一、概述

第五代BMW eDrive電力驅(qū)動(dòng)單元將電動(dòng)機(jī)、逆變器及變速器融為一體，在保證性能的同時(shí)大幅降低重量并減少所需的安裝空間。第五代電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)（2020年上市的iX3開始搭載）還將用于iX系列車型。

這套系統(tǒng)使用了電流勵(lì)磁同步電機(jī)，可以通過控制電流精確調(diào)整電磁力，因此在滿載（高轉(zhuǎn)速）和部分負(fù)載（低轉(zhuǎn)速）時(shí)均能保持平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)。與永磁同步驅(qū)動(dòng)電機(jī)（PMSM）不同，無(wú)需使用磁鐵和稀土材料，可降低采購(gòu)風(fēng)險(xiǎn)和成本。

1.1電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)主要技術(shù)特點(diǎn)

搭載BMW iX3的第五代電驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品是目前電驅(qū)行業(yè)內(nèi)設(shè)計(jì)集成化、緊湊化、設(shè)計(jì)理念較為優(yōu)秀的一款產(chǎn)品，主要體現(xiàn)在如下幾個(gè)方面：

1）降噪方面：整體采用聲學(xué)包裹方案，降低電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)噪聲；箱體外部設(shè)計(jì)有聲學(xué)錨點(diǎn)，便于安裝；

2）集成化方面：動(dòng)力源（驅(qū)動(dòng)電機(jī)）、減速器、逆變器為整體集成化設(shè)計(jì)方案；

3）緊湊化方面：為降低零件的使用數(shù)量與結(jié)構(gòu)類型，采用緊湊化、集成式潤(rùn)滑方案；

4）輕量化方面：潤(rùn)滑模塊采用工程塑料，緊固件采用鋁制螺栓，極大降低電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的重量。

1.2 整體外觀

1）電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)多側(cè)面采用聲學(xué)包裹，聲學(xué)包裹采用“熱壓纖維板+PU發(fā)泡技術(shù)；

2）MCU控制器采用沉入式方案進(jìn)行安裝；

3）動(dòng)力電池電纜接口從電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)底部進(jìn)入；

4）采用四懸置點(diǎn)進(jìn)行布置、三點(diǎn)式吊耳；

5）采用將驅(qū)動(dòng)電機(jī)、減速器、逆變器融合在一起的深度集成式三合一總成的形式；

6）采用同步電機(jī)、扁線發(fā)卡定子、勵(lì)磁轉(zhuǎn)子技術(shù)；

7）電機(jī)控制器和電機(jī)定子采用水冷；如圖1、圖2、表1所示。

圖1 寶馬第五代電驅(qū)系統(tǒng)軸測(cè)圖

圖2 電驅(qū)系統(tǒng)軸側(cè)布局圖

表1 第五代電驅(qū)系統(tǒng)參數(shù)

二、驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)

驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)采用他勵(lì)結(jié)構(gòu)，勵(lì)磁電流恒定，碳刷總成為三點(diǎn)螺栓固定，可維修性強(qiáng)，但因碳刷為接觸式方案，長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)轉(zhuǎn)會(huì)因磨損，產(chǎn)生較多粉塵；工作時(shí)極易產(chǎn)生電火花（往往會(huì)增加滅弧裝置），電磁干擾大。

該技術(shù)方案作為有刷驅(qū)動(dòng)電機(jī)的一種變型，采用的是電刷與集電環(huán)進(jìn)行接觸，工作狀態(tài)易產(chǎn)生電火花，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，啟動(dòng)響應(yīng)性強(qiáng)，起動(dòng)扭矩大，變速平穩(wěn)，NVH好。如圖3所示。

圖3 勵(lì)磁結(jié)構(gòu)實(shí)物示意圖

勵(lì)磁繞組代替永磁體，避免了高轉(zhuǎn)速反電動(dòng)勢(shì)，有利于電機(jī)高速恒扭矩的實(shí)現(xiàn)；可通過定子繞組主動(dòng)放電，放電速度快，沒有永磁體，不會(huì)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)造成車體抖動(dòng)。

