文：王高明

新能源汽車(chē)的核心技術(shù)
——驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

文：王高明

近幾年，在國(guó)家相關(guān)政策的支持下，新能源汽車(chē)產(chǎn)業(yè)得到了大力發(fā)展，新能源汽車(chē)技術(shù)也受到了業(yè)內(nèi)外人士的普遍關(guān)注。目前國(guó)內(nèi)新能源汽車(chē)大多都是基于傳統(tǒng)現(xiàn)有車(chē)型開(kāi)發(fā)出的，與傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車(chē)最明顯的區(qū)別，就是驅(qū)動(dòng)形式的不同。

目前市場(chǎng)上常見(jiàn)的新能源汽車(chē)主要有4類(lèi)：純電動(dòng)汽車(chē)、增程式純電動(dòng)汽車(chē)、混合動(dòng)力汽車(chē)和插電式混合動(dòng)力汽車(chē)。這4種類(lèi)型的新能源汽車(chē)，其驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)所采用的技術(shù)也各有特色。為了便于廣大維修技術(shù)人員對(duì)新能源汽車(chē)的驅(qū)動(dòng)技術(shù)有清晰的了解，筆者在此以北汽新能源EV200、特斯拉Model s、寶馬i3、豐田普銳斯、沃爾沃XC90混合動(dòng)力車(chē)型（簡(jiǎn)稱XC90混動(dòng)）以及比亞迪秦等車(chē)型為例，對(duì)這些車(chē)型的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)一一進(jìn)行剖析。

1.北汽新能源EV200

北汽新能源EV200是一款純電動(dòng)汽車(chē)，它的動(dòng)力核心部件是：蓄電池、電機(jī)控制器、三相同步電機(jī)，它的驅(qū)動(dòng)原理是電機(jī)控制器MCU接收到車(chē)輛控制器（VCU）傳輸過(guò)來(lái)的加速踏板和制動(dòng)踏板信號(hào)，然后控制三相同步電機(jī)進(jìn)行加速、減速運(yùn)轉(zhuǎn)，其控制原理如圖1所示。

三相同步電機(jī)的功率器件絕緣柵雙極性晶體管（IGBT）模塊的脈寬調(diào)制（PWM）波形控制原理都是類(lèi)似的。通過(guò)單片機(jī)控制IGBT驅(qū)動(dòng)模塊，再進(jìn)而控制IGBT，實(shí)現(xiàn)兩相直流和三相交流的轉(zhuǎn)換，其控制原理如圖2所示。

IGBT控制端的驅(qū)動(dòng)電壓一般為15 V左右，而單片機(jī)GPIO管腳的電壓一般為3.3 V。所以要對(duì)IGBT控制時(shí)，必須外加IGBT隔離驅(qū)動(dòng)模塊（M57962L），如圖3所示。

2.特斯拉Model s

特斯拉Model s和北汽EV200都是純電動(dòng)汽車(chē)，其動(dòng)力核心部件是：蓄電池、電機(jī)控制器和三相異步電機(jī)。由此可以看出，特斯拉與北汽新能源的EV200在動(dòng)力元件組成上有一個(gè)很大區(qū)別，那就是三相電機(jī)的不同。一個(gè)采用同步電機(jī)，一個(gè)采用異步電機(jī)。同步電機(jī)有轉(zhuǎn)速容易控制、能量利用高的優(yōu)點(diǎn)，而異步電機(jī)有功率大、轉(zhuǎn)矩大和耐高溫的優(yōu)點(diǎn)。

雖然異步電機(jī)有天生的“轉(zhuǎn)速差”，但轉(zhuǎn)速差同樣是可控的，只要控制到合理范圍，并不影響大局。而且，這在一定程度上跟IGBT的PWM控制程序有很大關(guān)系。也就是說(shuō)，即使EV200也用特斯拉的三相異步電機(jī)，但是由于控制程序的不同，是無(wú)法獲得特斯拉大轉(zhuǎn)矩、穩(wěn)定性好和轉(zhuǎn)速可控性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)的。

