从挂挡到驱动，电动汽车是怎么跑起来的？

作者| 糊涂振

出品| 汽车电子与软件

电动汽车的驱动形式一般分为直驱和多挡变速箱两种。其中直驱形式是指电动机直接驱动车轮，无需经过传统的变速器和传动轴等传动部件；多挡变速箱形式是指采用多挡位变速箱来改变电动机的转速和扭矩输出，以适应不同的行驶条件。电动汽车直驱形式和多挡变速箱形式各有优缺点。直驱形式结构简单、传动效率高、响应速度快且平顺性好，但可能受到电动机性能的限制。多挡变速箱形式可以扩大动力范围、提高能效和提升动力性能，但也会增加成本和复杂性。因此，在选择电动汽车的驱动形式时，需要根据具体的应用场景和需求进行权衡和选择，其中直驱形式是目前小型轻型电动汽车常用的驱动形式。本文通过对电动汽车直驱系统结构及原理、档位器的形式及原理、档位切换控制方法、档位与扭矩控制实现过程的介绍，带您了解从挂挡到驱动，电动汽车是怎么跑起来的！

#01

电动汽车直驱系统结构及原理介绍

电动汽车的直驱系统在结构上较为简洁且高效，其结构及原理介绍如下：

1、电动汽车直驱系统的结构

1）驱动电机：直驱系统的核心部件，负责将电能转换为机械能，驱动车轮转动，常见的驱动电机有永磁同步电机和交流异步电机，在实际应用中，永磁同步电机是一种主流的驱动电机形式。

2）固定速比减速器：一般在直驱系统中，为了匹配车轮的转速和扭矩需求，会采用固定速比减速器对电机的输出进行减速增扭。其中可通过传动轴将电机的扭矩传送至减速器，或者将电机与减速器进行集成，形成电驱桥的结构。

3）差速器：在单电机直驱系统中，需要差速器来实现两侧车轮在转弯时的差速功能。

4）车轮：车轮是直驱系统的最终驱动对象，通过轮胎与地面的摩擦力实现车辆的行驶。

2、电动汽车直驱系统电机控制及传动原理

1）电能输入：动力电池作为电动汽车的能量来源，首先将动力电池的直流电提供给电机控制器。

2）电机控制原理：电机控制主要包括驱动控制、速度控制、方向控制及回馈控制

a、驱动控制：电机控制器控制单元根据输入的需求控制三相电压源逆变器将高压直流电转换为三相交流电，供给驱动电机并驱动汽车运行。

b、速度控制：电机控制器控制单元采用PWM控制改变三相电压源逆变器输出的三相交流电的电压和频率，从而改变电机的转速和转矩，对汽车进行调速。

c、方向控制：通过改变三相电压源逆变器中IGBT的导通顺序，可以改变输出三相交流电的相序，实现电机反转，从而改变汽车的运行方向。

d、回馈控制：驱动电机作为发电机工作，滑行或制动时，产生反向拖拽扭矩，驱动电机作为发电机将反向扭矩转变为三相交流电，经逆变器转换为高压直流电反馈回动力电池，进行能量回馈。

3）动力传递：在单电机直驱系统中，电机的输出经过固定速比减速器和差速器后传递给车轮。

4）车轮转动：车轮接收到电机的驱动力后开始转动，进而带动车辆前进或后退。

#02

电动汽车直驱档位器形式及原理

1、档位器的形式

目前，常见的换挡器形式主要有以下几种

1）电子挡杆换挡器

2）旋钮换挡器

3）怀挡换挡器

4）按键换挡器

5）触摸屏换挡器

2、档位器的信号输出形式

档位器的形式多种多样，但是档位器的信号输出形式一般只有CAN控和硬线控两种形式。

1）硬线控档位器

驾驶员操作档位器后，档位器通过内部的传感器或开关，将驾驶员的换挡操作转化为相应的电信号，发送高电平或低电平的硬线信号，通过硬线线束连接至VCU，VCU接收硬线信号后，判断当前档位信号是否有效，作为档位控制信号的输入信号。

硬线信号是通过物理线路直接传输的电信号，具有传输稳定、可靠性高的特点。缺点是需要增加控制器硬件接口及线束。

2）CAN控档位器

驾驶员操作档位器后，档位器通过内部的CAN通信模块，将换挡信号编码为CAN报文，并通过CAN总线发送给VCU，VCU接收到这些报文后，会进行解码和处理，作为档位控制逻辑的输入信号。

与硬线信号相比，CAN信号具有传输速度快、传输距离远、抗干扰能力强等优点。同时，由于CAN总线采用多主节点工作方式，可以实现多个控制器之间的实时通信和数据共享，提高了整个车辆的控制效率和可靠性。但是在强电磁干扰环境中，CAN总线及高压线束如果屏蔽如果防护不到位，可能会导致CAN信号错误或丢失。

