汽车智能底盘原理及技术 课件 第1、2章 汽车底盘的电动化与智能化、智能驱动系统

智能电动底盘的原理与控制第1讲

汽车底盘的电动化与智能化1主要内容汽车底盘技术的变革关键技术发展现状行业行动发展趋势和展望22研究背景电动化革命智能化革命内燃机汽车电动汽车智能电动汽车电动底盘智能电动底盘机械底盘3汽车底盘的发展为自动驾驶系统、座舱系统、动力系统提供承载平台，具备认知、预判和控制车轮与地面间相互作用、管理自身运行状态的能力，具体实现车辆智能行驶任务的系统。由电动化动力装置、传动系、行驶系、转向系和制动系组成，支承、安装汽车各部件，形成汽车的整体造型，保证车辆正常行驶的系统。由传动系、行驶系、转向系和制动系四部分组成，支承、安装汽车发动机及其各部件、总成，形成汽车的整体造型，承受发动机动力，保证车辆正常行驶的系统。智能电动底盘电动底盘机械底盘车轮与地面间的相互作用是汽车不同于其它运载工具、不同于其它智能体的最本质的属性。4机电复合制动系统：电机回馈制动+摩擦制动电动化引发底盘制动系统的变革制动时，旋转的车轮拖动电机发电，将车辆的动能回收至动力电池，用于驱动车辆运行，同时对驱动轮产生回馈制动力矩。5Tesla宁德时代动力电池与底盘、车身的集成设计（CTC、CTB）比亚迪动力电池由单一的“储能件”变成了“储能件+结构件”电动化引发底盘设计的变革6比亚迪+BoschdTCS(distributedTCS)牵引力控制系统移至电机控制器，电机控制器直接控制轮胎滑转，提升了转矩响应速度。电机动力学作用的强化,促进了动力域与底盘域的融合清华大学电机参与ABS制动力矩回馈制动摩擦制动进入ABS动态力矩分量稳态力矩分量理想制动力矩时间提升了路面附着系数利用率电动化引发底盘控制的变革7智能化对底盘提出新挑战弗迪动力BSC制动冗余：BSC+RC伯特利WCBS制动冗余：WCBS+EHC+EPB蜂巢智能转向L3级全冗余自动驾驶转向系统设计——高精度线控控制——功能安全离线容错切换控制设计在线容错切换控制器部署8智能化赋能底盘性能提升和功能扩展差动制动实现转向冗余制动、转向和悬架系统之间协同控制改善底盘动力学控制性能支撑专业驾驶体验差动制动转向故障9电动化和智能化改变了传统底盘的技术形态电动化和智能化为底盘技术创新提供了突破口机械底盘电动底盘智能电动底盘摩擦制动结构设计底盘各执行系统分立控制电机回馈制动+摩擦制动电池与底盘集成设计电机介入底盘纵向和横向运动控制制动、转向线控化电机回馈制动+线控制动从功能安全出发的设计底盘各执行系统互为冗余底盘各执行系统协同控制底盘设计底盘控制零部件10研究背景智能电动底盘是决定智能电动汽车运动安全、驾乘体验、运行能效等的基石转向底盘控制制动智能电动底盘承载平台提供动力保障安全运动安全高效节能驾驶舒适悬架电驱动系统11智能电动底盘的基本属性安全主被动一体化安全功能安全预期功能安全信息安全体验车控协同提升驾乘体验自迭代的个性化驾乘体验数据驱动专业驾乘体验低碳低能耗行驶执行部件能耗域控计算平台能耗传感部件能耗12研究背景攻克底盘技术是国家战略需求2023年6月2日国务院总理李强主持召开国务院常务会议，指出要加强底盘架构攻关。纯电动汽车零碳燃料混合动力汽车燃料电池汽车动力电池与燃料电池智能底盘智能驾驶新能源汽车战略规划电动化和智能化为底盘技术的赶超发展创造了难得的历史机遇13主要内容汽车底盘技术的变革关键技术发展现状行业行动发展趋势和展望1414关键技术底盘架构电动化动力总成线控制动线控转向状态估计运动安全控制底盘功能安全失效运行控制软件架构开发和测试技术15关键技术：底盘物理架构底盘架构电动化动力总成线控制动线控转向状态估计运动安全控制底盘功能安全失效运行控制软件架构开发测试技术16底盘物理架构现状电池模组模块化结构电芯托盘电池上盖模组车身地板电池“三明治”结构：CTP粘接剂托盘粘接剂电池上盖电芯车身地板整车“三明治”结构：CTC/CTB

