线控底盘驱动系统关键技术

1 永磁同步电机

永磁同步电机高效化技术：从额定指标来讲，无论是电机和电控效率已经非常高了，最高效率点能达到94%- 97%。但额定高效只能反应部分性能，在峰值功率和高速工况下，电机的效率仍然有很高提升空间，需通过不 同的技术手段来提高驱动电机的效率。

• 从电机高效率运行、调速范围、功率密度、 控制性能及成本等特点综合考虑，永磁电机产品拥有更强的竞争力，是目前新能源 汽车电机主流方案。

• 异步电机的优点是成本低、工艺简单，且能忍受大幅度工作温度变化， 但缺点是异步电机的重量和体积偏大，续航里程较短，主要用于空间 要求较低、且速度性能要求不高的 电动客车、物流车、商用车等车型中；

• 开关磁阻电机作为一种新型电机， 结构最为简单，同时适用于恶劣环境，但其控制系统设计最为复杂， 且在实际运转过程中，电机本身发出较大噪音以及震动，在负载运行下尤为明显；

• 永磁电动机具有较高的功率及质量比，体积更小，质量更轻，比其他类型电动机的输出转矩更大，电动机的极限转速和制动性能突出，且震动小，其缺点为高速运行时控制复杂，高温时存在永磁体退磁问题。

1.1 永磁同步电机高效化技术—采用高效硅钢材料

• 为改善NVH性能，电动汽车驱动电机一般选择极数多、转速高的设计；由于转速越高导致铁耗越高，普通硅钢 片在高频区损耗控制相对较弱，可以通过降低硅钢片厚度来降低损耗。

不同频率下的磁滞回线

•铁耗中的磁滞损耗大约和频率的平方成正比，在高频时，磁滞回路曲线更胖，构成的磁滞环路面 积更大;

• 面积越大损耗的能量就越大。

硅钢片厚度与损耗关系图

降低损耗的有效办法是降低硅钢片的厚度，从左图可以明显看出，厚度越小，损耗越少 。

硅钢片厚度与效率的关系

• 30kw的电机，在800HZ激励下，0.2mm的硅钢片实际铁损较0.35mm的铁损降低20%，单铁芯成本增加 22%。如果采用非晶材料铁耗降幅达到40%，但铁芯的成本增加了8倍。从性价比而言选择0.2mm的硅钢片更加合适。

1.2 永磁同步电机高效化技术—发卡电机

• 采用高效硅钢片能够降低铁损，但还需针对电机低速大转矩时的铜耗作出优化，方法之一为采用发卡电机；

• 发卡电机学名Hairpin电机，是扁线电机一种，其绕组端部和发卡相似。发卡电机铜耗较小、效率较高，目前丰田和电装等都有采用发卡电机方案。

发卡电机概述

• 发卡电机就是定子绕组形状像发卡

• 定子制造过程中，先把绕组做成像发卡一样的形状再穿进定子槽内，再在另外一端按设计把发卡的端部焊接起来

32.5kw@8000rpm普通电机改造发卡电机

槽满率高 （最关键）

• 发卡电机由于线圈排列整齐、线条平整，槽满率远高于散嵌绕组， 其净铜槽满率可达70%，超过普通绕组25%

• 更多用铜量、单位叠长下、电阻变小带来更小的电阻损耗

散热性好

• 绕组表面积大、散热面积大；绕组匝与匝之间接触面积大，热传导更好；绕组每匝之间空隙小、热传导更好

• 通过温度场仿真，相同设计的扁铜线电机绕组温升比圆铜线电机低 10%

绕组端部短

• 降低电机端部空间用铜量，其绕组端部用铜量能较传统散嵌绕组降低 15%-20%，因此能够降低铜耗。特别是在电机呈现扁平形状时，优势更加明显

2 轮毂电机技术

2.1简要介绍

• 轮毂电机驱动系统可以灵活地布置于各类电动车辆的车轮中，直接驱动轮毂旋转。与内燃机、单电机等传统集 中驱动方式相比,其在动力配置、传动结构、操控性能、能源利用等方面的技术优势和特点极为明显。