3、档位器的档位值

档位器一般有D挡（前进挡）、N挡（空挡）、R挡（倒挡）、P挡（驻车挡）四个档位，有的电动车换挡器也省略P挡，仅保留D挡、N挡和R挡，有的电动车换挡器会增加S挡（运动挡）。

#03

电动汽车直驱档位切换控制方法

1、停车档位切换

一般情况，车辆是在停车状态下进行挂挡、退档操作的，停车档位切换的条件和基本流程如下：

1）车辆上电后，档位器发送当前档位器位置对应的档位信号给VCU；

2）VCU接收档位器发送的档位信号后，进行判断，若同时两个及以上档位信号有效或无档位信号有效，则判定为档位故障；

3）若无档位故障，则VCU初始化实际档位值为N挡；

4）VCU判断以下条件，进行换挡逻辑判定：

a、同时满足车辆完成上电Ready状态&&制动踏板信号有效&&车速小于3km/h

b、档位信号从N挡变化为D挡，实际档位切换为D挡

档位信号从N挡变化为R挡，实际档位切换为R挡

当前档位处于D挡时，检测到档位信号变为N挡或R挡时，实际档位切换为N挡

当前档位处于R挡时，检测到档位信号变为N挡或D挡时，实际档位切换为N挡

2、行车档位切换

除了停车换挡，行车状态下如果误触换挡器，导致档位不能按驾驶员驾驶意图切换，需进行行车状态档位切换条件及流程设计：

a、行车状态（车速大于10km/h），当前档位为D挡，检测到档位信号为N挡或R挡时，实际档位切换N挡，当前档位为R挡检测到档位信号为N挡或D挡时，实际档位切换N挡；

b、行车状态（车速大于10km/h），当前档位为N挡，允许不踩制动踏板切换档位，当检测到档位为D挡或R挡时，实际档位切换为D挡或R挡；

这样可以保证在行车过程中驾驶员误触档位器导致档位回N挡后，在不踩制动减速的情况下将档位切换回D挡或R挡，避免强制踩制动才能切换档位造成的安全隐患

3、换挡失败提示

除了以上档位切换逻辑设计外，有的电动汽车会设计换挡失败提示，即当切换档位器位置，但是此时不满足换挡条件时，会发出相应换挡失败标志位通过CAN信号发送至仪表，仪表接收到之后，显示换挡失败提示，给与驾驶员正确的换挡提示。

a、换挡失败，车速过高，请停车换挡：当车速处于3-10km/h时，检测到档位信号从N挡切换为D挡，或从N挡切换为R挡时，发送换挡失败标志位1，仪表接收后提示"换挡失败，车速过高，请停车换挡"

b、换挡失败，请踩刹车换挡：当停车状态，未踩刹车，检测到档位信号从N挡切换为D挡，或从N挡切换为R挡时，发送换挡失败标志位2，仪表接收后提示“换挡失败，请踩刹车换挡”

#04

档位与扭矩控制实现过程

VCU完成档位切换后，需根据当前输入信号状态发送MCU使能指令及需求扭矩指令，分为驱动状态及滑行制动回馈状态。VCU发出的档位及扭矩指令需要电机控制器来执行最终实现控制扭矩输出。

1、驱动状态扭矩控制原理

当实际档位为D挡或R挡时，VCU根据油门踏板开度值及相应扭矩MAP、限速条件等计算驱动需求扭矩，并将当前档位信号及驱动需求扭矩发送至电机控制器，电机控制器控制单元控制三相电压源逆变器输出相应的交变三相电从而控制电机以VCU发送的扭矩指令输出。

2、滑行回馈状态扭矩控制原理

当实际档位为D挡时（滑行回馈一般只设定D挡），行车状态，车速大于设定值，VCU检测到无油门信号及制动信号，进入滑行回馈模式，根据滑行回馈扭矩MAP计算滑行回馈需求扭矩，并将当前档位信号及滑行回馈需求扭矩发送至电机控制器，电机控制器控制单元控制IGBT输出相应的三相交变电流从而控制电机以VCU发送的扭矩指令输出相应扭矩。

3、制动回馈状态扭矩控制原理

当实际档位为D挡时（制动回馈一般只设定D挡），行车状态，车速大于设定值，VCU检测到有制动信号，进入制动回馈模式，根据制动回馈扭矩MAP计算制动回馈需求扭矩 ，并将当前档位信号及滑行回馈需求扭矩发送至电机控制器，电机控制器控制单元控制三相电压源逆变器输出相应的三相交变电流从而控制电机以VCU发送的扭矩指令输出相应扭矩。

#05

总 结

本文介绍了电 动汽车直驱系统的结构及工作原理，换挡器的形式及原理、单档直驱档位切换控制方法以及档位与扭矩控制的实现过程。希望能通过此文对电动汽车换挡及驱动原理有一个基本的了解。