粘接剂托盘粘接剂车身地板集成电池上盖电芯电池与底盘集成程度不断加深电池与底盘集成技术（CTC）、电池与车身集成技术（CTB）逐步推向量产CTB技术Tesla比亚迪应用车型:海豹CTC技术应用车型:ModelY底盘架构电动化动力总成线控制动线控转向状态估计运动安全控制底盘功能安全失效运行控制软件架构开发测试技术17底盘物理架构现状Rivian滑板底盘解构三电系统、底盘系统与下车体承载结构高度集成滑板底盘成为底盘创新构型底盘架构电动化动力总成线控制动线控转向状态估计运动安全控制底盘功能安全失效运行控制软件架构开发测试技术18底盘物理架构现状舍弗勒驱转一体滑板底盘主销转向传统减振器+螺旋弹簧MOBIS-eCornerSystem驱动+制动+转向+悬架高度集成驱转一体角模块概念已初露端倪底盘架构电动化动力总成线控制动线控转向状态估计运动安全控制底盘功能安全失效运行控制软件架构开发测试技术19关键技术：底盘电子电气架构“电气电子架构”是指电子硬件、网络通信、软件应用和布线融合成的集成系统，该系统管理车辆控制、车身和安全、信息娱乐、主动安全以及其他舒适、便利和连接功能等领域中越来越多的车辆功能。电子电气架构是实现智能底盘功能的基础融合发展给底盘电子电气架构带来新挑战电子电气架构数据交换底盘内各系统协同控制通讯带宽对外通讯拓展性和灵活性计算能力底盘架构电动化动力总成线控制动线控转向状态估计运动安全控制底盘功能安全失效运行控制软件架构开发测试技术20底盘电子电气架构现状底盘域控可实现软硬件解耦和软件分层控制，实现核心算法上移至域控制器或中央控制器并进行协同控制由独立分散控制架构向集中式域控架构进化分散控制悬架ECU转向ECU制动ECU驱动ECU集中式域控悬架ECU转向ECU制动ECU驱动ECU底盘架构电动化动力总成线控制动线控转向状态估计运动安全控制底盘功能安全失效运行控制软件架构开发测试技术21关键技术：电动化动力总成底盘架构电动化动力总成线控制动线控转向状态估计运动安全控制底盘功能安全失效运行控制软件架构开发测试技术电机/电控/减速器八合一电驱动集中式多合一驱动轮边/轮毂电机驱动系统独立驱动单元DC-DC电控电机&减速器驱动部件分立前/后车轮驱动电机传动装置/差速器/减速器高集成化分布式驱动是电动化动力总成的重要发展方向电驱动系统集成化水平不断提升22电动化动力总成现状我国自主品牌车企推出四电机构型产品，分布式驱动发展迎来新的需求分布式电驱动系统进一步提升四轮纵、横向附着控制能力底盘架构电动化动力总成线控制动线控转向状态估计运动安全控制底盘功能安全失效运行控制软件架构开发测试技术23制动系统类型传统制动线控制动传统液压电控液压（EHB）机械电子（EMB）输入制动踏板制动踏板制动踏板传递真空助力器+液压管路液压管路+电信号电信号执行压力调节器+制动器电动助力压力调节器+制动器EMB制动器关键技术：线控制动线控制动取消了制动踏板和制动器之间的机械连接，通过踏板传感器采集驾驶员制动意图或者接收智能驾驶控制器的制动请求，进而由制动控制单元处理电子信号并控制执行机构输出制动力。底盘架构电动化动力总成线控制动线控转向状态估计运动安全控制底盘功能安全失效运行控制软件架构开发测试技术24线控制动现状国内EMB发展速度远超预期，产品开发进度与国外基本同步EHB是当前线控制动主流方案布雷博菲格智能格陆博华为博世-IPB大陆-MKC1evo伯特利-WCBS弗迪动力-BSCEMB是线控制动最优方案底盘架构电动化动力总成线控制动线控转向状态估计运动安全控制底盘功能安全失效运行控制软件架构开发测试技术25关键技术：线控转向线控转向系统把依靠转向管柱连接转向机构来实现转向的传统方式，改变为由电控系统直接进行转向控制，完全由电信号实现转向的信息传递和控制。其最显著的特征是去掉了传统转向系统中从转向盘到与转向轮（转向执行器）间的机械连接，采用机电执行器代替了传统的机械控制机构。底盘架构电动化动力总成线控制动线控转向状态估计运动安全控制底盘功能安全失效运行控制软件架构开发测试技术26舍弗勒ZF耐世特TeslaCybertruck雷克萨斯RZ丰田bZ4X世宝蜂巢转向德科智控线控转向现状国内线控转向已有较好基础，具备装车应用条件线控转向系统发展迅速，国外部分车型已实现量产应用底盘架构电动化动力总成线控制动线控转向状态估计运动安全控制底盘功能安全失效运行控制软件架构开发测试技术27关键技术：底盘状态估计准确实时获取底盘关键状态参数是智能汽车发展的必然要求高性能控制依赖高精度状态参数时变、非线性、动力学耦合无法通过量产传感器直接测量准确估计对车辆稳定性控制至关重要智能汽车运动控制需要向全工况发展状态参数不同控制能力不同应用场景不同底盘架构电动化动力总成线控制动线控转向状态估计运动安全控制底盘功能安全失效运行控制软件架构开发测试技术28底盘状态估计技术现状轮胎-路面峰值附着系数估计感知信息车辆动力学响应质心侧偏角估计运动学模型车辆动力学模型视觉信息多源信息融合是底盘状态估计的最佳途径基于动力学和感知信息的轮胎-路面峰值附着系数融合估计运动学、动力学与视觉信息融合估计底盘架构电动化动力总成线控制动线控转向状态估计运动安全控制底盘功能安全失效运行控制软件架构开发测试技术29关键技术：运动安全控制运动安全控制是智能电动底盘的重要赋能技术智能化为底盘运动安全控制提供了极大的技术空间高速过弯紧急避撞湿滑路面为车辆提供传统底盘无法实现的功能和性能底盘架构电动化动力总成线控制动线控转向状态估计运动安全控制底盘功能安全失效运行控制软件架构开发测试技术30运动安全控制技术现状华为xMotion2.0车身运动系统对驱动、制动、转向、悬架进行中央协同控制，实现了全方位车身姿态控制。博世VDC2.0车辆动态控制通过制动、动力总成系统、线控转向协同控制，最大化底盘运动安全性能。比亚迪iADC智能漂移控制系统通过对车身姿态监控，计算出合适的前后轴电机扭矩分配比，辅助驾驶员灵敏进入漂移状态。底盘架构电动化动力总成线控制动线控转向状态估计运动安全控制底盘功能安全失效运行控制软件架构开发测试技术31关键技术：底盘功能安全功能安全技术通过确保系统在预期操作条件下，即便遇到硬件故障、软件错误或其他不可预见风险时，仍能执行必要的安全功能，从而保障人身安全、避免重大财产损失，成为智能电动底盘不可或缺的一部分。