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三合一電驅(qū)系統(tǒng)的集成化設(shè)計(jì)

2021-12-17 20:40:06·  來(lái)源：驅(qū)動(dòng)視界  
　
一、三合一集成電驅(qū)概述1.1電驅(qū)動(dòng)載荷特點(diǎn)給產(chǎn)品強(qiáng)度、耐久性帶來(lái)更大的挑戰(zhàn)相比于傳統(tǒng)車(chē)輛，電動(dòng)車(chē)輛擋位少，載荷更集中；城市上下班通勤等應(yīng)用場(chǎng)景導(dǎo)致低速擋
一、三合一集成電驅(qū)概述
1.1電驅(qū)動(dòng)載荷特點(diǎn)給產(chǎn)品強(qiáng)度、耐久性帶來(lái)更大的挑戰(zhàn)
相比于傳統(tǒng)車(chē)輛，電動(dòng)車(chē)輛擋位少，載荷更集中；城市上下班通勤等應(yīng)用場(chǎng)景導(dǎo)致低速擋位載荷更加集中；
頻繁的能量回收，使新能源車(chē)反拖扭矩明顯大于傳統(tǒng)車(chē)，交變載荷工況更加惡劣，更容易帶來(lái)耐久性問(wèn)題；
同一擋位上載荷跨度大，給平衡不同載荷下NVH性能帶來(lái)困難；
同一擋位上工作轉(zhuǎn)速區(qū)間跨度大，尤其高速運(yùn)行時(shí)對(duì)軸承、油封及潤(rùn)滑帶來(lái)更大的挑戰(zhàn)。

1.2 電驅(qū)動(dòng)力總成概念的多樣性


1.3 技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)


1.4 電驅(qū)動(dòng)總成的代際劃分
第一代：分立式高壓模塊獨(dú)立布置


第二代：4+2
高壓電控四合一+電動(dòng)總成二合一


第三代：3+3
充配電三合一+動(dòng)力總成三合一


傳統(tǒng)分立部件：整車(chē)高低壓線束、接插件、管路和箱體結(jié)構(gòu)等錯(cuò)綜復(fù)雜


“3+3” 結(jié)構(gòu)：減少整車(chē)線束、接插件，管路和箱體，結(jié)構(gòu)緊湊，布置便利


1.5 電驅(qū)動(dòng)組件的集成級(jí)別


1.6 三合一電驅(qū)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)


1.7 國(guó)際主流電驅(qū)動(dòng)供應(yīng)商技術(shù)路線
近五年，國(guó)際主流動(dòng)力系統(tǒng)供應(yīng)商投放的純電驅(qū)動(dòng)總成產(chǎn)品中，一體化總成（三合一）占比達(dá)87% 。



二、三合一電驅(qū)系統(tǒng)優(yōu)劣勢(shì)分析
2.1 概述


平臺(tái)化：根據(jù)不同噸位、功率和扭矩以及不同級(jí)別車(chē)型，劃分不同的系列化平臺(tái)產(chǎn)品
高效率：驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的NEDC綜合效率可達(dá)88%，最高效率超過(guò)92%
高集成：總成體積降低30%,功率密度達(dá)到1.9kw/kg
高轉(zhuǎn)速：最高轉(zhuǎn)速14000rpm
低噪音：總成近場(chǎng)噪聲不超過(guò)90dB
NVH性能：通過(guò)控制齒輪嚙合精度等保證NVH性能
動(dòng)力性：滿(mǎn)足A00、A0、A、B等級(jí)別汽車(chē)對(duì)動(dòng)力性加速和爬坡的需求
可靠性：減少接口復(fù)雜度提高可靠性
優(yōu)勢(shì)：
① 安裝尺寸和重量較小
② 小型化，高轉(zhuǎn)速電機(jī)降低成本
③ 減少接口復(fù)雜度，提高可靠性
④ 平臺(tái)化設(shè)計(jì)，降低整車(chē)開(kāi)發(fā)費(fèi)用和周期
劣勢(shì)：
① 高轉(zhuǎn)速帶來(lái)的NVH挑戰(zhàn)
② 冷卻概念和軸承
③ EMC復(fù)雜性提高
④ 跨零部件開(kāi)發(fā)協(xié)同難度增加
2.2 三合一電驅(qū)系統(tǒng)各構(gòu)型及優(yōu)缺點(diǎn)分析


