导读

感应电机和永磁同步电机都是电动全轮驱动的解决方案，它们各自具有不同的损耗、响应时间和成本。随着电动车市场的发展，特别是C和D级别车型对更大驾驶范围的需求，辅助驱动的重要性也在增加，这为电动车提供了更多的选择和可能性。

摘要

辅助驱动对所有驾驶特性都有积极影响，因为它通过额外的驱动轴支持主驱动器。驾驶员会体验到增强的牵引力和更好的操控性。因此，在电动乘用车中，除了感应异步电机（ASM）外，还可以考虑使用永磁同步电机（PSM）。麦格纳动力传动系统研究了这两种解决方案的拖曳损失、响应时间和成本。

市场展望

在短短几年内，C级和D级的高产量电动汽车已经确立了它们在市场上的地位。很明显，对于这些大批量应用来说，辅助驱动装置的重要性也在增加。它们通过第二轴的驱动来补充主驱动。在D级车中，可以预期[1]一些汽车制造商将来会交付几乎一半的车型配备辅助驱动。这种发展的原因不仅在于通过辅助驱动实现全轮驱动能力。这主要是由于电池电动车在需要更长续航里程时对额外动力的需求。

除了油箱之外，电池是这里的一个显著重量因素。因此，一些最近的车辆发展不仅提供了不同尺寸的电池，而且还提供了可选的第二驱动系统，这些系统可以抵消这些较大电池的重量，以增加所需的推进力。在最终客户沟通中，这种推进系统通常被称为“双电机全轮驱动”，例如特斯拉越来越多地使用。对于入门级中档车辆来说，典型的配置是电动机功率高达约150千瓦，仅有一个驱动轴，续航里程从350公里到500公里不等。在这些基础上，性能车辆可以配备两个驱动轴，最大总输出功率可达300千瓦。原则上，这种级别的动力也可以通过一个更大的驱动装置来产生并投入使用。

图1：比较一个较大的驱动器（左侧）与两个带有辅助驱动器的驱动器（右侧）在250千瓦功率、500公里电驱动续航里程和5.5秒加速至100公里/小时驾驶速度时的优势：增加一个辅助驱动器可以在成本、性能、效率、全轮驱动功能、牵引力和驾驶安全方面带来优势（© 麦格纳）

然而，这要么需要一个六相电机，要么需要将电压从400伏增加到800伏。相比之下，添加辅助驱动器可以实现一种成本效益高的方法，特别是针对电力电子设备或逆变器。此外，这还带来了效率（负载平衡）和驾驶动态（牵引力和安全性）的优势，如图1所示。在这篇文章中，麦格纳动力公司比较了两个具有可比输出功率的辅助驱动器和一台带有异步电动机（ASM）的驱动器的性能，另一台则带有永磁同步电动机（PSM）。图2(a)显示了两款设计中定子的对比。两者都与一个相同的PSM主驱动器相结合。评判标准包括：在系统比较中检查的是拖曳损失、辅助驱动的扭矩响应时间、峰值功率和持续功率，以及封装、重量和成本[2]。PSM和ASM都在麦格纳进行批量生产。

图2：左侧为PSM（永磁同步电机）定子与右侧ASM（交流同步电机）定子的尺寸对比，两者在峰值功率相当的情况下（a）；以及用于辅助驱动无损解耦的机电开关解耦元件（蓝色）（b）（©麦格纳）。

拖曳损失

与具有相同总功率的单个驱动器相比，双电机驱动器的效率优势主要是由于可以关闭辅助驱动器。这通常是在持续驾驶和低负载的情况下进行的，在日常驾驶中占操作时间的90%以上。这允许在优化的负载水平上操作主驱动器。然而，与ASM和PSM调查的二次驱动器在其工作原理上是根本不同的。通常，ASM被认为特别适合于二次驱动，因为在非活动状态下没有电磁和很小的机械阻力损失。不可否认，即使采用优化设计，持续的轴承和油溅损失也将占WLTC中约150W的损失。

相比之下，带有PSM的麦格纳二级驱动系统包括一个解耦元件，如图2 (b)，可以完全断开电动机的连接。狗爪离合器大多是打开的，只有在需要时才会通过电动机械接合。在开启状态下不存在机械损耗。只有在需要时，才需要一个小的驱动功率。在WLTC中，整个二次驱动系统的耗散损耗约为35W。由于ASM始终耦合在一起，因此不可避免地会产生一些损失。另一方面，扭矩通常在约60至70毫秒内可用。PSM解决方案在这方面有所不同，因为还需要考虑齿式离合器元件的耦合时间。只有当电动机从静止状态达到所需速度时，它才能关闭。实际上，已经证明大约250毫秒的耦合时间是驾驶员无法察觉的。这种耦合时间一直保持到大约130公里/小时的速度。对于C/D级应用来说，这通常是足够的，特别是几乎世界上每个国家（除了德国）都有速度限制。

在WLTC中，其最高速度为131.3公里/小时，与ASM二级驱动相比，效率提高和额外的续航里程约为3%，如图3所示。在耦合电动机之前，速度差异不可避免地随着驾驶速度的增加而增加。因此，麦格纳提供了可选的操作策略Decoupling+，即使在较高速度下也能优化耦合时间。该策略分为三个阶段：正如前面提到的，在约130公里/小时的速度范围内，PSM将从静止状态耦合。在这个速度之上，它将以低功率需求以定义的速度驱动，以便减少速度差。最后，在高速公路上，它会持续耦合，因为需要大量的总功率。结果，Decoupling+策略允许在高速时灵活调整效率和动态性能。在适当的情况下，还可以通过选择性驾驶模式（如Eco、Sport等）提供这种功能。