功能安全是智能电动底盘的基础支撑技术底盘智能化后，制动、转向都已线控化，须防止系统故障导致的不可接受风险底盘架构电动化动力总成线控制动线控转向状态估计运动安全控制底盘功能安全失效运行控制软件架构开发测试技术32底盘功能安全技术现状线控转向冗余架构控制模式33底盘架构电动化动力总成线控制动线控转向状态估计运动安全控制底盘功能安全失效运行控制软件架构开发测试技术底盘功能安全技术现状ZF线控转向-部分冗余方案34底盘架构电动化动力总成线控制动线控转向状态估计运动安全控制底盘功能安全失效运行控制软件架构开发测试技术底盘功能安全技术现状ZF线控转向-完全冗余方案35底盘架构电动化动力总成线控制动线控转向状态估计运动安全控制底盘功能安全失效运行控制软件架构开发测试技术底盘功能安全技术现状博世IPB+RBU线控制动冗余方案36底盘架构电动化动力总成线控制动线控转向状态估计运动安全控制底盘功能安全失效运行控制软件架构开发测试技术关键技术：失效运行控制线控底盘取消机械连接对安全策略提出了更高要求机械底盘机械硬连接与驾驶员操作耦合不支持自动驾驶故障后驾驶员自动备份助力转向助力制动被动悬架燃油发动机智能底盘电气软连接与驾驶员操作解耦线控转向线控制动线控悬架电驱/制动自动驾驶的执行基础故障后依赖安全策略底盘架构电动化动力总成线控制动线控转向状态估计运动安全控制底盘功能安全失效运行控制软件架构开发测试技术37失效运行控制技术现状前EHB后EMB左后右后IPB右前左前MMM电动转向失效差扭转向转向故障驱制动差动转向容错切换控制异构冗余机构容错切换控制制动故障EHB/EMB容错切换控制底盘架构电动化动力总成线控制动线控转向状态估计运动安全控制底盘功能安全失效运行控制软件架构开发测试技术38关键技术：软件架构面向服务的SOA架构适合座舱域，亟需设计符合底盘特性的软件架构SOA架构资源开销大，实时性低分层架构资源开销小实时性高SOA架构分层架构数据组件服务API应用服务总线关车门调灯光调座椅看视频车门服务视频灯光座椅服务灯光控制座椅控制视频控制车门控制车辆数据环境数据行为数据感知数据底盘架构电动化动力总成线控制动线控转向状态估计运动安全控制底盘功能安全失效运行控制软件架构开发测试技术39底盘软件架构技术现状具备跨域/跨系统协同控制能力，支撑纵横垂融合控制具备失效运行控制能力具备极限动力学控制能力底盘架构电动化动力总成线控制动线控转向状态估计运动安全控制底盘功能安全失效运行控制软件架构开发测试技术40关键技术：开发和测试技术1）智能电动底盘及其所属总成开发验证流程。2）涵盖车辆动力学、机/电/液执行系统、底盘各传感器、E/E架构、底盘域控制器及总成控制单元的智能底盘模型、测试场景及测试用例。3）支撑开发和测试的通用系统，包括工具链（测试支持软件、测试管理软件、评价分析软件、报告生成软件等）、测试数据库、仿真器硬件等。4）一系列标准规范（包括测试方法、开发方法、模型接口、测试场景/工况、评价标准等）。经纬恒润基础软件解决方案系统安全设计V形流程底盘架构电动化动力总成线控制动线控转向状态估计运动安全控制底盘功能安全失效运行控制软件架构开发测试技术41底盘测试技术现状场景驱动下的虚实结合仿真测试技术基于模型的XiL多层级在环测试流程基于模型的XiL多层级在环的虚实结合仿真测试技术是当前研究热点实车场地测试无法精准、稳定复现极限边界场景底盘架构电动化动力总成线控制动线控转向状态估计运动安全控制底盘功能安全失效运行控制软件架构开发测试技术42主要内容汽车底盘技术的变革关键技术发展现状行业行动发展趋势和展望43432022年：《电动汽车智能底盘技术路线图》线控制动与底盘智能控制工作组50多家企业100多名专家23万字44第一部分智能底盘总体技术路线图第一章汽车底盘的技术现状及发展趋势第二章智能底盘的技术范围及基本属性第三章智能底盘总体路线图第二部分乘用车智能底盘技术路线图第四章乘用车智能底盘第五章乘用车智能底盘构型的组成要素第六章乘用车智能底盘控制第七章乘用车智能底盘的冗余第三部分商用车智能底盘技术路线图第八章商用车智能底盘第九章商用车智能底盘构型的组成要素第十章商用车智能底盘控制第十一章商用车智能底盘的冗余第四部分线控制动与线控转向技术路线图第十二章线控制动系统第十三章线控转向系统第五部分开发测试平台与标准规范技术路线图第十四章智能底盘的开发测试平台第十五章智能底盘标准规范2022年：《电动汽车智能底盘技术路线图》452025电动汽车智能底盘技术平台与产品平台定义发布启动平台定义技术平台组定义面向2025年的智能底盘技术体系、细化描述牵引性技术、确定牵引性指标总体组总体目标、重点行动、总体协调咨询组工信部相关领导、学会领导、电动汽车联盟技术专家组乘用车产品平台组极限运动小组&城市运行小组&高端公务小组&智能越野小组产品平台细化描述及对应的牵引性技术商用车产品平台组重卡小组&轻卡小组&客车小组&矿用等特种车小组产品平台细化描述及对应的牵引性技术线控制动系统组线控液压制动、线控气压制动、EMB等牵引性技术和产品描述线控转向系统组乘用车线控转向系统、商用车线控转向系统等牵引性技术和产品描述开发与测试平台组2025年智能底盘牵引性测试场景、开发工具链等的细化描述标准规范组智能底盘关键术语、牵引性指标等的标准化描述，并推进标准体系建设工作2023年：“电动汽车智能底盘平台定义”462023年：“电动汽车智能底盘平台定义”乘用车底盘产品平台商用车底盘产品平台面向2025智能底盘技术平台定义二、智能底盘总体架构设计技术三、智能底盘切换控制技术四、智能底盘健康状态管理技术五、智能底盘开发测试技术一、智能底盘关键零部件技术1.轮边电机与EMB集成的双电制动系统2.线控转向与差动转向集成的多模转向系统3.可变行程和可变特性的自适应主动悬架4.智能底盘软硬件架构设计5.新构型底盘的集成设计6.多模式时序协同的底盘切换控制7.自驾-座舱-底盘多域融合控制8.底盘关键部件寿命预测与性能演化9.底盘异常状态的感知与管理10.执行机构在环的驾驶模拟器测试定义面向智能驾驶的智能底盘十大牵引性技术472024年：启动智能底盘技术与指标体系重构工作48重构智能电动底盘技术体系底盘设计底盘控制开发测试关键零部件面向2030年的智能电动底盘技术体系复合线控制动多模式转向多域深度集成的智能底盘设计跨域协同的智能底盘全过程控制面向综合安全开发的智能底盘测试装备49复合线控制动-确定增量技术、增量指标，给出具体定义、定量或定性描述电驱动复合制动一体化、全线控、分布式；深度改变传统防滑、防抱死、稳定性控制的具体实施。1.