2.3 國(guó)內(nèi)外純電總成產(chǎn)品特點(diǎn)與差距
國(guó)內(nèi)驅(qū)動(dòng)電機(jī)在功率密度等性能指標(biāo)方面與國(guó)際先進(jìn)水平相當(dāng)。
高壓電力電子系統(tǒng)集成方面國(guó)內(nèi)外各有千秋。
在控制器功率密度、減速器最高轉(zhuǎn)速、動(dòng)力傳動(dòng)集成度等方面國(guó)內(nèi)與國(guó)際還有較大的水平差距。



三、三合一電驅(qū)系統(tǒng)的集成化設(shè)計(jì)
系統(tǒng)深度集成設(shè)計(jì)


3.1 殼體集成設(shè)計(jì)
電機(jī)與控制器冷卻水道直接串聯(lián)連接；電機(jī)引出線與控制器母排直接連接，節(jié)約高壓連接器及導(dǎo)線


減速器與電機(jī)共用右端蓋，一體化箱體采用三段式；軸承浮動(dòng)獨(dú)立支撐，卸載總成受力，變形小、NVH好


3.2連接件
電機(jī)、電控端子直連，取消三相線


電機(jī)、電控水道直連，取消水管


3.3 共用件
電機(jī)轉(zhuǎn)子軸和減速器輸入軸共用


電機(jī)殼體和減速器殼體共用






BYD電驅(qū)動(dòng)三合一
3.4 仿真



3.5 設(shè)計(jì)及驗(yàn)證流程


3.6 性能及可靠性驗(yàn)證技術(shù)
可靠性及性能設(shè)計(jì)分析：
① 軸齒承載能力
② 系統(tǒng)尺寸鏈
③ 圍觀參數(shù)設(shè)計(jì)
④ 系統(tǒng)變形
⑤ 箱體強(qiáng)度模態(tài)
⑥ 傳遞誤差
⑦ 齒輪容差
⑧ 懸置動(dòng)剛度
⑨ 駐車(chē)靜力
試驗(yàn)驗(yàn)證技術(shù)：
① 系統(tǒng)變形試驗(yàn)
② 換氣系統(tǒng)試驗(yàn)
③ 動(dòng)態(tài)密封試驗(yàn)
④ 溫升試驗(yàn)
⑤ 高速試驗(yàn)
⑥ 疲勞壽命試驗(yàn)
⑦ 靜扭強(qiáng)度試驗(yàn)
⑧ 鹽霧試驗(yàn)
⑨ 潤(rùn)滑驗(yàn)證
⑩ 齒輪接觸斑點(diǎn)
NVH技術(shù)：
① 傳動(dòng)設(shè)計(jì)分析
② 齒輪設(shè)計(jì)分析
③ 軸承選型設(shè)計(jì)
④ 傳動(dòng)效率
⑤ NVH預(yù)測(cè)
⑥ CAE分析
⑦ 結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化
⑧ 結(jié)構(gòu)分析
⑨ 聲場(chǎng)仿真
⑩ 流場(chǎng)、溫度場(chǎng)仿真
? NVH試驗(yàn)測(cè)試
? 變速器嘯叫噪音
? 變速器敲擊噪音
? 電機(jī)嘯叫噪音
效率提升技術(shù)：
① 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
② 軸系結(jié)構(gòu)油路
③ 齒形設(shè)計(jì)
④ 低摩擦軸承
⑤ 箱體油路
⑥ 油封匹配
⑦ 系統(tǒng)因素分析
⑧ 攪油損失
⑨ 機(jī)械磨損損失
⑩ 阻油損失
? 油品匹配
? 油品粘度
? 油量匹配
3.7 CFD及EMC設(shè)計(jì)流程
CFD 正向設(shè)計(jì)
熱源分析：軸齒熱分析、電磁熱分析


