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對于電動汽車來說,雙電機相對于單電機加主減速器或變速箱的方案在提高驅動效率方面的優(yōu)勢:
第一,單電機在低速、高速輕載等情況下,效率降低比較嚴重。
電動機的高效區(qū)間雖然比內燃機大得多,但是汽車的轉速和轉矩要求太寬了:強大的加速性能和爬坡能力需要大的扭矩,而速度從零到上百km/h則對轉速范圍有非常高的要求。
雖然大部分中高速工況下電動機的效率都能很高,但是在低速重載、高速輕載等情況下,電動機的效率會比高效率的區(qū)間下降20-30%。
雙電機則可以通過不同的搭配,讓系統(tǒng)的高效區(qū)擴大,提升效率。
第二,雙電機可以提高制動能量回收的效率。
在雙電機耦合驅動系統(tǒng)中,有四個可能的操作模式:單電機驅動模式、雙電機驅動模式、單電機再生制動模式、雙電機再生制動模式。
驅動效率和回收效率其實是一回事,當電動機工作在電動模式的時候就是驅動效率,工作在發(fā)電模式的時候就是回收效率,兩臺電機擁有更多的高回收效率空間,可以提高制動能量回收的效率。
第三,雙電機無動力中斷。
單個電機要想達到更高的效率可以通過搭配多檔位變速箱實現(xiàn),但是如果搭配變速箱,就會有換檔動力中斷的問題,而使用雙電機協(xié)調控制則不會出現(xiàn)動力中斷。
第四,單個電機如果要滿足高性能(高扭矩)和高轉速范圍,設計制造難度大,總重量也大。
通過把單個電機分解為兩個電機,可以讓電機的制造難度降低,總重量也可以降低。
實際上,一臺100kW的電機性能不需要由一臺60kW的電機和另一臺40kW的電機加起來提供,一般情況下,一臺40kW左右和一臺30kW左右的電機組成的雙電機系統(tǒng)就可以提供甚至超過一臺100kW電機的性能,同時總重量一般可以降低30%甚至更多。
目前新能源汽車采用的電機一般只有兩種:永磁同步電機和異步感應電機。它們在整個電機體系中的位置如下:
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兩種電機,前后各一個,就得到了4種排列組合。下文所列車型僅為部分,僅供參考。現(xiàn)在下面來進行闡述下:
01#
雙感應電機
1
奔馳EQC
電動機方面,奔馳EQC采用了前后雙感應異步電機的組合,兩個異步電動機分別位于前軸和后軸,為了降低能耗,車輛還配有智能動力傳動系統(tǒng),前電動機經(jīng)過了優(yōu)化,在中低速負載的情況下可以實現(xiàn)最佳效率,而后電動機就負責提供更強的動力,來讓車輛保持更好的性能。整個電動系統(tǒng)的最大功率為300kw,峰值扭矩可達到765N.m,0-100km/h加速時間為5.1秒,最高車速可達180km/h,百公里能耗25kW·h左右。
EQC的前后雙感應異步電機的設計,從數(shù)據(jù)來看,轉矩更大,在起步階段能提供更強的加速度,擁有更高的極限轉速,在高速工況下能提供更強的動力輸出。這套系統(tǒng)的優(yōu)缺點很明顯,將驅動電機、單機減速器和電機控制系統(tǒng)進行“3合1”集成,可以減少散熱管路和高壓線束的使用,成本更低,在電機布置上有更大的自由度;但是能耗大、體積大是致命弱點,由于使用的是感應電機,在城市低速的工況里,會比永磁電機效率更低。
2
奧迪e-tron
奧迪R8 etron中央雙電機構型的結構特點與集中式電機驅動構型相似,兩個驅動電機和兩個減速器對置布置于車架上,通過較長的半軸與車輪相連,獨立驅動兩側車輪。
其簧下質量小,制造技術成熟,應用安裝方便,但是傳動系統(tǒng)仍需萬向節(jié)和傳動半軸,且占用一定的底盤空間,造成車內設計空間有限,一般多用于高性能汽車或卡車上。下圖為Audi R8 etron后驅雙電機。
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左右車輪獨立驅動的巨大優(yōu)勢在于,輪間的轉速差、動力分配可以任意調節(jié),通過扭矩的合理分配,便能夠對車輛的轉向進行輔助,這比傳統(tǒng)車輛上的輪間扭矩分配調整范圍要大得多,只要控制程序夠完善,那么這輛車的運動特性將遠遠勝過傳統(tǒng)動力的后驅車。