轮边电机+EMB制动；2.轮毂电机+EMB制动；3.电机+单轮独立线控液压；4.其它机电复合的分布式制动等。最大回馈制动能力、复合制动一致性、电机介入纵向动力学控制程度、冗余与功能安全等体系重构工作：关键零部件方面50体系重构工作：关键零部件方面多模式转向-确定增量技术、增量指标，给出具体定义、定量或定性描述转向逐渐实现异构冗余、全线控、纵横向深度协同；重新定义极限工况下可操纵性、高速工况下的稳定性、低速工况下灵活性。1.

前轴线控转向；2.后轴转向；3.差动转向；4.

单轮独立转向等。差动介入横向动力学控制程度、异构转向能力极限、冗余与功能安全等51体系重构工作：底盘设计方面多域深度集成的智能底盘设计-确定增量技术、增量指标，给出具体定义、定量或定性描述集成度更高、结构更安全、软件定义；驾乘更安全、更舒适，能效更优越。1.电机电池与底盘的集成；2.面向功能安全的机械电子电气融合设计等。底盘电池动力系统集成程度、底盘轻量化水平与碰撞安全性、功能安全、信息安全等52体系重构工作：底盘控制方面跨域协同的智能底盘全过程控制-确定增量技术、增量指标，给出具体定义、定量或定性描述协同/融合程度更高、可控工况更复杂、控制模式自适应；重新定义底盘纵横垂控制方式、重新定义底盘控制的交互边界。1.动力与底盘一体化控制；2.自驾与底盘一体化控制；3.正常-故障-失效运行切换控制等。纵横垂协调控制水平、首次故障后纵横向协同可控性、跨系统冗余切换时间等53体系重构工作：开发测试方面面向综合安全开发的智能底盘测试装备-确定增量技术、增量指标，给出具体定义、定量或定性描述负载高动态、场景高拟真、系统多联动；从测试评价转变为支撑综合安全算法的实时研发，降低实车标定工作量，且提供更为丰富的智能底盘安全场景。1.面向功能安全的测试技术与装备；2.面向极限安全的测试技术与装备；3.底盘执行机构在环的驾驶模拟设备等。底盘执行机构负载模拟水平、故障注入覆盖度、底盘极端工况拟真度、面向综合安全测试的场景覆盖度等54重构智能电动底盘指标体系电动汽车智能底盘指标体系增量的牵引性指标底盘电池动力系统集成程度底盘轻量化水平与碰撞安全性纵横垂协调控制水平……故障注入覆盖度底盘极端工况拟真度底盘执行机构负载模拟水平面向综合安全测试的场景覆盖度……底盘设计与控制底盘开发测试首次故障后纵横向协同可控性复合制动一致性电机介入纵向动力学控制程度首次故障后制动可控性冗余制动安全性……多模式转向复合线控制动异构转向能力极限首次故障后转向可控性主冗协同控制性能……差动介入横向动力学控制程度55主要内容汽车底盘技术的变革关键技术发展现状行业行动发展趋势和展望5656线控液压、半主动悬架等实现规模量产国内线控制动搭载情况国内半主动悬架搭载情况底盘部件线控化程度加深，逐渐实现全线控集中式线控液压EHB正在成为主流方案空气悬架成为主流市场热门配置之一57EMB处于量产落地前夕四轮EMB/全干式EMB正在成为量产方向EMB国内外标准法规25-26年落地技术趋于成熟，多家企业多轮冬标58驱动制动一体化正在成为智能底盘新特征分布式驱动电机与EMB互补，加快二者技术量产落地步伐轮边电机+EMB轮毂电机+EMB电机介入底盘，引发了底盘零部件系统的深度变革59驱制转悬集成的行驶单元技术成为热点面向高速运行的行驶单元有望在2030年满足量产要求集成化高压化低压电气系统进入“高压化”时代60智能底盘跨域协同程度加深底盘与动力的深度协同，促进底盘控制的飞跃发展基于电机的动力学控制纵横垂的融合控制比亚迪+BoschdTCS清华基于运动力矩解耦的底盘运动安全控制架构动力域与底盘域的跨域协同底盘内制动、转向、悬架的智能融合清华智能底盘应用层软件架构长城融合了EMB、线控转向、后轮转向、主动力悬架等61智能底盘安全功能逐步扩展构建正常、故障、容错等状态的时序协同与统一切换控制体系主动安全故障安全复合ABS-机电切换复合ESC-机电切换转向严重故障-差动转向制动严重故障-极限漂移62智能底盘安全功能逐步扩展极限运动控制、二次运动规划等是底盘控制体系的增量创新功能极限场景复杂多变，严重威胁车辆行驶安全丁字路口碰撞湿滑路面高速AEB避撞难题高速过弯极限运动控制二次运动规划63底盘与自动驾驶正在深度融合底盘智能控制成为自动驾驶的安全保障一段式端到端两段式端到端感知增强机器视觉与动力学融合的附着估计感知规划网络、轨迹控制网络感知-规划-控制的网络一体化充分激励的精确估计+视觉近似估计安全保障：智能底盘运动轨迹二次规划安全保障：智能底盘最小自驾功能64第二章智能电驱动系统智能驱动系统课前小讨论66比亚迪电驱动系统的发展经历了显著的迭代和进步。该系统从分立式发展起步，逐步演进至“3+3”模式，最终发展到目前的多合一高集成度生产平台。其中，第四代电驱动技术尤为突出，作为全球首款量产的集成八大部件的深度集成动力模块，其不仅集成了驱动电机、电机控制器、减速器、整车控制器等关键部件，还显著减少了体积和重量，提升了系统综合效率至89%。此外，基于e平台3.0开发，该电驱动系统已成功搭载于比亚迪的e3.0首款轿车及纯电动SUV上，展现了其轻量化、小型化、高效率和高智能的核心优势。这一系列的发展表明，比亚迪在电驱动技术方面持续创新，致力于提供更为先进、高效的新能源汽车动力系统。目前汽车驱动系统的主要类型有哪些？其发展趋势是什么？第二章

