上以插电式 混合动力，纯电动为主，新能源汽车处于示范运营阶段，预计需要三 到五年才能实现大规模市场化。 日本方面09年国家公布新一代汽车战略2010到2020新能源汽车销量 占比20%—30%，普通充电站200万座，技术方向以插电式混合动力 ，纯电动，燃料电池为主。另外2010年日本新能源汽车销售占比达到 9.3%，丰田普锐斯全球累计268万辆，国内建成160座充电站。
缺点： 发动机仍参加驱动，仍然存在排放和污染； 仍然需要加油， 不能摆脱对石油的依赖。
22
ECVT的特点与优缺点
• ECVT系统是具有两个机械端口和两个电气端口的机电能量转换装置，无 需离合器和额外的起动电动机，可以在发动机最佳转速范围内进行传动 比匹配，在各种工况下保持最佳的传动比，能兼顾汽车的经济性和动力 性。 • ECVT的运行模式： 常规模式：如果ECVT系统电气端口挂空闲置，这时它就相当于一套具有 宽传动比的变速装置，可以取代常规的包括离合器的齿轮变速箱； 起动模式：当ECVT系统的电气端口与蓄电池单元连接时就可以作为起动 电动机使用，特别适合于频繁起停和怠速，有效降低废气和排放； 发电模式：ECVT系统及其配套的逆变装置，实现发电功能，避免传统利 用皮带与发动机连接，存在机械磨损，同事由于皮带驱动能力与主极栅 板的限制，实际发电功率不可能作得太大； 制动模式：ECVT系统除采用与常规车辆相同的制动模式外，还可以通过 在电气端口连接一个电阻器用于能耗制动，取代传统的制动装置。 ECVT系统通过配套的蓄电单元和功率器件，可以实现多种模式的运行。它 既可以取代传统的起动/发电机，又省去了减速齿轮和离合器。还可以 通过合适的控制策略，在不同工况下实现平滑过渡和极佳的经济性。
电动汽车电机的开发难点
电机及其控制系统的研究仍存在以下尚需改进之处和不足：
• • • • • •
电机及其控制系统的可靠性、耐久性、电磁兼容性、环境适应性较低； 可靠性及寿命的评估标准和测试能力起步较晚； 产品的设计和制造工艺有待进一步完善； 发动机、电机、传感器、变速箱的机电一体化设计水平仍不够； 关键元件如IGBT、IPM等功率模块等仍需要依靠进口； 电机系统的成本与市场产业化需求相比，差距仍然明显，尚未形成完整的、满足汽车工业标准的供应 链体系。
行星齿轮速比大，扭矩变动范围宽； 行星齿轮系轴向尺寸小，适合混合动力汽车的布置；
国内外电驱动系统介绍
B、丰田凯美瑞的行星齿轮传动系统
国内外电驱动系统介绍
C、本田思域的扭矩传动系统
利用原车的变速器，将电机和发动机耦合的力矩传递到驱动车轮 长安杰勋混合动力
国内外电驱动系统介绍
D、纯电动汽车的电驱动桥
第14页
电驱动实验室总体架构
汽车新能源技术 开发实验室
电机及驱动开发 实验室
电子控制开发 实验室
电池系统开发 实验室
试制车间
动力总成开发 实验室
HIL测试及控制器软硬件测试
硬件试制
性能测试标定&耐久台架
英飞凌
TI
电池安全测试
电机台架系统
HIL测试
电池测试
动力总成
第15页
二.实验室组成
1.电驱动实验室 ISG 电机台架系统（50KW） BSG电机台架 EV电机台架（100KW）
第16页
来自百度文库
BJEV
Dynamometer Lab
Three double-ended electric dynamometers, two single ended high speed electric dynamometers Fully automated and programmable control systems – 400V/800A DC power supplies – New high speed LabView based control system Capable for full E-drive System and Hybrid component development, durability and validation testing Equipped for powered thermal testing
+
Current Regulator
Vdq
Transfor -mation
Power Inverter
-
Torque Limit Idq
Transformation
Torque Estimate
Motor Paramter Estimate
IPM Motor
© Ricardo plc 2007
