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滿(mǎn)足NVH和效率及功率密度要求的電動(dòng)車(chē)橋

2020-05-20 22:40:03·  來(lái)源：汽車(chē)與新動(dòng)力  
　
考慮到當(dāng)前汽車(chē)動(dòng)力總成系統(tǒng)的電氣化進(jìn)程，對(duì)車(chē)橋提出了全新的技術(shù)要求。在進(jìn)一步開(kāi)發(fā)電動(dòng)車(chē)橋時(shí)，法雷奧-西門(mén)子電動(dòng)車(chē)公司推出了可對(duì)變流器、發(fā)動(dòng)機(jī)和變速器等
考慮到當(dāng)前汽車(chē)動(dòng)力總成系統(tǒng)的電氣化進(jìn)程，對(duì)車(chē)橋提出了全新的技術(shù)要求。在進(jìn)一步開(kāi)發(fā)電動(dòng)車(chē)橋時(shí)，法雷奧-西門(mén)子電動(dòng)車(chē)公司推出了可對(duì)變流器、發(fā)動(dòng)機(jī)和變速器等子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)機(jī)械、電氣和功能集成的電動(dòng)車(chē)橋，并能滿(mǎn)足噪聲-振動(dòng)-平順性（NVH）、效率以及功率密度等方面的要求。
                    
1 產(chǎn)品要求及其生產(chǎn)業(yè)務(wù)的調(diào)整
 
根據(jù)研究人員的預(yù)測(cè)，在近10年間，約有25%以上的新車(chē)型將裝備電驅(qū)動(dòng)裝置，其中一半是純電動(dòng)汽車(chē)或燃料電池汽車(chē)。
汽車(chē)制造商為了使其品牌車(chē)型具有較高的市場(chǎng)份額，必須開(kāi)發(fā)滿(mǎn)足所有功率等級(jí)需求的電驅(qū)動(dòng)方案，因此其應(yīng)用車(chē)型范圍包括最小的純電動(dòng)汽車(chē)、銷(xiāo)售量不斷增長(zhǎng)的混合動(dòng)力汽車(chē)以及高級(jí)跑車(chē)。對(duì)于像法雷奧-西門(mén)子電動(dòng)車(chē)公司等具有較高技術(shù)水平的整車(chē)驅(qū)動(dòng)裝置供應(yīng)商而言，則必須要采用可縮放的高級(jí)開(kāi)發(fā)平臺(tái)以及具有合理結(jié)構(gòu)空間的模塊化解決方案，以便能使其適用于采用不同布局方式的汽車(chē)底盤(pán)和電路系統(tǒng)。
在進(jìn)行由變流器、發(fā)動(dòng)機(jī)和變速器等子系統(tǒng)組成的電動(dòng)車(chē)橋（圖1）的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)程時(shí)，研究人員必須有針對(duì)性地利用基于動(dòng)力總成系統(tǒng)電氣化進(jìn)程而提出的新要求和自由度。由于車(chē)輛結(jié)構(gòu)新穎，須充分利用結(jié)構(gòu)空間，只有通過(guò)3個(gè)子系統(tǒng)的高度系統(tǒng)集成才能達(dá)到該目標(biāo)，其在機(jī)械、電氣和功能接口等方面可提供顯著的優(yōu)化潛力 。
 
圖1 由換流器、發(fā)動(dòng)機(jī)和變速器等子系統(tǒng)組成的電動(dòng)車(chē)橋
對(duì)于裝備電驅(qū)動(dòng)裝置的車(chē)輛而言，使續(xù)航里程最大化是其開(kāi)發(fā)的重點(diǎn)，因此產(chǎn)品性能除了具有較高的功率密度以及對(duì)電動(dòng)車(chē)橋系統(tǒng)效率提出的較高要求之外，例如減輕動(dòng)力總成系統(tǒng)質(zhì)量以降低行駛阻力也有著重要意義。這些性能必須在滿(mǎn)足對(duì)電磁兼容性（EMV）、功能安全性和噪聲-振動(dòng)-平順性（NVH）等要求的同時(shí)予以同步優(yōu)化，但由此往往會(huì)產(chǎn)生技術(shù)爭(zhēng)議，從而要求對(duì)子系統(tǒng)及其接口進(jìn)行全面的考慮，這些對(duì)開(kāi)發(fā)電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)提出的最重要的要求可分成6個(gè)基本標(biāo)準(zhǔn)，如圖2所示。
 
圖2 電驅(qū)動(dòng)力總成系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本標(biāo)準(zhǔn)
                     
2 電動(dòng)車(chē)橋的系統(tǒng)設(shè)計(jì)
 