智能电驱动系统

67智能电驱动系统基本结构与工作原理集中式驱动系统分布式驱动系统智能电驱动系统基本结构与工作原理1.1智能电驱动系统基本结构智能电驱动系统由传感器、电子控制单元及执行器三大部分组成智能电驱动系统基本结构实时监测车辆的状态和驾驶员的操作将电能转化为机械能，实现对车辆动力的精确控制智能电驱动系统基本结构与工作原理69电路磁路机械能电能驱动电机是依据电磁感应定律和电磁力定律实现机电能量转换和信号传递的装置。1.1智能电驱动系统基本结构驱动电机智能电驱动系统基本结构与工作原理70交流异步电机永磁同步电机变压器旋转电机直流电机驱动电机1）按运动方式分类：2）按功能方式分类：电机发电机：由原动机拖动，将机械能转换成电能电动机：将电能转化为机械能，驱动电力机械变压器、变流机、变频机、移相器：分别用于改变电压、电流、频率和相位控制电机：进行信号的传递和转换，控制系统中的执行，检测或解算元件电机1.1智能电驱动系统基本结构驱动电机分类智能电驱动系统基本结构与工作原理71定子：主要包括定子绕组和定子铁心两部分。定子绕组主要分为分布式和集中式两种形式；转子：包含永磁体、转子铁心、转轴、轴承等。根据永磁体在转子上的不同安放位置，永磁同步电机通常被分为表贴式转子结构和内置式转子结构。1.1智能电驱动系统基本结构永磁同步电机永磁同步电机（PMSM）是一种先进的电动机，其核心部件包括定子、转子以及端盖等，这些部件共同协作以实现高效的能量转换和动力输出。智能电驱动系统基本结构与工作原理72基本原理：当向定子绕组通入交流电时，会在定子内部产生一个旋转磁场。由于永磁体产生的磁场与定子产生的旋转磁场之间存在相互作用，转子会受到定子磁场的吸引和排斥力，从而跟随定子磁场的旋转而转动。由于其幅值大小不变，这个旋转磁动势的轨迹便形成一个圆，称为圆形旋转磁动势。1.1智能电驱动系统基本结构永磁同步电机在电机内部，转子上安装了永磁体，而定子上则绕有绕组永磁体提供的恒定磁场使得电机在不同负载下都能保持较好的性能，并且具有较宽的调速范围通过精确控制定子电流的频率和相位，可以实现对永磁同步电机转速和转矩的精确调节智能电驱动系统基本结构与工作原理73定子：主要包括定子绕组和定子铁心两部分。铁心是电动机主磁路的关键部分，绕组主要功能是产生感应电势和电磁转矩；转子：作为电机的旋转部分，同样由铁心和绕组组成，分为鼠笼式和绕线式两种。1.1智能电驱动系统基本结构异步电机异步电机是一种常见的交流电机，其基本结构主要包括定子和转子两部分。智能电驱动系统基本结构与工作原理74基本原理：当定子磁场旋转，转子不转，转子导条与旋转磁场有相对运动，在导条中产生感应电势E，因转子导条彼此在端部短路，则感应电势在闭合回路内产生电流i。电流方向与感应电势同方向。转子受力后产生电磁转矩，方向与旋转磁场同方向。1.1智能电驱动系统基本结构异步电机n

--电机转速，单位：r/min；s--转差率。电机转速与旋转磁场的转速不相同，

即定转子转速不同步，存在转速差，

因此叫“异步电机”。通过改变转差、

极数和定子频率可以实现电机的转速的改变。在异步驱动电机系统中，

采用的是改变定子频率，即采用所谓的变频调速，通过改变电机控制器的输出频率来调节电机的转速。智能电驱动系统基本结构与工作原理75概念：电机控制器是控制动力电源与驱动电机之间能量传输的装置，是电动汽车三电核心部件之一。电机控制器的整体结构如右图所示。原理：电机控制器通过逆变电路输出三相交流电压，控制电机旋转，实现电能到机械能的转化。其主要由功率模块、高压连接器、母线电容、低压连接器、控制电路、驱动电路、电流传感器等部分构成。1-母线维修盖；2-上盖；3-高压连接器；4-控制和驱动电路；5-旋变线束；6-电流传感器；7-磁环；8-IGBT三相导电柱；9-母线电容；10-功率模块；11-水道密封圈；12-低压连接器屏蔽罩；13-三相铜排及支架；14-壳体；15-低压连接器；16-出水口密封圈电机控制器基本组成1.1智能电驱动系统基本结构电机控制器智能电驱动系统基本结构与工作原理76功率模块是电机控制器的核心部件，主要作用是将动力电池的直流电转换为交流电，用于驱动电机工作。