31
国内外电驱动系统介绍
E、带扭矩传动系统的轮毂电机
法国TM4公司的轮毂电机
VDO公司的电动轮
国内外电驱动系统介绍 F、比亚迪F3DM
33
电驱动动力系统的匹配
新能源汽车的动力性能主要取决于动力系统的参数匹配: 驱动电机的功率必须满足最高车速的功率Pa要求，必须满足加速和爬 坡的功率Pe,Pc.要求 Pmax=MAX(Pa,Pe,Pc); 驱动电机转矩、转速：最大转矩的选择需求满足汽车的起动转矩和最 大爬坡度的要求，同时结合传动系最大传动比imax，和最大爬坡度的 αmax来确定； 传动系参数的选择：电动汽车以最高车速行驶时，用最小传动比档位 工作，在最大爬坡度时，用最大传动比档位工作。由于驱动电机起动转 矩很大 ，并且易于实现无级变速 ，因此只要满足电动汽车最高车速和 最大爬坡度的要求即可；
基于行星齿轮的ECVT系统
• 典型代表丰田的Prius、福特公司的PG-ECVT、通用混合动力PG-ECVT
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PG-ECVT
丰田PG-ECVT 通用PG-ECVT
福特PG-ECVT
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国内外电驱动系统介绍
A、丰田普锐斯的行星齿轮传动系统
国内外电驱动系统介绍
行星齿轮减速机构优点： 传动效率高（单级达到96%-99%）； 传动比范围广，传动功率可以从12W到50000kW，体积重量比普通齿轮和 涡轮蜗杆小得多； 行星齿轮的类型：渐开线行星齿轮、行星摆线针轮减速器、少齿差渐开 线行星齿轮减速器。 行星齿轮减速机构缺点： 结构复杂； 制造精度要求高； 丰田普锐斯的行星齿轮传动系统优点
0.08 0.06 0.04 0.02 0
Torque Command Speed Command MTPA lookup table
PI
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d _ FW
idMTPA
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i q ref
+ -
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i dref
M
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uqref
+-
Vector control & Decoupling
SVPWM &Inverter
电动汽车的开发难点
• 专用汽车电子基础薄弱
在HEV的 成本构成 中，汽车 电子的比 例高达 47%，而 在传统汽 车中这一 数字仅为 15%
电驱动系统测试技术
汽车新能源技术开发实验室主要用于电动汽车和混合动力各系统及零部件开发和设 计的测试、标定、验证工作。实验室能够实现对驱动电机、动力电池、电子控制单元、 动力总成、底盘等系统的实验模拟测试工作，包括从软件到硬件、从单个零部件到动 力系统的整套试验功能。 实验室组建完善后，可以完成： 电驱动系统性能测试和可靠性测试； 动力电池本体特性测试、产品验证和安全性测试，BMS软件和硬件开发测试； 整车电子控制系统应用层策略开发验证、底层软件集成测试、控制器快速原型实现； 控制系统故障检测和硬件在回路仿真测试； 电动汽车整车关键零部件的装配、调试 动力总成系统标定、性能试验和可靠性试验；
© Ricardo plc 2007
Full Range Of E-drive System And Component Testing
电机生产车间布局和工艺路线
安装转子 组件 安装前后 端盖 涂紧固胶 紧固螺钉 装弯头、水 咀、吊环
涂硅胶
锁轴承内盖
安装旋变
旋变调零
装旋变压盖
装旋变后罩
装出线盒 座、胶垫
装出线板、 出线板垫圈
装铜螺母 、平垫
套热缩管 、硅管
焊接航插
涂固化胶
固定航插
装胶垫盖板 屏蔽接头
装铭牌、 转向标识
打永久标识
装防护 装置
表面处理
打包入库
线段测控工艺布局和工艺路线
反电势测 试
测试安装 线序检验
电压校准
辅控电机 运转测试
旋变信号 测试
保护特性 测试
三相平衡 性能测试
转矩性能 测试
转速性能 测试
车用电驱动系统设计及开发
廖越峰 2012.06.19.