轮毂电机驱动示意图

轮毂电机技术工作原理

• 通过将驱动电机设计安装在车轮内部，实现动力、传动、制动系统的 高度集成，输出转矩直接传输到车轮；

• 全部或部分舍弃传统离合器、减速器、传动桥等机械传动部件，使得 汽车结构大为简化。

轮毂电机整车布局

技术优势

• 高效节能：结构简单，省略大量传动部件，省却传动损失进而实现整车续航里程提高；

• 集成化、轻量化：零部件一体化可减轻30%自身重量；

• 操纵灵活：转向方便，可实现动力按需分配。

存在的难题

• 簧下质量问题：轮胎接触力波动大；

• 电机过热问题：影响性能和安全性；

• 磁钢退磁问题：振动和过热环境导致电机磁钢退磁情况；

• 成本问题：高度集成产品方案目前使配套成本较高。

2.2 轮毂电机的类型

• 轮毂电机主要分为外转子和内转子电机两种，差异性主要体现在有无减速结构。内转子轮毂电机和轮边电机在 传动结构上趋同，主要区别在于内转子电机与轮毂集成，而轮边电机则放置于轮边。

外转子电机（直接驱动）

• 转速低、转矩大，通常都不需要减速机构，采用直驱方案

• 车轮转速与电机转速一致

• 电机转速低，1,000~1,500r/min

• 优点：取消机械减速机构，效率更高

• 缺点：在起步、顶风或爬坡等需要承载大扭矩的情况时需要大电流，很容易损坏电池和永磁体

内转子电机（减速驱动）

• 转矩小、转速高，需配备减速器方可驱动车轮

• 轮边减速驱动一般采用高速内转子电机,配备固定传动比的减速器，能获得较高的功率密度

• 电机转速高，且最高可达到10,000 r/min

• 优点：内转子电机体积小、质量轻，通过减速增矩后输出转矩大，爬坡性能好

• 缺点：难以实现润滑，噪声大。由于内转子电机需集成减速器，考虑空间布局，较少用于乘用车

2.3 轮毂电机的优势

• 总体而言，轮毂电机应用具备高度集成化、灵活性驱动、符合智能化汽车发展和平台通用化应用优势。

高度集成化

• 利用轮毂内部空间，提升整车布置设计自由度

• 高集成度，实现低地板和一体化电动底盘，车桥设计应用方案

• 集成模块化便于整车通用平台设计

• 降低整车项目开发、部件和产线成本及实现轻量化

智能汽车最佳动力系统集成技术

• 轮毂电机可以在特殊情况下几乎可以实 现原地转向

• 具备智能驾驶的灵活性和多样性，是未来汽车电子化智能化发展最佳驱动方案

灵活性驱动

• 采用轮毂电机驱动，动力传动硬件连接改为软连接形式

• 各电动轮驱动力可以直接动力可控，其动力学控制更为方便和灵活

• 实现各电动轮的电气制动、机电复合制动，各电动轮之间也容易实现灵活的协调配合

平台通用化应用

• 轮毂电机可以匹配纯电动、混合动力和燃料电池电动车等新能源车型

• 整套驱动系统拥有高安全性冗余

2.4 轮毂电机的技术难点

• 大规模商业化应用存在的难题：结合目前的发展来看，可靠性与一致性调校、簧载质量控制、散热、整车匹配 改造技术及成本高等是轮毂电机发大规模商业化发展面临的难题。

轮毂电机存在的难点

1.面临可靠性和一致性问题：高度集成与电机转速、扭矩独立控制，车辆需 长期在复杂工作环境下运行，轮毂电机贴近地面，对可靠性和一致性调校 要求更加苛刻；

2.簧载质量减少的挑战：集成化造成了簧载质量的减少、非簧载质量的增加， 导致隔离震动性能下降，影响车辆行驶下的平稳性与安全性，对簧下质量 轻量化提出更高要；

3.散热冷却问题有待考验：当车辆行驶在大负荷低速爬长坡工况下，刹车过 程产生大量热量，如果处理不当会造成电机烧毁；

4.整车匹配改造技术不成熟：安装轮毂电机对传统汽车底盘结构变化要求高， 甚至需重新设计底盘系统模块；

5.成本较高：轮毂电机小批量生产成本大概是传统驱动的150%；若达到生 产规模化，轮毂电机成本大约是传统驱动的120%。

当前存在的一些解决办法

国内外降低非簧载质量方法

• 通过轮毂中的减振系统减弱，如将悬置元件转换为吸振器质量

• 原材料轻量化及结构一体化可减少非簧载质量，如新型稀土材料钕铁硼应用于轮毂电机生产工艺中

• 尽量选用直驱型轮毂电机驱动电动轮

国内外轮毂电机的散热处理方法

• 轮毂内预留一定空间，利用气体循环进行散热

• 设置一些流水通道于轮毂电机内，利用液体流动达到散热效果

• 设置散热油管道，利用液态油流动进行热量交换，同时达到一定润滑作用

3 电机控制器关键技术

3.1 简要介绍

3.2 电机控制器关键技术:SiC功率半导体