功率模块的典型封装结构如图所示，主要包括外壳、芯片、键合线、端子、陶瓷覆铜板和基板功率模块典型封装结构1.1智能电驱动系统基本结构电机控制器——功率模块智能电驱动系统基本结构与工作原理77目前行业主流的功率模块为：Si基IGBT（绝缘栅双极型晶体管）和SiC基MOSFET（金属氧化物场效应晶体管）。Si-IGBT及SiC-MOSFET功率模块Si-IGBT功率模块SiC-MOSFET功率模块Si-IGBT芯片SiC-MOSFET芯片Si-IGBT及SiC-MOSFET芯片同规格下，SiC-MOSTET芯片和功率模块显著小于Si-IGBT芯片和功率模块，可大幅提升控制器功率密度1.1智能电驱动系统基本结构电机控制器——功率模块智能电驱动系统基本结构与工作原理与Si-IGBT相比，SiC-MOSFET具有以下优势：更高的热导率，即在高温运行时稳定性明显提升。更高的电子饱和速度，故该功率器件导通损耗更低。更高的电子迁移率，使功率器件的工作频率可以更高。更宽的禁带宽度使其具有更高的耐压能力。78SiC-MOSFET具备高频、高压、高效等多种优势，因此在电动汽车领域的应用越来越多1.1智能电驱动系统基本结构电机控制器——功率模块智能电驱动系统基本结构与工作原理高压连接器是在高压电缆与高压部件间，提供连接和分离功能的具有一组或者多组导体端子的部件。其工作电压在60Vdc以上，主要由端子、绝缘体、塑壳、屏蔽环、密封件、高压互锁机构等组成。高压连接器791.1智能电驱动系统基本结构电机控制器——高压连接器高压连接器在设计上集成了高压安全、电磁屏蔽和防护结构。高压连接器广泛应用于电池系统、电机控制器、电机、DC/DC转换器及车载充电器等设备。智能电驱动系统基本结构与工作原理母线电容位于母线正负极之间，可以稳定动力电池输出母线电压进而减小电压波动，以及降低功率器件和母线回路中电感进而抑制器件两端的尖峰电压。母线电容801.1智能电驱动系统基本结构电机控制器——母线电容智能电驱动系统基本结构与工作原理母线电容主要是薄膜电容，它是以有机薄膜为绝缘介质，在有机薄膜表面蒸镀而成的金属层作为电极，成对卷绕而成的电力电容器，具有容量稳定，自感量小等优点。适合应用于使用条件苛刻、感量低、长寿命、性能要求高的变流器中。81母线电容主要类型1.1智能电驱动系统基本结构电机控制器——母线电容智能电驱动系统基本结构与工作原理低压连接器负责连接电缆、信号线及电气元件，适用于60VDC以下电压的电流与信号传输。其主要包括外壳、插头、插座、密封圈、锁止机构以及其他附件等。低压连接器的应用：①车内照明、仪表盘、空调等基础电气系统；②制动系统、转向系统及悬架控制系统等车辆关键外部控制器。82低压连接器1.1智能电驱动系统基本结构电机控制器——低压连接器智能电驱动系统基本结构与工作原理低压连接器一旦发生松动，可能会引起动力系统故障、安全功能失效、充电系统监测异常等，严重影响车辆的安全性与可靠性。连接器设计需求：防尘防水要求:电驱安装于车辆后副车架或前舱，工作环境较为恶劣，连接器须达到IP67、IPX9K防护等级；对外通信接共需要16~20位信号针及4位电源针（12V或24V,5AMax.）；防错设计、阻燃材料。83低压连接器1.1智能电驱动系统基本结构电机控制器——低压连接器智能电驱动系统基本结构与工作原理84控制电路控制电路包括主控芯片及外围电路、CAN通讯电路、模拟采样电路、旋变解码电路、过流和过压保护电路以及PWM信号电路。1.1智能电驱动系统基本结构电机控制器——控制电路工作原理：信号接收与处理：负责接收来自VCU和其他系统的信号，并通过内置的微处理器处理这些信号。电机控制算法：控制板运用预设的控制算法来计算出电机需要的电流、电压或频率等参数。安全与保护：控制板集成多种保护机制，如过温保护、过流保护、短路保护等。智能电驱动系统基本结构与工作原理85驱动电路驱动电路主要包括电源电路、驱动电路及保护电路。1.1智能电驱动系统基本结构电机控制器——驱动电路工作原理：功率转换：负责将电池提供的直流电转换为驱动电机所需的交流电。电机控制：驱动板通过控制逆变器的开关状态来调节电机的转速和扭矩。信号处理：驱动板中的微处理器或数字信号处理器解析指令，并计算出合适的电机控制策略。反馈回路：驱动板中的传感器（如电流传感器），持续监测电机的状态，并将数据反馈给控制器。智能电驱动系统基本结构与工作原理