定子與三相電銅排為一體化設(shè)計(jì)，定子繞組為發(fā)卡式扁線結(jié)構(gòu)，共54槽數(shù)；定子與驅(qū)動(dòng)電機(jī)殼體為熱壓過盈裝配。轉(zhuǎn)子的磁極猜測(cè)為6極，直流勵(lì)磁，無(wú)磁鋼；轉(zhuǎn)子硅鋼片表面未見明顯輔助槽設(shè)計(jì)。驅(qū)動(dòng)電機(jī)殼體集成水套，壁厚17mm左右。

圖4 驅(qū)動(dòng)電機(jī)定子和轉(zhuǎn)子實(shí)物示意圖

勵(lì)磁結(jié)構(gòu)中含電刷結(jié)構(gòu)，為了避免碳粉磨損下的雜質(zhì)影響驅(qū)動(dòng)電機(jī)性能，將主殼體的軸承為密封式結(jié)構(gòu)，防止雜質(zhì)外泄。如圖5所示。

圖5 密封結(jié)構(gòu)示意圖

圖6 位置傳感器實(shí)物圖

位置傳感器不是旋變傳感器，采用類似記錄旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)電機(jī)角度值式傳感器、12PIN、線排簡(jiǎn)潔，布線短。如圖6所示。

三、減速器

BMW ix3電驅(qū)減速器采用“經(jīng)典平行軸”布局，可實(shí)現(xiàn)軸向的最短尺寸，輸入軸采用深溝球軸承進(jìn)行支撐，中間軸與差速器采用錐軸承進(jìn)行支撐。如圖7所示。

圖7 減速機(jī)構(gòu)示意圖

輸入軸采用3軸承進(jìn)行布置，一是減少軸承使用數(shù)量的同時(shí)降低了軸向長(zhǎng)度；二是減少軸承用量，降低摩擦損失，但此類型結(jié)構(gòu)需要提高系統(tǒng)裝配定位精度，以防止驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)子軸與輸入軸外花鍵的接觸。如圖8所示。

圖8 輸入軸三軸承布局示意圖

圖9 接觸式電刷示意圖

為消除軸電流對(duì)支撐軸承的影響，第五代電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)采用接觸式電刷來(lái)實(shí)現(xiàn)，布置在中間軸軸承與殼體之間。如圖9所示。

此電驅(qū)的一級(jí)減速?gòu)膭?dòng)齒輪與中間軸，并非采用花鍵配合，而是采用圓柱面壓裝后焊接進(jìn)行扭矩傳遞，此種設(shè)計(jì)涉及較多的影響因素，比如兩個(gè)零件的粗糙度、結(jié)合長(zhǎng)度等等，目前此種方案設(shè)計(jì)存在一定可靠性風(fēng)險(xiǎn)，在國(guó)內(nèi)尚未進(jìn)行應(yīng)用。如圖10所示。

圖10 一級(jí)減速結(jié)構(gòu)配合示意圖

四、預(yù)緊式差速器系統(tǒng)

采用“零間隙”差速器系統(tǒng)，半軸齒輪采用雙墊片。通過半軸齒輪止推墊圈之間的錐形彈簧提供預(yù)緊力，以提升直線行駛穩(wěn)定和轉(zhuǎn)向穩(wěn)定性，無(wú)需進(jìn)行墊片的選取。如圖11、圖12所示。

行星齒輪與行星齒輪軸采用磷化處理，減小摩擦損失，同時(shí)行星齒輪軸與差速器殼體采用“C型卡簧”可實(shí)現(xiàn)其不可拆卸的功能。

差速器殼體與差速器齒圈采用“圓周激光焊接”進(jìn)行，保證輕量化的前提下，實(shí)現(xiàn)了強(qiáng)度提升。寶馬第五代的差速器殼體采用是外殼機(jī)加方案，這與BMW i3的差速器殼體加工工藝基本相似，有助于提高其零件在高速回轉(zhuǎn)工況下的運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定性。

圖11 預(yù)緊式差速器結(jié)構(gòu)示意圖

圖12 差速器實(shí)物示意圖

五、電機(jī)控制器

如圖13所示，電容與IGBT中間設(shè)計(jì)有冷卻水道與導(dǎo)電硅脂，為進(jìn)一步降低IGBT的結(jié)晶溫度，驅(qū)動(dòng)電機(jī)三相線與MCU控制器的連接方式。