另外，特斯拉所采用的三相交流異步電機(jī)，每相采用的推挽電路由28個(gè)IGBT驅(qū)動(dòng)，共使用84個(gè)IGBT。加上其他部位的IGBT，特斯拉的三相交流異步電機(jī)共使用96個(gè)晶體管，均采用分離型IGBT管，而不是常見(jiàn)的模塊型。特斯拉使用的IGBT是IR公司（已被英飛凌收購(gòu)）的AUIRGPS4067D1型IGBT單管（圖4），采用了20世紀(jì)80年代初的TO-247封裝。

其實(shí)無(wú)論是特斯拉、還是其他類(lèi)電動(dòng)車(chē)，他們的電機(jī)控制器MCU核心技術(shù)就是對(duì)雙絕緣柵極型晶體管IGBT的控制策略，包括硬件和軟件部分。特斯拉MCU內(nèi)部的IGBT要比EV200的多很多。

3.寶馬i3

寶馬i3有2種動(dòng)力配置，一種是純電動(dòng)，一種就是增程式純電動(dòng)。增程式純電動(dòng)相比純電動(dòng)多了一個(gè)2缸的小排量汽油發(fā)動(dòng)機(jī)和增程式電機(jī)，其驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)所有的核心部件位置如圖5所示。

它的驅(qū)動(dòng)方式就是，當(dāng)高電壓蓄電池的電量消耗到一定程度后，增程式電機(jī)與發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸相連接，并充當(dāng)起動(dòng)機(jī)以起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)后，增程式電機(jī)轉(zhuǎn)變?yōu)榘l(fā)電機(jī)（這個(gè)轉(zhuǎn)變過(guò)程由增程式電機(jī)控制器REME控制）。寶馬i3驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的控制原理如圖6所示。發(fā)動(dòng)機(jī)帶動(dòng)增程式電機(jī)發(fā)電，發(fā)出的電傳輸給高電壓蓄電池。高電壓蓄電池將兩相直流電傳輸給驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制器，驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制器控制三相驅(qū)動(dòng)電機(jī)工作，從而帶動(dòng)車(chē)輪運(yùn)轉(zhuǎn)。

有人會(huì)說(shuō)，這樣設(shè)置不是多此一舉么？其實(shí)此言差矣，由于大排量發(fā)動(dòng)機(jī)污染環(huán)境，而且驅(qū)動(dòng)電機(jī)已經(jīng)完全有能力提供足夠的動(dòng)力（此時(shí)大排量的發(fā)動(dòng)機(jī)就是累贅）。在這樣的情況下，增加小排量發(fā)動(dòng)機(jī)的作用就很明顯了，既可以減少尾氣排放，又可以增加續(xù)航里程，還能夠降低設(shè)計(jì)和制造成本。

4.豐田普銳斯

豐田普銳斯屬于混合動(dòng)力車(chē)型，其動(dòng)力部分核心元件有：MG1（充當(dāng)起動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)）、MG2（驅(qū)動(dòng)電機(jī)）和發(fā)動(dòng)機(jī)；控制元件有：發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元、變頻器總成（主要用于控制MG1和MG2）以及HVECU混合動(dòng)力總控制器。其動(dòng)力部分整體結(jié)構(gòu)如圖7所示，控制系統(tǒng)組成如圖8所示。

車(chē)輛的“驅(qū)動(dòng)力”在變速耦合機(jī)構(gòu)中形成，可以是MG2單獨(dú)驅(qū)動(dòng)，也可以是發(fā)動(dòng)機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)，還可以是MG2和發(fā)動(dòng)機(jī)混合驅(qū)動(dòng)。

由于混合動(dòng)力車(chē)型相對(duì)于插電式混合動(dòng)力而言，其蓄電池較小，電壓也就在200 V左右，因此會(huì)在變頻器總成內(nèi)設(shè)有“升壓轉(zhuǎn)換器”，可把電壓升至500 V左右，然后經(jīng)變頻器變成三相交流電，如圖9所示。

豐田普銳斯的變頻器總成內(nèi)也集成了DC-DC裝置，其目的就是把HV蓄電池的高壓電轉(zhuǎn)變?yōu)檩o助蓄電池的12 V低壓電，供低壓系統(tǒng)使用（圖10）。