散熱和潤(rùn)滑：潤(rùn)滑油選型分析、水道形式分析


系統(tǒng)優(yōu)化：潤(rùn)滑結(jié)構(gòu)分析、散熱結(jié)構(gòu)分析


實(shí)驗(yàn)校核：潤(rùn)滑和散熱綜合驗(yàn)證


3.8 EMC 正向設(shè)計(jì)



3.9 典型三合一電驅(qū)系統(tǒng)
典型三合一電驅(qū)系統(tǒng)：ZF 15ED35





四、三合一電驅(qū)系統(tǒng)發(fā)展趨勢(shì)
4.1 概述
三合一集成電驅(qū)系統(tǒng)當(dāng)前成熟的解決方案是從電機(jī)到差速器采用傳統(tǒng)的單擋兩級(jí)減速器
多擋（通常為兩擋）變速箱已經(jīng)面世或正在開(kāi)發(fā)中
成熟競(jìng)品產(chǎn)品的輸入轉(zhuǎn)速都已經(jīng)達(dá)到或超過(guò)16000rpm
更高的電機(jī)轉(zhuǎn)速、輕量化、更高的效率和低成本是未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)



平臺(tái)化：分為小平臺(tái)、中平臺(tái)、大平臺(tái)



4.2 模塊化
產(chǎn)生規(guī)模效應(yīng)、增量降本
集中優(yōu)勢(shì)資源、打造精品
ZF經(jīng)典15ED35電驅(qū)動(dòng)橋模塊




集成電驅(qū)動(dòng)模塊的后橋系統(tǒng)


4.3 平臺(tái)化設(shè)計(jì)
產(chǎn)生規(guī)模效應(yīng)、增量降本；集中優(yōu)勢(shì)資源、打造精品


4.4 集成化
減少連接件、取消冗余件、開(kāi)發(fā)共用件、降低成本、提高效率


4.5 從三合一總成到多合一總成



目前，電機(jī)控制器日趨集成化，集成形式包括：
單主驅(qū)動(dòng)控制器、三合一控制器（集成：EHPS控制器+ACM控制器+DC/DC）
五合一控制器（集成：EHPS控制器+ACM控制器+DC/DC+PDU+雙源EPS控制器）
乘用車(chē)控制器（集成：主驅(qū)+DC/DC）。
70KW三合一平臺(tái)電機(jī)+電控+減速器的臺(tái)架測(cè)試實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)最高效率91.9%，仿真數(shù)據(jù)最高效率達(dá)到91.5%，NEDC平均效率達(dá)到87%。


五、方正電機(jī)三合一結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)范例


機(jī)械式里程表輸出（可選）；
電子駐車(chē)機(jī)構(gòu)（可選）；
集成整車(chē)控制單元（可選）；
集成電子駐車(chē)系統(tǒng)（可選）。


電機(jī)、減速器及控制器三合為一，高度集成化設(shè)計(jì)；
模塊組合化設(shè)計(jì)，電機(jī)、減速器與二合一模塊同平臺(tái)；
簡(jiǎn)化電機(jī)與控制器的高壓線纜，連接器等部件；
電機(jī)軸與減速器輸入軸合為一體，減少軸承支撐；
減速器殼體與電機(jī)殼體合為一體，
電機(jī)端蓋與控制器殼體合為一體；
動(dòng)力系采用平行式結(jié)構(gòu)；
采用錐齒輪結(jié)構(gòu)差速器；
機(jī)械式里程表輸出（可選）；
電子駐車(chē)機(jī)構(gòu)（可選）；
集成整車(chē)控制單元（可選）；
集成電子駐車(chē)系統(tǒng)（可選）。






六、集成化電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)面臨的挑戰(zhàn)
6.1 驅(qū)動(dòng)電機(jī)面臨的挑戰(zhàn)
高端純電動(dòng)汽車(chē)EDU的性能數(shù)據(jù)


電機(jī)：
通過(guò)定子槽對(duì)繞組進(jìn)行直接油冷、干式轉(zhuǎn)子、無(wú)氣隙
電機(jī)和逆變器使用一個(gè)冷卻回路
變速箱由電機(jī)側(cè)直接冷卻


電機(jī)高轉(zhuǎn)速設(shè)計(jì)，以BYD秦EV，120kW電機(jī)為例，轉(zhuǎn)速由14000rpm提升到20000rpm：
體積減小24%
重量減小26.5%
成本降低26%