3
蔚來ES8創(chuàng)始版
ES8搭載XPT"三合一"雙電機驅動系統(tǒng),配備前后感應+永磁雙電機。XPT 100-300kW 感應電驅動系統(tǒng)平臺,兼顧經(jīng)濟性與性能表現(xiàn)。支持與不同類型、不同功率的電驅動系統(tǒng)進行組合,尤其適合配置為四驅車型的前輔驅。感應電驅動平臺首款產品擁有240kW高功率高性能異步感應電機擁有、420N·m大扭矩,傳動效率超過97%,在高速運轉的情況下,仍能實現(xiàn)穩(wěn)定而強勁的動力輸出。XPT 240-300kW 感應電驅動系統(tǒng)平臺,兼顧經(jīng)濟性與性能表現(xiàn)。支持與不同類型、不同功率的電驅動系統(tǒng)進行組合,尤其適合配置為四驅車型的前輔驅。極低的拖拽損耗表現(xiàn),有助于提升整車續(xù)航里程。
首款量產品XPT 240kW感應電驅動系統(tǒng)擁有240kW高功率、420N·m大扭矩、15000rpm高轉速,高速大扭矩齒輪箱傳動效率超過97%,所搭載的銅轉子感應電機在高速運轉的情況下,仍能實現(xiàn)穩(wěn)定而強勁的動力輸出,其PEU電機控制器擁有獨特的雙三相拓撲架構設計,搭載核心IGBT功能模塊,輸出最強功率。
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XPT100-200kW永磁電驅動系統(tǒng)平臺,搭載完全自主開發(fā)的永磁同步電機,輕量化的一體機身設計,大幅縮小PEU體積的同時提升扭矩,提供更優(yōu)化的整車裝載方案。永磁電驅動平臺首款產品擁有160KW大功率高效率永磁同步電機擁有,305N·m大扭矩,高度模塊化設計,電能轉化效率達96.7%,擁有業(yè)內領先的功率密度,緊湊、高效、強勁的動力組合,同樣帶來卓越的轉化效率和動力輸出,現(xiàn)搭載于蔚來ES8系列,ES6性能版和EC6系列車型。
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搭載完全自主開發(fā)的永磁同步電機,電機采用扁線繞組工藝,EDS最高效率達94%。輕量化的一體機身設計,大幅縮小PEU體積的同時提升扭矩,提供更優(yōu)化的整車裝載方案。首款量產產品160kW電驅動系統(tǒng)擁有160kW高功率、305N·m大扭矩、15000r/m高轉速。使用i-Pin扁導線技術的永磁同步電機,電能轉化效率達96.7%,緊湊型模塊化的設計結構支持同結構下電機輸出功率的靈活變化,為底盤的動力布局釋放更多空間,支持正反向裝配,支持與不同功率、不同類型的電驅動系統(tǒng)組合,支持前后驅及四驅動力配置。
02#
雙永磁電機
1
比亞迪漢
2020年7月,比亞迪漢EV四驅版和兩(前)驅版上市?;凇癳+平臺”的漢EV四驅版的前置“3合1”驅動總成最高轉速15500轉/分、最大輸出功率163千瓦;后置“3合1”驅動總成最高轉速15500轉/分、最大輸出功率200千瓦且由SIC電控抑制驅動電機功率過載與過熱;搭載的刀片電池系統(tǒng)裝載電量76.9度電、最大充電功率整100千瓦;整車車自重1.9噸,NEDC續(xù)航里程550公里。
無論漢EV兩驅版,還是四驅版,在前置動力艙內布設的分系統(tǒng)和前置“3合1”電驅動總成完全一致。只是漢EV四驅版多出了1組后置“3合1”電驅動總成,并且采用模塊化設定。首次引入低導電率冷卻液為刀片電池提供“冷量”與“熱量”交換,再次提升“電”方面的主動安全性。
理論上,模塊化的后置“3合1”電驅動總成拆卸或安裝,既可成為兩(前)驅或四驅車型。而漢EV兩(前)驅版與四驅版的多連桿懸架和后轉向節(jié)完全通用。