假設(shè)HV蓄電池由于某種原因沒(méi)電了，將會(huì)導(dǎo)致車(chē)輛無(wú)法起動(dòng)。此時(shí)可以通過(guò)診斷儀設(shè)置DC-DC從輔助蓄電池向HV蓄電池進(jìn)行反向充電，由于充電電壓較低（低電壓充電），所以一般要充很長(zhǎng)時(shí)間。

5.沃爾沃XC90混動(dòng)

沃爾沃XC90混動(dòng)車(chē)型的動(dòng)力核心部件有：MG1（充當(dāng)起動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)）、MG2（驅(qū)動(dòng)電機(jī)）和發(fā)動(dòng)機(jī)（2.0T雙渦輪增壓，型號(hào)B4304T27），驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)組成如圖11所示。

XC90混動(dòng)在驅(qū)動(dòng)方面和普銳斯最大的不同，在于MG2主要驅(qū)動(dòng)后輪主減速器。所以XC90混動(dòng)并沒(méi)有動(dòng)力耦合機(jī)構(gòu)。它雖然是四驅(qū)車(chē)型但沒(méi)有傳動(dòng)橋，電池豎立布置于底盤(pán)上。

XC90在車(chē)輛起動(dòng)按鈕的后方設(shè)置了駕駛模式選擇開(kāi)關(guān)DRIVE MODE（圖13）。如果選擇純電動(dòng)行駛，此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)閉，車(chē)輛只有后驅(qū)行駛。但電池剩余電量SOC下降到一定程度后，就會(huì)強(qiáng)制轉(zhuǎn)變?yōu)锳UTO模式運(yùn)行。在AUTO模式下，如果深踩加速踏板時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)，此時(shí)車(chē)輛以四驅(qū)模式行駛。

6.比亞迪秦

比亞迪是國(guó)內(nèi)較早研發(fā)混合動(dòng)力的整車(chē)企業(yè)，但是在研發(fā)過(guò)程中遭遇豐田汽車(chē)的專(zhuān)利門(mén)檻。豐田汽車(chē)很早就開(kāi)始發(fā)展混合動(dòng)力汽車(chē)，其研發(fā)出一套采用行星齒輪動(dòng)力分配機(jī)構(gòu)的混合動(dòng)力模式（圖14）。這套模式包括2個(gè)電機(jī)、1個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)和1套行星齒輪動(dòng)力分配機(jī)構(gòu)，其核心就是這套行星齒輪動(dòng)力分配機(jī)構(gòu)。該機(jī)構(gòu)可以巧妙地讓發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)根據(jù)實(shí)際的運(yùn)行狀況，要么形成并聯(lián)，即發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)一起驅(qū)動(dòng)車(chē)輛；或者形成串聯(lián)，即發(fā)動(dòng)機(jī)作功用于發(fā)電，1個(gè)電機(jī)充當(dāng)發(fā)電機(jī)，另外1個(gè)電機(jī)則充當(dāng)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)車(chē)輛。而這套動(dòng)力分配機(jī)構(gòu)是有專(zhuān)利的。

比亞迪秦的驅(qū)動(dòng)方式與普銳斯比較相似，其動(dòng)力核心部件有：MG1（充當(dāng)起動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)）、MG2（驅(qū)動(dòng)電機(jī)）和發(fā)動(dòng)機(jī)。與普銳斯的不同在于，比亞迪秦采用了一套耦合機(jī)構(gòu)代替行星齒輪動(dòng)力分配機(jī)構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)與電機(jī)共同驅(qū)動(dòng)，或者純電動(dòng)驅(qū)動(dòng)，這就是比亞迪對(duì)外宣稱的“雙?！?。

另外，比亞迪秦屬于插電式混合動(dòng)力汽車(chē)，它能夠外接電源充電，而普銳斯則不能外接電源充電。普銳斯在變頻器總成內(nèi)有蓄電池升壓裝置，而秦的變頻器總成內(nèi)沒(méi)有升壓裝置，原因是比亞迪秦的電池遠(yuǎn)比普銳斯的電池大，輸出電壓高達(dá)700 V，根本無(wú)需升壓裝置進(jìn)行升壓。