技術(shù)特點(diǎn)歸納如下：

1）IGBT模塊背面直接通冷卻水散熱，自身大電流能力1200A，驅(qū)動(dòng)功率大，定制件。IGBT模塊與母線電容背靠背接觸，共用水冷散熱，散熱好的母線電容壽命長(zhǎng)。1PCB與IGBT模塊彈性連接，可分離，有利于維修更換IGBT模塊，但I(xiàn)GBT管腳裝配有一定的插歪風(fēng)險(xiǎn)。

2）高壓輸入、輸出端子傳導(dǎo)殼體散熱，有利于降低MCU內(nèi)部溫升。高壓輸入濾波模塊、勵(lì)磁濾波供電，安規(guī)電容，有利于MCU整機(jī)的EMC表現(xiàn)及安全，但成本高。

3）單片機(jī)+FPGA組合控制，有利于并行執(zhí)行、迅速響應(yīng)，執(zhí)行效率高，但成本高。設(shè)計(jì)DC-DC高壓轉(zhuǎn)低壓，輔助供電控制電路，增加了低壓供電可靠性，但成本高。

4）轉(zhuǎn)子有刷連接，理論可靠性較低，且占用旋變安裝位置，只能采用體積小的非旋變位置傳感器。勵(lì)磁同步電機(jī)增加了勵(lì)磁繞組控制，增加了MCU開發(fā)調(diào)試難度。

5）為了充分利用三合一驅(qū)動(dòng)軸以上的所有空間，MCU高壓端子等異形件需要定制開發(fā)，難度較大。在MCU上方設(shè)計(jì)有一塊阻尼板，降低MCU輻射噪聲。

圖13 MCU結(jié)構(gòu)示意圖

表2 電驅(qū)MCU硬件-主要電子元器件

圖14 電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)邏輯框圖

六、機(jī)電駐車系統(tǒng)

第五代電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)采用較為常規(guī)方案，可以認(rèn)為是短小而精悍的杰出代表。駐車齒輪布置在輸入軸，采用壓裝配合，駐車執(zhí)行器依然采用Dura公司方案，目前所用方案為第三代產(chǎn)品技術(shù)，內(nèi)部設(shè)計(jì)有轉(zhuǎn)角傳感器，可以監(jiān)控駐車軸旋轉(zhuǎn)角度值，并輸出相應(yīng)的信號(hào)。如圖15所示。

圖15 機(jī)電駐車系統(tǒng)方案示意圖

七、潤(rùn)滑和冷卻系統(tǒng)

寶馬第五代電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的潤(rùn)滑系統(tǒng)相比其他OEM的電驅(qū)系統(tǒng)屬于高水平方案，而混合冷卻方案是目前大多數(shù)電驅(qū)動(dòng)企業(yè)追求的目標(biāo)。如圖16所示。

該電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的冷卻部分主要是驅(qū)動(dòng)電機(jī)定子和轉(zhuǎn)子及減速器的部分軸承與齒輪等等。其中，驅(qū)動(dòng)電機(jī)定子采用外側(cè)水冷，內(nèi)側(cè)飛濺甩油冷卻，定子和殼體過盈壓裝；轉(zhuǎn)子部分采用空心軸通油冷卻，定子內(nèi)圈淋下的油液也可以對(duì)轉(zhuǎn)子起到冷卻作用。如圖17、圖18所示。

此設(shè)計(jì)方案的優(yōu)點(diǎn)是：水冷技術(shù)方案可有效降低定子繞組中部的溫度范圍；轉(zhuǎn)子軸端部甩油可兼顧繞組兩端降溫；復(fù)合冷卻方案整體散熱效果更佳，冷卻效果更適用可靠。如圖19所示。缺點(diǎn)：軸向式水套流阻相對(duì)較大，流道數(shù)目需在散熱效率和流阻之間平衡；甩油高速容易霧化，散熱能力反而變差。

