电动汽车电驱系统发展现状及趋势研究

赵娜

摘 要：汽车发展100多年来，改变了人们的出行方式，带来极大的便利。但是燃油汽车排放引起严重的环境问题，节能减排成为全球共识。在此背景下，电动汽车蓬勃发展，但目前仍处于在电动汽车发展的初级阶段，面临着各自问题。其中制衡电动汽车发展的就是电驱系统技术，它成本高导致电动汽车无法大面积普及。本文针对电动汽车电驱系统的发展现状及趋势进行研究，明确国内外技术差距，为电驱系统发展提供参考建议。

关键词：电动车;电驱;电机;电控

一、引言

汽车为人民的生活带来了便利，但是其排放污染物也破坏了我们赖以生存的大气环境。随着环保意识的增强，世界各地都出台了排放限制法规，减少汽车排放污染物，保护地球大气环境。[1]

为了应对日益严格的排放法规，全球汽车厂商制定了新能源汽车计划表。其中电动化是新能源汽车发展的重要趋势。目前以特斯拉为首的新兴电动汽车势力正在高速发展，以大众为首的传统燃油汽车厂商正以壮士断腕的决心实现转变。

虽然电动车蓬勃发展，但受技术限制，电动汽车的价格居高不下，且技术稳定程度相较燃油车还有一定差距，所以电动汽车的销售仍然只占燃油汽车极小比例。其中影响价格及稳定性最关键的就是电动汽车的三电部品技术：电池、电机和电控。其中电机和电控合并简称为电驱系统，本文针对电驱系统的技术现状及趋势进行研究，为电动汽车发展尽绵薄之力。

二、发展现状

电驱系统直接影响汽车动力传递，其技术水平直接影响着电动汽车的整车性能，是衡量电动汽车质量的重要指标之一。就电动汽车动力总成系统而言，现有的电动汽车驱动方式主要有集中式驱动和分布式驱动两种。

电动汽车集中式驱动系统采用高功率密度的驱动电机取代传统汽车的燃油发动机，同时保留大部分传统汽车原有的整套机械传动、制动系统。

电动汽车分布式电驱系统将多个驱动电机直接安装在车轮侧，并将驱动、传动、制动装置都整合在一起，省去了离合器、变速器、差速器等机械传动总成，能显著减小车辆簧载质量、缩短机械传递链和提高传动效率，同时大大简化电动汽车底盘结构。

电动汽车集中式驱动系统是现阶段电动汽车的主流驱动模式，也是本文研究的主要研究对象。

（一）电驱系统整体介绍

电驱系统是电动汽车的动力传递装置，它主要由3 IN 1、MCU、电机和减速器组成。动力传递过程为：直流电从电池包传输至3 IN 1中进行电压转换，流入MCU变成满足电机需要的交流电，然后通过电机将电能转变为机械能，电机输出扭矩，经过变速箱放大，最后通过差速器将动力分配到不同轮胎上。

（二）充电3合1

充电3IN1是电池包充放电接口，包含DCDC、OBC和PDU。DCDC指将高压电变压为低压电，给蓄电池等电器件供电。OBC指可将220AC转换为高压直流电，根据BMS要求进行恒流恒压输出。PDU为高压配电盒，将电池电源分配给DCDC、OBC等各高压电器件。其结构示意图如下，主要由安装基体、继电器、DCDC、散热器及OBC等组成。

（三）MCU

MCU是电机控制单元，通过接收VCU的车辆行驶控制指令，将直流电转为交流电，且为电机需要的交流电形态，通过电流矢量分解和波形达成扭矩控制，控制电动机输出指定的扭矩和转速，驱动车辆行驶。

MCU电机控制单元功能：①怠速控制（爬行）;②电机正转（前进）;③电机反转（倒车）;④能量回收（交流转直流）;⑤驻坡（防止溜车）。其内部组成如下图所示，主要包含薄膜电容、IGBT、三相铜排及一系列相关的传感器。

（四）电机

电机是将电能转化为机械能的关键装置，其基本原理是导体在磁场中通电，导体会转动。目前电动汽车常用的电机包含交流感应电机和永磁同步电机[2]，其对比如图所示，相对来说，永磁同步电机在电动汽车中应用更广泛。