在低功率等級(jí)中，研究人員通常選擇三相結(jié)構(gòu)，以便使最大功率達(dá)到75～170 kW。無(wú)論是變流器功率模塊中的半導(dǎo)體數(shù)量以及由此帶來(lái)的電流承載能力對(duì)于可縮放性都是至關(guān)重要的。同時(shí)，研究人員應(yīng)對(duì)冷卻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，使其在最小的流通阻力下可實(shí)現(xiàn)最大的散熱量。
電機(jī)能通過(guò)其有效長(zhǎng)度和定子中繞組的數(shù)量實(shí)現(xiàn)可縮放性，以便能按照所需的扭矩以確定電機(jī)的尺寸。
此外，最新一代的電機(jī)是按高轉(zhuǎn)速方案而設(shè)計(jì)的，其轉(zhuǎn)速可高達(dá)18 000 r/min。為了能將電機(jī)參數(shù)與車(chē)輪轉(zhuǎn)速和所需的扭矩相匹配，法雷奧-西門(mén)子電動(dòng)汽車(chē)公司為最新的變速器選用了9～11的固定傳動(dòng)比，并在成本和效率等方面有著顯著優(yōu)勢(shì)。為了能通過(guò)提高生產(chǎn)數(shù)量以降低成本，平臺(tái)所采用的策略目標(biāo)是在寬廣的功率范圍中將殼體件、軸承、轉(zhuǎn)軸和冷卻通道結(jié)構(gòu)等機(jī)械零部件以及板材截面均作為通用件而實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一利用。盡管只有功率模塊和繞組等部件可實(shí)現(xiàn)尺寸的縮放，但是同時(shí)研究人員也應(yīng)避免個(gè)別零部件尺寸過(guò)大。因此，研究人員在設(shè)計(jì)過(guò)程中需要注意，那些在高功率范圍也有著較高機(jī)械強(qiáng)度要求的構(gòu)件（例如齒輪傳動(dòng)級(jí)）在使用時(shí)應(yīng)統(tǒng)一幾何尺寸，由此可通過(guò)高強(qiáng)度材料或相應(yīng)的材料處理工藝以實(shí)現(xiàn)強(qiáng)化。
                      
3 電動(dòng)驅(qū)動(dòng)單元
 
為了在400 V汽車(chē)電路情況下實(shí)現(xiàn)設(shè)備供應(yīng)商（OEM）所提出的高功率需求，系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)定將6相驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)布局作為唯一的目標(biāo)導(dǎo)向方案，從而能實(shí)現(xiàn)高達(dá)300 kW的最大功率。6相變流器-電機(jī)的結(jié)構(gòu)布置示于圖3。
 
圖3 400 V-6相系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)布置
2臺(tái)分別具有2個(gè)獨(dú)立三相繞組系統(tǒng)的電機(jī)由功率半導(dǎo)體器件進(jìn)行控制，并布設(shè)于同一個(gè)殼體單元的同一根軸上。正如圖3所示，功率半導(dǎo)體器件可使用具有整體式門(mén)電路電極的硅雙極晶體管（IGBT），或使用通過(guò)門(mén)電路控制的硅碳化物場(chǎng)效應(yīng)晶體管。另外，2個(gè)繞組系統(tǒng)彼此均按照規(guī)定的角度實(shí)現(xiàn)安裝。通過(guò)對(duì)繞組系統(tǒng)的置換控制，除了減小電機(jī)的電流波動(dòng)和取消功率模塊的并聯(lián)布置方式之外，還能有效提升其效率和功率密度。研究人員通過(guò)選擇合理的結(jié)構(gòu)布置方式，就能調(diào)整中間電路電容器的大小，再與相應(yīng)的調(diào)節(jié)策略和模塊化策略相配合就能使這種變流器的尺寸減小約30%，從而減輕了系統(tǒng)質(zhì)量和結(jié)構(gòu)空間，并相應(yīng)降低了成本。
圖4示出了電驅(qū)動(dòng)單元的結(jié)構(gòu)分解圖，并將在下文中予以介紹。能量流從蓄電池經(jīng)過(guò)高電壓插頭（1）被導(dǎo)入變流器（2），直流接觸軌（3）通過(guò)電磁兼容性（EMV）濾波器（4）傳輸電流，以保證其他電控單元的電磁兼容性。液體冷卻的整流盒（7）由功率模塊（5）和中間電路電容器（6）組成，并被集成在一個(gè)壓鑄鋁殼體（8）中。車(chē)輛的低電壓接頭（9）位于1個(gè)匯總電控單元（10）上，并且半導(dǎo)體器件由1個(gè)同樣的匯總驅(qū)動(dòng)單元（11）控制。通過(guò)交流電流進(jìn)行測(cè)量（12）后，接線(xiàn)盒（13）中的電流接觸軌與6相電機(jī)連接（14）。另外，轉(zhuǎn)子位置傳感器（16）的信號(hào)經(jīng)過(guò)低電壓接頭（15）傳送，繞組頭部（17）中的電機(jī)溫度傳感器控制分開(kāi)的繞組。盡管采用了這種整體式結(jié)構(gòu)型式，但由此可實(shí)現(xiàn)接口功能分開(kāi)，并且有望在車(chē)輛使用周期內(nèi)更換功率電子器件。
 