霍尔传感器861.1智能电驱动系统基本结构电机控制器——电流传感器智能电驱动系统基本结构与工作原理1.2电机控制原理直流交流位置传感器电流传感器电压采样电流反馈位置(角度)反馈母线电容

电机控制算法电机控制器能够将动力电池的直流电转换成幅值、频率可控的交流电，用于控制电机输出车辆需求的扭矩，其中电机控制算法发挥了核心的作用。智能电驱动系统基本结构与工作原理22自然坐标系(ABC)两相静止坐标系(αβ)两相旋转坐标系(dq)Clark变换Park变换反Clark变换反Park变换

Clark变换矩阵：Park变换矩阵：

逆Clark变换矩阵：

Clark变换：逆Clark变换：逆Park变换矩阵：

Park变换：逆Park变换：

1.2电机控制原理坐标变化前馈解耦

智能电驱动系统基本结构与工作原理23传统PID控制器的位置式表达式：

增量型表达式（由①-②得）：

永磁同步电机d、q轴电压方程：

解耦后：d、q轴存在耦合d、q轴各自独立PID的增量型算法可以消除位置型算法中的累加误差，减少存储单元，便于程序的编写。

解耦后d、q轴的被控对象不存在相互间的参数扰动，大大提高控制性能。

PID控制前馈解耦1.2电机控制原理电流闭环调节智能电驱动系统基本结构与工作原理24

三相电压合成的空间矢量：

能够最大化直流母线电压的利用率，是正弦PWM输出电压的1.154倍；减小谐波含量，从而减小转矩脉动，实现更平滑的电机控制。

SVPWM是一种脉宽调制技术，相比传统的正弦PWM可提高直流母线电压利用率，降低谐波含量，提高电机性能和效率。1.2电机控制原理空间矢量脉宽调制(SVPWM)第二章

智能电驱动系统

91智能电驱动系统基本结构与工作原理集中式驱动系统分布式驱动系统集中式驱动系统集中式驱动系统其工作原理是通过主电机与传动轴的直接连接，从而有效地驱动车辆。该系统的核心组件包括一个驱动总成、一个差速器以及双传动半轴，这些构成了其基础结构单元。根据驱动总成在车辆中的具体布局，集中式驱动系统可以采取不同的配置形式。由于电机的体积和重量相较于内燃机显著减小，可以进一步分为单电机驱动系统和多电机驱动系统