BJEV
内容提要
1. 国内外车用电驱动系统的发展和现状 2. 车用电驱动系统类型特点与发展趋势 3. 电机设计中的关键点 4. 电机控制器软硬件设计及实现 5. 电机生产制造工艺 6. 电驱动系统测试技术 7. 电驱动系统研究重点、难点及未来发展方向 8. 北汽新能源的电驱动系统研发和产品
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BJEV
现代电驱动技术的开山鼻祖
Prof。 Tom Lipo Prof。 Tom Jahns
© Ricardo plc 2007
电驱动系统的系统结构
＋ － Id c 故障检测电路
整车 电源
电流传感 器
逆变器
电流传感 器
电机
门驱动电路
I a
I b
位置传感器
整车通 讯 模拟量检测电路
MCU 数字量检测电路
Saturation control V0 / + feedforward tables Idq*
Torque Regulator
2/ x Vdc
Flux Regulator
Mi_ref / Mi Space Vector Modulation
Tcmd
Torque Regulator and Limits
系统效率 测试
堵转测试
整车通迅 测试
贴合格标 签
入库
电机生产过程质量工艺路线
量检具校 准检验
定子耐压 检测
转子来料 检验
前后端盖 来料检验
紧固力矩 检测
旋变温控 电阻检测
旋变温控 耐压检测
对拖、 性能测试
漆膜厚度 检测
外观检验
贴合格标 签
当今混合动力汽车的整体水平
混合动力汽车优缺点
优点： 两种动力源（发动机和电机），能够克服电动汽车的续驶里程受限于 蓄电池容量的不足，而且可以利用发动机给蓄电池充电，提供电动机 驱动能源，通过加油实现无限制的续驶里程； 与传统燃油汽车相比，混合动力汽车的发动机效率较高，燃油经济性 大为提高。 不需要外部充电，避免了纯电动汽车定期且费时的充电过程； 在混合动力汽车中，蓄电池只是起能量中转、缓冲的作用，因此对电 池的比能量要求不高，从而可以大幅度降低电池组的重量和成本。
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分析：
方案 燃油车 （kg） 电动车 （kg）
ACP
Valeo
Magna 1460
Nissa
大洋
国标推 荐
整车
整备质量 峰值功率（kW） 额定功率（kW） 峰值扭矩（Nm） 额定扭矩（Nm） 基速（rpm） 最高转速（rpm） 型式 速比 主减速比 电压（V） 容量（Ah/kWh）
-300
-100-0.02 -0.04 -0.06 -0.08 id iq (A)
100
300
+ -
id i q ISG PMSM model
U
qtorqref _ FW
i
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PI
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2 2 ud ref u q ref
BJEV
IPM traction motor control system
混合动力电机开发
70 60 50
Torque Nm
40 30 20 10 0 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 RPM
12000
10000
8000
Power W
6000
4000
2000
0 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 RPM
逆变器开发
结构设计
驱动设计
性能分析
评价和测定
电机控制单元开发
控制方法开发
Measured flux linkgae for Ld Lq test
Flux Weakening Control Module
i
derr _ FW
M th
PI
+ -
Lds(id) Lqs(iq)
Lds Lqs (mH)
© Ricardo plc 2007
国际新能源汽车形势
从国家战略上来看美国、德国、日本三个国家的动向： 2010年美国首次将新能源汽车上升为国家战略，2015年推广一百万 辆新能源汽车。同时在政策支持提供了很多资金补贴等政策支持。在 技术方向上美国以纯电动，混合动力，燃料电池为主，市场化方面， 09年美国混合动力汽车销售29万辆，占比2.8%，通用克莱斯勒均处 于示范阶段。 以欧洲为代表的德国，09年国家颁布了国家电动汽车发展计划，投资 五亿欧元，到2020年拥有一百万辆电动汽车。在技术方向上以插电式 混合动力，纯电动为主，新能源汽车处于示范运营阶段，预计需要三 到五年才能实现大规模市场化。 日本方面09年国家公布新一代汽车战略2010到2020新能源汽车销量 占比20%—30%，普通充电站200万座，技术方向以插电式混合动力 ，纯电动，燃料电池为主。另外2010年日本新能源汽车销售占比达到 9.3%，丰田普锐斯全球累计268万辆，国内建成160座充电站。
缺点： 发动机仍参加驱动，仍然存在排放和污染； 仍然需要加油， 不能摆脱对石油的依赖。