图3 WLTC中使用PSM、ASM或具有解耦元件作为辅助传动的PSM时的电动驾驶里程的模拟比较（基础：SUV，电池电动，D级，长续航）（© 麦格纳）

横向动态特性

当只考虑牵引力和纵向动态时，带有ASM（自动变速器）和PSM（电驱动桥）辅助驱动的系统在功能上只有很小的差异——PSM解决方案在效率方面具有优势。对于使用两个驱动轴进行横向动态干预的情况，可以通过纵向转移扭矩（纵向扭矩矢量控制）来影响转向行为。扭矩干预只需要较少的电机扭矩，但非常短的响应时间至关重要。在2021年瑞典冬季测试中，麦格纳公司能够使用EtelligentReach展示车展示一个包含两个PSM驱动器和解耦功能的系统，即使在高速过弯时也能实现高水平的驾驶安全。对于横向动态干预，扭矩建立的响应时间应尽可能短，因此，进入曲线时，PSM辅助驱动的齿式离合器将会提前闭合。为此，使用了一个包括车辆所有可用传感器数据的物理车辆模型。即使在此基础上，也可以实现类似于ASM的行为。从长远来看，这将在操作策略中补充基于传感器的预测系统和添加基础设施数据。

图4：ASM和PSM在速度上的峰值功率比较（© 麦格纳）

ASM和PSM的电机特性

到目前为止，主要讨论了由于电气或机械解耦导致的不同功能特性。然而，在评估功能特性和成本时，实际中特定电机特性也起着重要作用。这种比较基于ASM和PSM满足相同输出功率要求的假设。例如，峰值功率必须能够持续提供30秒。在日常生活中，这个时长涵盖了典型的驾驶情况，比如从静止状态加速、进入高速公路或者超车。此外，在热稳定状态下，最高速度和最大功率输出的连续行驶时间分别需要达到15分钟。在这方面，ASM显示出明显的劣势。ASM的峰值功率会降至其最高值的约60%，直至最高速度，如图4所示。因此，它需要通过过度设计来补偿这一点。另外，ASM的热稳定性较差。在多次在高负载下加速的情况下，这可能导致意外的功率下降。为了消除这种情况，需要比PSM复杂得多的冷却系统。

图5 PSM二级驱动与可选解耦+操作策略（右上角）的控制单元的必要组件（© 麦格纳）

成本比较

通常认为ASM（感应异步电机）在成本效益上一般更为优越，因为它是一种简单的设计，不需要使用磁铁。这种看法可能是正确的，只要我们考虑的是固定式应用。然而，对于以高动态需求、电机速度与驱动速度之间存在较大差异以及相关的高负载和效率要求为特点的乘用车应用来说，情况并非如此。在单一组件级别上，图5所示的带有解耦元件的PSM辅助驱动显然涉及狗离合器和磁铁的额外成本。此外，还需要额外的逆变器输出。另一个次要因素是冗余的12V电源供应，这是在发生错误时启用主动短路所必需的。ASM不需要这个，因为当电动机不活动时，其电开关设计为打开状态。最后，解耦策略需要一次性开发成本。

对于另一方面来说的ASM（感应异步电机），由于其额外的尺寸和更高的冷却要求，成本更高。它需要更多的外壳材料如铝材、更大的定子以及更多的铜线用于绕组。实际上，定子的额外成本超过了与功率相当的PSM（永磁同步电机）中磁铁的额外成本。由于ASM一直旋转，因此需要一个复杂的轴承系统来最小化摩擦损失。此外，还需要一个所谓的负载卸载保护电路。这里的目的是为了避免在突然负载下降时出现电压峰值，这可能会损坏逆变器。这个保护电路包括一个电子开关和欧姆电阻器。为了改善不利的热稳定性，ASM需要一个主动流体冷却系统，也就是说，需要一个油泵、一个油冷却器和带有附加密封件的封闭油室。假设辅助驱动器的峰值功率为100千瓦，对成本进行了评估。结果显示，PSM辅助驱动的总成本略有优势。即使考虑到稀土材料的成本增加风险，可能会导致永磁同步电机的磁铁成本上升，但PSM也保持了一个小小成本的优势。

结论与展望

麦格纳进行本次研究的结论并不能说明：“与ASM解决方案相比，带有解耦元件的PSM辅助驱动是更好选择”。车辆的特殊需求和特性仍然是决策的关键。在C/D汽车细分市场中，像包装、重量、效率以及在整个速度范围内稳定性且可重复性的行为等标准起着重要作用。已经证明，带有PSM的辅助驱动至少在成本上是中性的。通过智能策略演示器，麦格纳建立了一辆实际上证明了PSM辅助驱动所描述的功能特性的车辆，表1。即使没有ADAS和连接系统，也可以展示出车辆动力学和主动安全的提升。借助摄像头单元等预测性系统以及导航数据和云信息，未来有可能进一步优化PSM二级驱动系统，并加入解耦元件。

表1：与具有解耦元件的100kW辅助驱动器的ASM和PSM驱动相关产品特性比较（© 麦格纳）

参考文献

[1] IHS Markit: Automotive Production Database Release. June 2021

[2] Lindvai-Soos, D.; Neß, W.; et al.: Magna Powertrain Future Products Study: Relevant properties of ASM/PSM for dedicated secondary e-drive systems. February 22, 2021

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       原文标题 : 麦格纳对全轮电驱动场景下ASM与PSM的系统比较研究