作者| 糊涂振

出品| 汽車電子與軟件

電動汽車的驅動形式一般分為直驅和多擋變速箱兩種。其中直驅形式是指電動機直接驅動車輪，無需經過傳統的變速器和傳動軸等傳動部件；多擋變速箱形式是指采用多擋位變速箱來改變電動機的轉速和扭矩輸出，以適應不同的行駛條件。電動汽車直驅形式和多擋變速箱形式各有優缺點。直驅形式結構簡單、傳動效率高、響應速度快且平順性好，但可能受到電動機性能的限制。多擋變速箱形式可以擴大動力范圍、提高能效和提升動力性能，但也會增加成本和復雜性。因此，在選擇電動汽車的驅動形式時，需要根據具體的應用場景和需求進行權衡和選擇，其中直驅形式是目前小型輕型電動汽車常用的驅動形式。本文通過對電動汽車直驅系統結構及原理、檔位器的形式及原理、檔位切換控制方法、檔位與扭矩控制實現過程的介紹，帶您了解從掛擋到驅動，電動汽車是怎么跑起來的！

#01

電動汽車直驅系統結構及原理介紹

電動汽車的直驅系統在結構上較為簡潔且高效，其結構及原理介紹如下：

1、電動汽車直驅系統的結構

1）驅動電機：直驅系統的核心部件，負責將電能轉換為機械能，驅動車輪轉動，常見的驅動電機有永磁同步電機和交流異步電機，在實際應用中，永磁同步電機是一種主流的驅動電機形式。

2）固定速比減速器：一般在直驅系統中，為了匹配車輪的轉速和扭矩需求，會采用固定速比減速器對電機的輸出進行減速增扭。其中可通過傳動軸將電機的扭矩傳送至減速器，或者將電機與減速器進行集成，形成電驅橋的結構。

3）差速器：在單電機直驅系統中，需要差速器來實現兩側車輪在轉彎時的差速功能。

4）車輪：車輪是直驅系統的最終驅動對象，通過輪胎與地面的摩擦力實現車輛的行駛。

2、電動汽車直驅系統電機控制及傳動原理

1）電能輸入：動力電池作為電動汽車的能量來源，首先將動力電池的直流電提供給電機控制器。

2）電機控制原理：電機控制主要包括驅動控制、速度控制、方向控制及回饋控制

a、驅動控制：電機控制器控制單元根據輸入的需求控制三相電壓源逆變器將高壓直流電轉換為三相交流電，供給驅動電機并驅動汽車運行。

b、速度控制：電機控制器控制單元采用PWM控制改變三相電壓源逆變器輸出的三相交流電的電壓和頻率，從而改變電機的轉速和轉矩，對汽車進行調速。

c、方向控制：通過改變三相電壓源逆變器中IGBT的導通順序，可以改變輸出三相交流電的相序，實現電機反轉，從而改變汽車的運行方向。

d、回饋控制：驅動電機作為發電機工作，滑行或制動時，產生反向拖拽扭矩，驅動電機作為發電機將反向扭矩轉變為三相交流電，經逆變器轉換為高壓直流電反饋回動力電池，進行能量回饋。

3）動力傳遞：在單電機直驅系統中，電機的輸出經過固定速比減速器和差速器后傳遞給車輪。

4）車輪轉動：車輪接收到電機的驅動力后開始轉動，進而帶動車輛前進或后退。

#02

電動汽車直驅檔位器形式及原理

1、檔位器的形式

目前，常見的換擋器形式主要有以下幾種

1）電子擋桿換擋器

2）旋鈕換擋器

3）懷擋換擋器

4）按鍵換擋器

5）觸摸屏換擋器

2、檔位器的信號輸出形式

檔位器的形式多種多樣，但是檔位器的信號輸出形式一般只有CAN控和硬線控兩種形式。

1）硬線控檔位器

駕駛員操作檔位器后，檔位器通過內部的傳感器或開關，將駕駛員的換擋操作轉化為相應的電信號，發送高電平或低電平的硬線信號，通過硬線線束連接至VCU，VCU接收硬線信號后，判斷當前檔位信號是否有效，作為檔位控制信號的輸入信號。

硬線信號是通過物理線路直接傳輸的電信號，具有傳輸穩定、可靠性高的特點。缺點是需要增加控制器硬件接口及線束。

2）CAN控檔位器

駕駛員操作檔位器后，檔位器通過內部的CAN通信模塊，將換擋信號編碼為CAN報文，并通過CAN總線發送給VCU，VCU接收到這些報文后，會進行解碼和處理，作為檔位控制邏輯的輸入信號。

與硬線信號相比，CAN信號具有傳輸速度快、傳輸距離遠、抗干擾能力強等優點。同時，由于CAN總線采用多主節點工作方式，可以實現多個控制器之間的實時通信和數據共享，提高了整個車輛的控制效率和可靠性。但是在強電磁干擾環境中，CAN總線及高壓線束如果屏蔽如果防護不到位，可能會導致CAN信號錯誤或丟失。