驅(qū)動(dòng)電機(jī)面臨的挑戰(zhàn)：
Mechanical rotor strength due to high centrifugal forces 因高離心力導(dǎo)致的機(jī)械轉(zhuǎn)子強(qiáng)度問(wèn)題
Bearing technology 軸承技術(shù)
Iron losses, eddy currents 鐵損失，渦流
Current displacement & skin 電流位移和趨膚效應(yīng)
Power drop at max speed 最高轉(zhuǎn)速時(shí)的功率下降
驅(qū)動(dòng)電機(jī)系列化及性能要求




6.2 逆變器面臨的挑戰(zhàn)
SiC碳化硅：Wide Band Gap寬禁帶


有關(guān)高體積率密度方面，目前量產(chǎn)的車(chē)輛控制器達(dá)到18KW/L,最新研發(fā)的雙面水冷硅基IGBT樣機(jī)控制器功率體積密度可達(dá)35KW/L，新一代SiC基控制器功率密度可達(dá)到45KW/L，而且技術(shù)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)。電機(jī)控制器的效率最高可以達(dá)到98%以上，驅(qū)動(dòng)總成系統(tǒng)的綜合效率可達(dá)88%。
逆變器技術(shù)發(fā)展方向：
① HIGH OPERATION TEMPERATURE高工作溫度
② higher power-density 高功率密度
③ LOWER SWITCHING LOSSES開(kāi)關(guān)損耗更低
④ Reduction of DC-link capacitor減少DC-link電容器
⑤ Reduction of EMC-filter structure減少EMC濾波器結(jié)構(gòu)
⑥ SMALLER DIE-SIZE芯片尺寸更小
⑦ size reduction of module模塊尺寸減小


6.3 變速器


七、總結(jié)
7.1 電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)向電機(jī)+控制器+減速器集成化方向發(fā)展，集成化對(duì)整車(chē)廠來(lái)說(shuō)很方便，很容易選到合適的電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，特別是售后方面，一旦出了什么問(wèn)題，直接找到總成廠家，減少管理和溝通層級(jí)，提高工作效率。
7.2 電機(jī)繞組向扁銅線、功率模塊向雙面水冷、碳化硅和氮化鎵方向發(fā)展，通過(guò)優(yōu)化散熱設(shè)計(jì)可以提升輸出能力，節(jié)約了芯片用量，相當(dāng)于成本降低?，F(xiàn)在有好幾家國(guó)際公司走雙面水冷的方案，幾個(gè)功率模塊系統(tǒng)集成在一起會(huì)非常方便設(shè)計(jì)，體積會(huì)更小。在去年設(shè)計(jì)一款碳化硅的產(chǎn)品，通過(guò)仿真和實(shí)車(chē)工況測(cè)試，續(xù)航里程提升了8%。
7.3 五高一低：高轉(zhuǎn)速、高電壓、高集成、高性能、高品質(zhì)、低成本。
高轉(zhuǎn)速也是提高性能的方向
高電壓方面目前已經(jīng)能夠做到700V平臺(tái)電壓，高電壓受制于充電，現(xiàn)在充電樁電壓比較低，一般充電樁是200到500V，大巴的充電柜可以達(dá)到500-750V，未來(lái)提升整車(chē)性能、續(xù)駛里程和提升充電速度一定要把高電壓做上去，最近歐洲車(chē)廠做到了800V平臺(tái)電壓，采用新的封裝SKIN 1200V模塊技術(shù)可以用到上限在920V，一些國(guó)際大廠確實(shí)規(guī)劃2020年最高電壓做到920V。
關(guān)于集成，早幾年產(chǎn)品不敢去集成，因?yàn)榧夹g(shù)不成熟，現(xiàn)在技術(shù)成熟了，現(xiàn)在可以做高度集成化。
集成后性能也要提升，整個(gè)品質(zhì)也需要提高。
前面的這些方法都是為了降低成本、提高性能，提高性?xún)r(jià)比。
系統(tǒng)設(shè)計(jì)架構(gòu)和功能安全向ISO26262標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展，軟件架構(gòu)向AUTOSAR標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范發(fā)展。
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