（a）
 
（b）
 
（c）
圖4 可縮放的模塊化6相系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分解圖
由于研究人員對(duì)扭矩密度、靈活性和效率提出了較高的要求，因而選用了永磁式同步電機(jī)。這種電機(jī)具有轉(zhuǎn)子內(nèi)冷卻系統(tǒng)（18），因此即使在持續(xù)運(yùn)作的情況下，該類(lèi)同步電機(jī)仍能保持較為穩(wěn)定的熱狀態(tài)，同時(shí)在其連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)具有良好的效率。
定子（19）的冷卻過(guò)程是通過(guò)在過(guò)載電流與徑向環(huán)流之間設(shè)定1個(gè)最佳值來(lái)實(shí)現(xiàn)的，一方面通過(guò)該方式將電機(jī)調(diào)節(jié)到最好的熱狀況，另一方面使動(dòng)力總成冷卻系統(tǒng)中的壓降保持在較低的狀態(tài)，以此減少了對(duì)車(chē)載水泵的功率需求。
電機(jī)與變速器共用1個(gè)中央軸承端蓋（20），這樣顯著優(yōu)化了系統(tǒng)質(zhì)量和功率密度，該2項(xiàng)數(shù)值明顯優(yōu)于同類(lèi)產(chǎn)品。
研究人員通過(guò)采用兩級(jí)圓柱斜齒輪傳動(dòng)（21）實(shí)現(xiàn)了固定的傳動(dòng)比，另外差速器（22）集成在緊湊的變速器殼體中。停車(chē)止動(dòng)器執(zhí)行機(jī)構(gòu)通過(guò)變速器輸入軸（23）旁的1個(gè)手柄起作用，并且通過(guò)變流器來(lái)進(jìn)行控制。
研究人員通過(guò)采用水-乙二醇作為冷卻液的高效冷卻系統(tǒng)（25），并對(duì)較低的壓力損失進(jìn)行了優(yōu)化，由此串聯(lián)冷卻變流器、電機(jī)和變速器。
本文所介紹的方案可使30 s內(nèi)的峰值功率達(dá)到300 kW（a），傳遞至車(chē)輪的最大扭矩能達(dá)到5 700 N·m（b），持續(xù)扭矩為2 600 N·m（c），持續(xù)功率為120 kW（d）。在最低中間電路電壓為325 V的情況下，電機(jī)運(yùn)行時(shí)的轉(zhuǎn)速-扭矩特性曲線(xiàn)包括所選擇的拐點(diǎn)都如圖5所示。
 
圖5 300 kW方案的轉(zhuǎn)速-扭矩特性曲線(xiàn)場(chǎng)
                  
4 NVH和效率的優(yōu)化潛力
 
除了功率密度和效率之外，電驅(qū)動(dòng)裝置的噪聲特性也是最重要的參數(shù)之一，因此驅(qū)動(dòng)裝置應(yīng)具有盡可能好的靜音性，這對(duì)于產(chǎn)品開(kāi)發(fā)而言就意味著必須降低電機(jī)與變速器的激勵(lì)頻率。電機(jī)的結(jié)構(gòu)必須在功能和機(jī)械方面與變速器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行整體考慮，以便在結(jié)構(gòu)上達(dá)到最佳的設(shè)計(jì)方案，在早期開(kāi)發(fā)階段就對(duì)模擬工具進(jìn)行合理應(yīng)用是成功的關(guān)鍵，同時(shí)可采用如下措施：增強(qiáng)易產(chǎn)生噪聲的零件的剛度、實(shí)現(xiàn)變速器的微觀嚙合，調(diào)整電機(jī)齒輪螺旋角的匹配方式以及電機(jī)轉(zhuǎn)子的電磁設(shè)計(jì)方案等。法雷奧-西門(mén)子電動(dòng)車(chē)公司的NVH開(kāi)發(fā)過(guò)程示于圖6。
 
圖6 NVH優(yōu)化系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)方法
最后，在系統(tǒng)整個(gè)運(yùn)行范圍內(nèi)開(kāi)關(guān)頻率的變動(dòng)和調(diào)制方法的變化也是目標(biāo)導(dǎo)向措施，以便優(yōu)化整個(gè)系統(tǒng)的聲學(xué)性能。提高開(kāi)關(guān)頻率不僅能減小電流的波動(dòng)，而且也能減小扭矩的波動(dòng)，從而改善NVH特性，并同時(shí)提高電機(jī)的效率，但是過(guò)大地提高脈寬調(diào)制（PWM）頻率會(huì)導(dǎo)致過(guò)大比例的變流器損失和總傳動(dòng)損失，因此在系統(tǒng)層面上，NVH與效率之間存在著1個(gè)最佳狀況，并且與部分文獻(xiàn)中所述的情況不同，這兩方面的性能并非必然會(huì)使彼此之間存在矛盾。
作者：[德] A.HÖFER等
整理：范明強(qiáng)  
編輯：伍賽特
 
 
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