3、檔位器的檔位值

檔位器一般有D擋（前進擋）、N擋（空擋）、R擋（倒擋）、P擋（駐車擋）四個檔位，有的電動車換擋器也省略P擋，僅保留D擋、N擋和R擋，有的電動車換擋器會增加S擋（運動擋）。

#03

電動汽車直驅檔位切換控制方法

1、停車檔位切換

一般情況，車輛是在停車狀態下進行掛擋、退檔操作的，停車檔位切換的條件和基本流程如下：

1）車輛上電后，檔位器發送當前檔位器位置對應的檔位信號給VCU；

2）VCU接收檔位器發送的檔位信號后，進行判斷，若同時兩個及以上檔位信號有效或無檔位信號有效，則判定為檔位故障；

3）若無檔位故障，則VCU初始化實際檔位值為N擋；

4）VCU判斷以下條件，進行換擋邏輯判定：

a、同時滿足車輛完成上電Ready狀態&&制動踏板信號有效&&車速小于3km/h

b、檔位信號從N擋變化為D擋，實際檔位切換為D擋

檔位信號從N擋變化為R擋，實際檔位切換為R擋

當前檔位處于D擋時，檢測到檔位信號變為N擋或R擋時，實際檔位切換為N擋

當前檔位處于R擋時，檢測到檔位信號變為N擋或D擋時，實際檔位切換為N擋

2、行車檔位切換

除了停車換擋，行車狀態下如果誤觸換擋器，導致檔位不能按駕駛員駕駛意圖切換，需進行行車狀態檔位切換條件及流程設計：

a、行車狀態（車速大于10km/h），當前檔位為D擋，檢測到檔位信號為N擋或R擋時，實際檔位切換N擋，當前檔位為R擋檢測到檔位信號為N擋或D擋時，實際檔位切換N擋；

b、行車狀態（車速大于10km/h），當前檔位為N擋，允許不踩制動踏板切換檔位，當檢測到檔位為D擋或R擋時，實際檔位切換為D擋或R擋；

這樣可以保證在行車過程中駕駛員誤觸檔位器導致檔位回N擋后，在不踩制動減速的情況下將檔位切換回D擋或R擋，避免強制踩制動才能切換檔位造成的安全隱患

3、換擋失敗提示

除了以上檔位切換邏輯設計外，有的電動汽車會設計換擋失敗提示，即當切換檔位器位置，但是此時不滿足換擋條件時，會發出相應換擋失敗標志位通過CAN信號發送至儀表，儀表接收到之后，顯示換擋失敗提示，給與駕駛員正確的換擋提示。

a、換擋失敗，車速過高，請停車換擋：當車速處于3-10km/h時，檢測到檔位信號從N擋切換為D擋，或從N擋切換為R擋時，發送換擋失敗標志位1，儀表接收后提示"換擋失敗，車速過高，請停車換擋"

b、換擋失敗，請踩剎車換擋：當停車狀態，未踩剎車，檢測到檔位信號從N擋切換為D擋，或從N擋切換為R擋時，發送換擋失敗標志位2，儀表接收后提示“換擋失敗，請踩剎車換擋”

#04

檔位與扭矩控制實現過程

VCU完成檔位切換后，需根據當前輸入信號狀態發送MCU使能指令及需求扭矩指令，分為驅動狀態及滑行制動回饋狀態。VCU發出的檔位及扭矩指令需要電機控制器來執行最終實現控制扭矩輸出。

1、驅動狀態扭矩控制原理

當實際檔位為D擋或R擋時，VCU根據油門踏板開度值及相應扭矩MAP、限速條件等計算驅動需求扭矩，并將當前檔位信號及驅動需求扭矩發送至電機控制器，電機控制器控制單元控制三相電壓源逆變器輸出相應的交變三相電從而控制電機以VCU發送的扭矩指令輸出。

2、滑行回饋狀態扭矩控制原理

當實際檔位為D擋時（滑行回饋一般只設定D擋），行車狀態，車速大于設定值，VCU檢測到無油門信號及制動信號，進入滑行回饋模式，根據滑行回饋扭矩MAP計算滑行回饋需求扭矩，并將當前檔位信號及滑行回饋需求扭矩發送至電機控制器，電機控制器控制單元控制IGBT輸出相應的三相交變電流從而控制電機以VCU發送的扭矩指令輸出相應扭矩。

3、制動回饋狀態扭矩控制原理

當實際檔位為D擋時（制動回饋一般只設定D擋），行車狀態，車速大于設定值，VCU檢測到有制動信號，進入制動回饋模式，根據制動回饋扭矩MAP計算制動回饋需求扭矩 ，并將當前檔位信號及滑行回饋需求扭矩發送至電機控制器，電機控制器控制單元控制三相電壓源逆變器輸出相應的三相交變電流從而控制電機以VCU發送的扭矩指令輸出相應扭矩。

#05

總 結

本文介紹了電 動汽車直驅系統的結構及工作原理，換擋器的形式及原理、單檔直驅檔位切換控制方法以及檔位與扭矩控制的實現過程。希望能通過此文對電動汽車換擋及驅動原理有一個基本的了解。