控制器冷卻采用的是水冷，IGBT &電容集成在一起，內(nèi)嵌水套。如圖20所示。

對(duì)于減速器中的部分零件布置位置較高時(shí)，攪油潤(rùn)滑可能無(wú)法滿足使用需求，增加了噴油口供壓力油主動(dòng)潤(rùn)滑。如圖21所示。輸入軸和中間軸齒輪嚙合位置機(jī)加工了噴油口，輸出軸軸承通過殼體預(yù)鑄的油道進(jìn)油潤(rùn)滑。

潤(rùn)滑系統(tǒng)的潤(rùn)滑回路：由機(jī)油管理模塊中的電子油泵工作（圖23），將油底殼中的油液經(jīng)機(jī)濾-油冷器進(jìn)行冷卻（油冷器的水是由車輛中的循環(huán)水進(jìn)行冷卻），將油液通過機(jī)油管理模塊的出口進(jìn)入減速器蓋的油道，經(jīng)減速器輸入軸-電機(jī)轉(zhuǎn)子軸（通過電機(jī)轉(zhuǎn)子軸的油孔進(jìn)行甩油冷卻），經(jīng)過主殼體的回油孔，回流到油底殼內(nèi)部。

圖16 潤(rùn)滑系統(tǒng)流程示意圖

圖17 驅(qū)動(dòng)電機(jī)定子冷卻水道示意圖

圖18 驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)子油孔示意圖

圖19 油道冷卻回路示意圖

圖20 驅(qū)動(dòng)電機(jī)定子潤(rùn)滑水道示意圖

圖21 殼體潤(rùn)滑油孔示意圖

圖22 MCU安裝位&MCU潤(rùn)滑油孔示意圖

八、機(jī)油管理模塊

如圖23、圖24所示，該技術(shù)方案為馬勒公司的最新一代機(jī)油管理模塊系統(tǒng)，將電子油泵、吸濾器、油冷器、油底殼等三個(gè)零件集成在一起，集成化程度雖然一般，但從整體搭載性及布置性考慮，已經(jīng)形成單一模塊方案，后續(xù)值得大規(guī)模推廣和應(yīng)用。

優(yōu)勢(shì)：可減少油液的含氣量，降低輻射，提升油泵性能（更少穴蝕）；重量和空間優(yōu)化；集成度高，減少驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和車輛的接口數(shù)量和成本；縱覽整個(gè)油路系統(tǒng)，優(yōu)化熱管理性能。劣勢(shì)：成本相對(duì)會(huì)較高。

圖23 機(jī)油管理模塊系統(tǒng)示意圖

圖24 機(jī)油管理模塊系統(tǒng)流量示意圖

九、總結(jié)

通過拆解電驅(qū)系統(tǒng)，從中獲益良多，該電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)作為一個(gè)真正意義上的集成三合一產(chǎn)品，不管是從集成度、裝配性、維修便利性等多維度考慮，都是以模塊化設(shè)計(jì)、模塊與模塊件僅以單一的界面進(jìn)行匹配，沒有過多苛刻的技術(shù)要求，可靠性非常優(yōu)秀且耐用。

9.1 集成化和模塊化

該技術(shù)方案由單一的機(jī)油管理模塊、MCU、主殼體、軸齒、駐車機(jī)構(gòu)等幾部分組成，模塊接口匹配以成熟度較高的O型圈構(gòu)成，技術(shù)開發(fā)風(fēng)險(xiǎn)小。

9.2 輕量化

為降低電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的重量，該技術(shù)方案將機(jī)油管理模塊的外殼設(shè)計(jì)為塑料外殼、緊固螺栓均采用鋁制螺栓（部分非功能性螺栓采用塑料材質(zhì)，例如放油螺塞），極大降低了電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的重量，同時(shí)也對(duì)防銹做出了貢獻(xiàn)。

9.3 NVH設(shè)計(jì)

從整車層面考慮，為進(jìn)一步解決硬件無(wú)法降低軸齒噪聲分貝值的影響問題，寶馬采用360°無(wú)死角的聲學(xué)包裹，NVH水平達(dá)到了達(dá)到行業(yè)的上等水平，也為后續(xù)類似項(xiàng)目提供了經(jīng)驗(yàn)積累。因其外周的聲學(xué)包裹，也為整箱防銹提供了幫助。