集中式驱动系统

单电机驱动系统

多电机驱动系统集中式驱动系统概念及分类类型动力架构驱动系统特点传统燃油汽车复杂的多档变速传动机构1.结构复杂，成本高2.传递路径长，效率低3.换档过程车辆平顺性差电动汽车一档变速器的动力架构1.结构简单2.传递路径短，效率高3.无档位切换全速域驾驶平顺集中式驱动系统单电机驱动系统由驱动电机、一档减速器或多档变速器及差速器构成，每个组件在系统中都扮演着不可或缺的角色，共同影响着车辆的性能、效率和驾驶体验。2.1单电机驱动系统单电机驱动系统组成类型动力架构系统外特性特点局限性单电机+一档减速器1.结构简单，驱动过程简洁明了2.驱动过程平顺性较好1.受的扭矩相对较小，无法适应大负载或高扭矩的应用场景2.速度调节范围相对有限单电机+多档变速器1.在高速行驶时，可以有效降低电机的转速2.在爬坡或加速等工况，可让电机释放出更大的转矩1.结构复杂和尺寸较大,不利于车辆的布置2.控制复杂，换档过程容易出现顿挫感或冲击感集中式驱动系统随着车辆动力性需求的不断增长，一档减速器逐渐显露出其局限性，而多档变速器具备动力性方面的优势2.1单电机驱动系统单电机+多档变速器集中式驱动系统2.2多电机驱动系统双电机+固定传动比定义：多电机耦合驱动构型是采用两个或多个电机共同驱动车辆的一种技术方案。多电机耦合驱动构型与传统的单电机驱动系统相比，多电机耦合驱动构型通过电机之间的协调控制和动力耦合，能够显著提升车辆的动力性能和扭矩输出。通过智能控制策略，该系统还能实现电机之间的灵活切换和协同工作，以适应不同工况下的动力需求。集中式驱动系统2.2多电机驱动系统

目标：应能承受两个电机输出的高扭矩和高转速，还能实现电机之间的动力耦合和传递，为此常采用先进的齿轮传动技术和精密的控制系统，此外还需具备电机空档操作功能，实现与单电机相当的经济性能。换挡机构电机换档基本控制模块齿轮设计：采用多档变速设计，通过调整齿轮传动比实现电机转速和输出扭矩的灵活调节。采用了轻量化材料和先进的润滑技术，降低传动损失和提高传动效率。控制系统设计：电机控制单元负责接收来自车辆控制器的指令，并根据指令控制电机的运行状态。传感器负责实时监测电机的转速、温度、电流等参数，并将数据反馈给电机控制单元和车辆控制器。耦合变速器的设计与功能集中式驱动系统2.2.2多电机驱动系统

优势：更高的动力输出：通过同时驱动多个电机，将各个电机的动力叠加，从而提供比单电机更高的动力输出。提高能源效率：通过不同电机的搭配和协调控制扩大系统高效区，有助于在不同工况下保持较高的能源利用效率。增强系统灵活性：根据实时工况动态调整各电机的输出，以适应复杂多变的行驶环境。

挑战：复杂性和成本相对较高。控制难度较大。为实现电机之间的精确配合和协同工作，需采用先进的无冲击换档控制算法和传感器技术。可靠性、耐久性需经过严格的测试和验证。双电机输出扭矩特性图多电机耦合驱动构型的优势与挑战第二章

智能电驱动系统

98智能电驱动系统基本结构与工作原理集中式驱动系统分布式驱动系统分布式驱动系统99分布式驱动系统的类型主要有轮边驱动和轮毂驱动两种形式，其工作原理是将驱动电机直接安装在车轮内或车轮附近，从而取消了差速器等传动部件，使得传动链路更简单、紧凑。该构型将动力源直接分散至每个车轮，使驱动力分配变得均衡与灵活，且赋予每个车轮独立驱动的能力，可以实现多种集中式驱动构型无法实现的功能，如扭矩矢量控制、原地转向和应急浮水等。原地转向功能分布式驱动系统应急浮水功能分布式驱动系统概念及分类分布式驱动系统3.1轮边电机驱动系统100轮边电机驱动系统是由轮边电机、减速器、控制器、电池组、传动轴、制动器等构成。其中，减速器的布置和集成方式决定了驱动系统的构型。集成位置因车辆类型和设计需求而异，目前主要有两种构型，构型一是减速器位于电机与轮毂之间，构型二是减速器位于两侧驱动轮的近旁。两种轮边电机驱动系统构型轮边电机驱动构型的组成分布式驱动系统3.1轮边电机驱动系统101轮边电机驱动构型的类型轮边电机构型可以根据其安装位置和功能特点进行分类：轮边电机直接驱动构型：轮边电机直接安装在车轮边上，通过传动机构将动力传递给车轮。该构型简化了传动系统，提高了传动效率，并且可以独立控制每个车轮的扭矩。轮边电机-减速驱动构型：轮边电机通过减速机构（如齿轮、带轮或链轮等）来驱动车轮。该构型可提高扭矩输出，适用于需要较大驱动力的应用场景。轮边电机的位置可以是固定的，也可以与悬架集成，形成摆动式结构，以适应不同的悬架设计。动态吸振式轮边电驱动构型：利用动态吸振原理来抑制由于簧下质量增加导致的车辆振动问题。电机可以悬置于转向节或车身，通过设计移动副安装弹簧和减震器来吸收车辆振动。该构型可以提高车辆的平顺性和车轮接地性。分布式驱动系统3.1轮边电机驱动系统10