图6为永磁同步电机爆炸图，其主要由安装基体、转子总成、定子总成及密封装置组成，转子总成主要包括永磁体、硅铜片和定子铁芯，定子总成主要包括铸铝和铜线绕组。

（五）减速器

减速器是将电机输出的扭矩进行放大，满足车辆驱动的需要。但电动汽车的变速器比燃油汽车的要简单了很多，如下图所示，它由两级齿轮完成单档的变速，由差速器完成两个车轮的转速，扭矩分配。

三、发展趋势

（一）电驱系统高度集成化

在电动汽车发展初期，电机、减速器、逆变器及电机控制器等分布在整车各个地方，驱动电机需要三根又长又重的UVW高压线连接到逆变器，容易产生电磁干扰，生产成本十分昂贵，且占用大量空间。随着技术的发展，高度集成的3IN1电驱产品不断发展。

集成的电驱系统可实现轻量化、增大车内空间，同时布局灵活，有利于车企平台化的设计，可以为不同车型搭载同一套系统。

图8 电驱系统集成化演变

电驱系统集成化是必然趋势，三合一是目前的主流方向，未來可能会实现多合一方案。目前华为已经在研究多合一集成化电驱系统，通过将电机、MCU、PDU、OBC、DCDC、减速器、BCU等七大部件高度集成，一方面实现了机械部件和功率部件的高度融合，另一方面可将智能化带入到电驱系统中，实现端云协同与控制归一。我国目前研究进展基本与国外同步，但是在高速减速器及其轴承、齿轮等配套关键零部件上仍存在差距，电机与减速器的深度集成需要进一步强化。

（二）电机技术发展

电机是电动汽车电驱系统的关键核心部件，其性能的优劣，是衡量电动汽车是否具备优良动力性能的关键因素之一。目前的技术发展方向包括提高材料利用率、提升电机与整车工况效率匹配以及提升电机品质和降低成本。

提高材料利用率，一方面要优化电机结构设计，实现电机轻量化与集成化，另一方面要开发新材料及新工艺，减少稀缺材料的使用量。提升电机与整车工况效率匹配，近几年发展出自适应控制[3]、变结构控制[4]、模糊控制和神经网络控制[5]等技术，实现电机与整车工况效率匹配。

提升电机品质和降低成本，通过永磁高效化、新材料及制造工艺运用等方式实现。具体技术方向包含：①使用低损耗硅钢、高性能磁钢、成型绕组、汇流排、磁钢定位封装等先进工艺;②关键材料及部件国产化，提升自主工艺开发及生产线建设能力;③加大关键零部件技术研发，如轴承、转子及扇线绕组;④开发低成本高性能、耐高温稳定性高稀土永磁材料，同时设计上减少稀土等贵重材料的使用量。

总体上说，我国电机技术在功率密度、转速、效率等关键技术指标与国外相当，在扁导线制造工艺方面有一定积累，未来需要加大耐电晕耐高温绝缘材料、高强度耐高温高热导绝缘材料、低重稀土永磁材料、高导磁低损材料及骨架、直接油冷电机材料等的替代应用及兼容性问题研究。

四、总结

电动汽车的发展对我国来说是一种挑战也机遇，一方面是实现汽车产业弯道超车的重要机会，另一面也是考验着我国技术研发及产业基础建设水平。我国电动汽车发展与外国仍有差距，我们仍需要做好以下方面的研究：

（1）加快传统关键零部件的研发，如轴承、转子等;

（2）利用数字化技术实现电驱系统的集成化、高效化及智能化;

（3）研发电机新材料及新工艺，降低产品价格及提升产品品质。

本文对电驱系统的发展现状及趋势做了粗略的研究及概况，明确出我国与国外技术水平的差距，并提出建议，希望为电动汽车电驱系统的发展提供绵薄之力。

参考文献：

[1] 中國公路学报编辑部. 中国汽车工程学术研究综述2017[J].中国公路学报，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]王鹏博，卢秀和.基于模糊PI 及矢量变换控制方法的电动车驱动系统工况适应性研究[J]. 电测与仪表，2019，56 （ 08） ：57-63.