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ECVT的特点与优缺点
• ECVT系统是具有两个机械端口和两个电气端口的机电能量转换装置，无 需离合器和额外的起动电动机，可以在发动机最佳转速范围内进行传动 比匹配，在各种工况下保持最佳的传动比，能兼顾汽车的经济性和动力 性。 • ECVT的运行模式： 常规模式：如果ECVT系统电气端口挂空闲置，这时它就相当于一套具有 宽传动比的变速装置，可以取代常规的包括离合器的齿轮变速箱； 起动模式：当ECVT系统的电气端口与蓄电池单元连接时就可以作为起动 电动机使用，特别适合于频繁起停和怠速，有效降低废气和排放； 发电模式：ECVT系统及其配套的逆变装置，实现发电功能，避免传统利 用皮带与发动机连接，存在机械磨损，同事由于皮带驱动能力与主极栅 板的限制，实际发电功率不可能作得太大； 制动模式：ECVT系统除采用与常规车辆相同的制动模式外，还可以通过 在电气端口连接一个电阻器用于能耗制动，取代传统的制动装置。 ECVT系统通过配套的蓄电单元和功率器件，可以实现多种模式的运行。它 既可以取代传统的起动/发电机，又省去了减速齿轮和离合器。还可以 通过合适的控制策略，在不同工况下实现平滑过渡和极佳的经济性。
电动汽车电机的开发难点
电机及其控制系统的研究仍存在以下尚需改进之处和不足：
• • • • • •
电机及其控制系统的可靠性、耐久性、电磁兼容性、环境适应性较低； 可靠性及寿命的评估标准和测试能力起步较晚； 产品的设计和制造工艺有待进一步完善； 发动机、电机、传感器、变速箱的机电一体化设计水平仍不够； 关键元件如IGBT、IPM等功率模块等仍需要依靠进口； 电机系统的成本与市场产业化需求相比，差距仍然明显，尚未形成完整的、满足汽车工业标准的供应 链体系。
行星齿轮速比大，扭矩变动范围宽； 行星齿轮系轴向尺寸小，适合混合动力汽车的布置；
国内外电驱动系统介绍
B、丰田凯美瑞的行星齿轮传动系统
国内外电驱动系统介绍
C、本田思域的扭矩传动系统
利用原车的变速器，将电机和发动机耦合的力矩传递到驱动车轮 长安杰勋混合动力
国内外电驱动系统介绍
D、纯电动汽车的电驱动桥
第14页
电驱动实验室总体架构
汽车新能源技术 开发实验室
电机及驱动开发 实验室
电子控制开发 实验室
电池系统开发 实验室
试制车间
动力总成开发 实验室
HIL测试及控制器软硬件测试
硬件试制
性能测试标定&耐久台架
英飞凌
TI
电池安全测试
电机台架系统
HIL测试
电池测试
动力总成
第15页
二.实验室组成
1.电驱动实验室 ISG 电机台架系统（50KW） BSG电机台架 EV电机台架（100KW）
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BJEV
Dynamometer Lab
Three double-ended electric dynamometers, two single ended high speed electric dynamometers Fully automated and programmable control systems – 400V/800A DC power supplies – New high speed LabView based control system Capable for full E-drive System and Hybrid component development, durability and validation testing Equipped for powered thermal testing
+
Current Regulator
Vdq
Transfor -mation
Power Inverter
-
Torque Limit Idq
Transformation
Torque Estimate
Motor Paramter Estimate
IPM Motor
© Ricardo plc 2007
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国内外电驱动系统介绍
E、带扭矩传动系统的轮毂电机
法国TM4公司的轮毂电机
VDO公司的电动轮
国内外电驱动系统介绍 F、比亚迪F3DM
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电驱动动力系统的匹配
新能源汽车的动力性能主要取决于动力系统的参数匹配: 驱动电机的功率必须满足最高车速的功率Pa要求，必须满足加速和爬 坡的功率Pe,Pc.要求 Pmax=MAX(Pa,Pe,Pc); 驱动电机转矩、转速：最大转矩的选择需求满足汽车的起动转矩和最 大爬坡度的要求，同时结合传动系最大传动比imax，和最大爬坡度的 αmax来确定； 传动系参数的选择：电动汽车以最高车速行驶时，用最小传动比档位 工作，在最大爬坡度时，用最大传动比档位工作。由于驱动电机起动转 矩很大 ，并且易于实现无级变速 ，因此只要满足电动汽车最高车速和 最大爬坡度的要求即可；