在鋁材質后轉向節(jié)上固定了1組電子駐車電機、后傳動軸,兩組拉桿錨點處于同一個中心線。漢EV四驅版與漢EV兩(前)驅版的后懸架完全一致,甚至采用這種結構的秦ProEV、宋ProEV,也都具備模塊化加裝后驅動模塊的能力。
在表象上,漢EV兩(前)驅版和四驅版的最大不同,是多了一組后置電驅動總成。這組代表了比亞迪新能源車用電驅動技術最高水準的TZ200xSE型“3合1”電驅動總成,不僅轉速提升至15500轉/分,最大輸出功率拉高至200千瓦、電控系統(tǒng)首次引入SIC技術。
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漢EV四驅版搭載的后置“3合1”電驅動總成,是比亞迪自行制造的技術含量最高的乘用車用電機。為了應對更高轉速帶來的過熱引發(fā)的“退磁”問題,比亞迪為這套200千瓦級“3合1”電驅動總成的控制模塊引入了SIC電控,為的是降低全負載工況的發(fā)熱量與內阻,借此換來的是更好的可靠性。
基于比亞迪擁有自行設計和量產IGBT和SIC電控的能力,比亞迪為性能典范的漢EV兩(前)驅版前置“3合1”電驅動總成適配IGBT4.0電控;漢EV四驅版后置“3合1”定驅動總成的輸出功率提升至200千瓦、轉速保持15500轉/分同時,采用SIC電控用于驅動電機控制系統(tǒng),可以持續(xù)全功率大倍率放電時,擁有更高的擊穿電壓強度、更低的電熱損耗鋁和更高的熱導率。
2
小鵬P7的四驅版
小鵬P7的四驅高性能版,在前軸和后軸各布置了一個永磁同步電機。具體到動力參數(shù),前電機最大功率196kW,最大扭矩390Nm;后電機最大功率120kW,最大扭矩265Nm。綜合來看,能夠爆發(fā)出316kW的最大功率和655Nm的最大扭矩?;旧峡梢苑€(wěn)壓3.0T性能車的動力水平。
將電機、電控、減速器高度集成,組成高性能三合一電驅系統(tǒng)。相比傳統(tǒng)分散型電驅布局,三合一電驅系統(tǒng)效率更高、結構更緊湊、重量更輕、車內布置更規(guī)整、可靠性更強。
整套電驅系統(tǒng)體積僅18.6L,功率密度達到行業(yè)領先的2kW/kg;通過系統(tǒng)優(yōu)化匹配,電機系統(tǒng)最高效率>95%,NEDC綜合工況效率大于85.5%。作為電驅系統(tǒng)的核心,小鵬P7搭載目前國內性能強勁的后驅永磁同步電機,最大功率196kW、峰值扭矩390Nm。配合最大功率120kW、峰值扭矩265Nm的前電機,四驅高性能車型綜合功率316kW、扭矩660Nm,0-100km/h加速時間僅需4.3s,越級對標百萬級性能跑車。
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依托前后雙電機布局,小鵬P7四驅高性能車型具備可全域無級動力分配的四輪驅動能力。兩臺電機分別對前后輪獨立控制,不同工況下均能夠提供充足的扭矩和功率,實現(xiàn)各種路況下的全天候牽引力控制。
相比傳統(tǒng)機械四驅系統(tǒng),小鵬P7的雙電機四驅可針對前后輪扭矩分別進行智能控制,扭矩比例在0-100%全域范圍內無極分配,且動力調節(jié)速度更快,帶來更強的車輛穩(wěn)定性及操控性能。不同駕駛場景下,P7雙電機四驅系統(tǒng)設置了不同扭矩分配策略,充分平衡整車的動力性、經(jīng)濟性和操控性能,使各項性能趨于最優(yōu)。
3
保時捷Taycan
Taycan前后采用永磁同步電機,后電機動力更強提供449馬力,406 lb-ft(550Nm,但turbor S能提供到450lb-ft - 610Nm),永磁同步電機相對于感應電機(tesla 采用感應電機)他的優(yōu)勢是高效(中低速更明顯),體積小,更好的散熱性能但價格相對高。
Taycan 電機采用hairpin女性扎辮子方式,這個方式對于傳統(tǒng)方式更加高了性能和效率,但在高速的時候容易導致交流的流失而且產生性能問題所以在早期設計特別注意。但hairpin 的方式不是保時捷獨有,很早之前通用和本田在他們的Volt和PRIUS上已經(jīng)使用。
03#
永磁同步+感應異步雙電機
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特斯拉Model 3性能版&Model Y
特斯拉 Model 3 前軸仍采用交流異步電機,后軸則采用永磁同步電機。對比交流異步電機,永磁同步電機的外形尺寸更緊湊,運作效率高且續(xù)航更長,更容易控制。
在 Model Y中,特斯拉繼續(xù)亦采用永磁同步電機方案。采用感應+永磁驅動電機搭配方案能夠較好利用感應電機高效區(qū)在高速、永磁電機高效區(qū)在低速的特點,進行兩者工作區(qū)域效率的互補。
特斯拉擁有5種型號的驅動電機,包括3臺圓線電機和2臺扁線電機。相比圓線電機,扁線電機槽滿率提升近30%可使電機體積減小,寬截面使其繞組溫升降低17.5%,能讓電機輸出功率更高,有效降低材料成本和功率密度。
當Model Y搭載扁線電機后,電機體積和功率密度皆有所優(yōu)化。在特斯拉的示范效應下,比亞迪、大眾、蔚來、理想等車企皆開始采用扁線電機。
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全新蔚來ES8
23款ES8依舊采用雙電機四驅,作為旗艦款也是標配了,新車配備前后雙電機四驅,采用前 180kW 永磁 + 后 300kW 感應電機,系統(tǒng)綜合功率 480kW,峰值扭矩 850N?m,實現(xiàn)零百加速 4.1s。前后電機除了功率升級,性能更強之外,體積更小了,效率也有一定的提高。
3
大眾ID系列
電機方面,大眾ID.4CROZZ采用前電機異步感應+后電機永磁同步電機的配置,這方面沒太多可說的。
行業(yè)發(fā)展已經(jīng)證明,目前技術下感應+永磁的組合就是最優(yōu)配置。
值得一提的是,一汽-大眾ID.4CROZZ的電機均由大眾自主開發(fā)和生產。
2024款ID.6 CROZZ提供了多種選擇,滿足不同消費者的需求。后驅版搭載永磁同步電機,峰值功率可達150kW,峰值扭矩為310N·m。續(xù)航方面,根據(jù)CLTC綜合工況,續(xù)航里程可達601km。而PRIME款為雙電機四驅版本,搭載前交流異步電機和后永磁同步電機,輸出扭矩為162/310N·m,峰值輸出功率為80/150kW,續(xù)航里程為560km。
04#
哪種方案好?
首先,由于感應異步電機大部分情況下效率低于永磁同步電機,因此雙感應電機的系統(tǒng)效率再高也高不哪去,帶來的結果就是續(xù)航里程較低。在中國市場上,雙感應異步電機的電動車銷售情況一般,算是一個側面印證。
特斯拉早斯車型Model S/X采用的雙感應電機方案,后來到了Model 3/Y上就將其中一個換成了永磁同步電機,新改款的Model S/X也將放棄雙感應電機方案 —— 若雙感應電機很好,特斯拉有必要換嗎?
相應的情況也發(fā)生在蔚來身上,且對比更加強烈:全新ES8將老ES8的其中一個感應異步電機換成永磁同步電機之外,續(xù)航直接提升了60公里,可以說是立竿見影。
類似的,比亞迪的電動車也逐漸從漢的雙永磁電機,進化到前異步后永磁的優(yōu)化配置方案。
如果非要用雙永磁同步電機,也有一種優(yōu)化方案就是給前驅加個離合器,這樣在不使用前電機的時候斷開,避免機械摩擦損耗和鐵耗。例如韓國現(xiàn)代E-GMP平臺的電動車就是這么設計的。
總結
其實采用雙電機方案的還有很多,例如:上汽Marvel X雙電機動力耦合方案、 巨一雙電機多擋動力總成、hofer后驅雙電機構型、上汽齒雙電機、 AVL雙電機電驅產品、廣汽雙電機產品、 Daimler Benz、采埃孚雙電機輪邊驅動客車橋、奔馳雙電機輪邊驅動卡車橋、越博動力雙電機集成4擋箱電驅橋、綠控雙電機集成2擋箱電驅橋、凱博易控雙電機驅動系統(tǒng)、AxleTech雙電機驅動橋等。
當然,并不是雙電機什么都好,雖然雙電機效率方面有大的提升,性能方面也有保證,但是雙電機相對于單電機結構更加復雜,需要更加復雜的動力耦合裝置和更加復雜的控制算法。