廣告
三合一電驅(qū)系統(tǒng)的集成化設(shè)計
2021-12-17 20:40:06· 來源：驅(qū)動視界
一、三合一集成電驅(qū)概述1.1電驅(qū)動載荷特點給產(chǎn)品強度、耐久性帶來更大的挑戰(zhàn)相比于傳統(tǒng)車輛，電動車輛擋位少，載荷更集中；城市上下班通勤等應(yīng)用場景導(dǎo)致低速擋
一、三合一集成電驅(qū)概述
1.1電驅(qū)動載荷特點給產(chǎn)品強度、耐久性帶來更大的挑戰(zhàn)
相比于傳統(tǒng)車輛，電動車輛擋位少，載荷更集中；城市上下班通勤等應(yīng)用場景導(dǎo)致低速擋位載荷更加集中；
頻繁的能量回收，使新能源車反拖扭矩明顯大于傳統(tǒng)車，交變載荷工況更加惡劣，更容易帶來耐久性問題；
同一擋位上載荷跨度大，給平衡不同載荷下NVH性能帶來困難；
同一擋位上工作轉(zhuǎn)速區(qū)間跨度大，尤其高速運行時對軸承、油封及潤滑帶來更大的挑戰(zhàn)。
1.2 電驅(qū)動力總成概念的多樣性
1.3 技術(shù)發(fā)展趨勢
1.4 電驅(qū)動總成的代際劃分
第一代：分立式高壓模塊獨立布置
第二代：4+2
高壓電控四合一+電動總成二合一
第三代：3+3
充配電三合一+動力總成三合一
傳統(tǒng)分立部件：整車高低壓線束、接插件、管路和箱體結(jié)構(gòu)等錯綜復(fù)雜
“3+3” 結(jié)構(gòu)：減少整車線束、接插件，管路和箱體，結(jié)構(gòu)緊湊，布置便利
1.5 電驅(qū)動組件的集成級別
1.6 三合一電驅(qū)系統(tǒng)的開發(fā)
1.7 國際主流電驅(qū)動供應(yīng)商技術(shù)路線
近五年，國際主流動力系統(tǒng)供應(yīng)商投放的純電驅(qū)動總成產(chǎn)品中，一體化總成（三合一）占比達87% 。
二、三合一電驅(qū)系統(tǒng)優(yōu)劣勢分析
2.1 概述
平臺化：根據(jù)不同噸位、功率和扭矩以及不同級別車型，劃分不同的系列化平臺產(chǎn)品
高效率：驅(qū)動系統(tǒng)的NEDC綜合效率可達88%，最高效率超過92%
高集成：總成體積降低30%,功率密度達到1.9kw/kg
高轉(zhuǎn)速：最高轉(zhuǎn)速14000rpm
低噪音：總成近場噪聲不超過90dB
NVH性能：通過控制齒輪嚙合精度等保證NVH性能
動力性：滿足A00、A0、A、B等級別汽車對動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：
① 安裝尺寸和重量較小
② 小型化，高轉(zhuǎn)速電機降低成本
③ 減少接口復(fù)雜度，提高可靠性
④ 平臺化設(shè)計，降低整車開發(fā)費用和周期
劣勢：
① 高轉(zhuǎn)速帶來的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)缺點分析
2.3 國內(nèi)外純電總成產(chǎn)品特點與差距
國內(nèi)驅(qū)動電機在功率密度等性能指標方面與國際先進水平相當。
高壓電力電子系統(tǒng)集成方面國內(nèi)外各有千秋。
在控制器功率密度、減速器最高轉(zhuǎn)速、動力傳動集成度等方面國內(nèi)與國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
系統(tǒng)深度集成設(shè)計
3.1 殼體集成設(shè)計
電機與控制器冷卻水道直接串聯(lián)連接；電機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
減速器與電機共用右端蓋，一體化箱體采用三段式；軸承浮動獨立支撐，卸載總成受力，變形小、NVH好
3.2連接件
電機、電控端子直連，取消三相線
電機、電控水道直連，取消水管
3.3 共用件
電機轉(zhuǎn)子軸和減速器輸入軸共用
電機殼體和減速器殼體共用
BYD電驅(qū)動三合一
3.4 仿真
3.5 設(shè)計及驗證流程
3.6 性能及可靠性驗證技術(shù)
可靠性及性能設(shè)計分析：
① 軸齒承載能力
② 系統(tǒng)尺寸鏈
③ 圍觀參數(shù)設(shè)計
④ 系統(tǒng)變形
⑤ 箱體強度模態(tài)
⑥ 傳遞誤差
⑦ 齒輪容差
⑧ 懸置動剛度
⑨ 駐車靜力
試驗驗證技術(shù)：
① 系統(tǒng)變形試驗
② 換氣系統(tǒng)試驗
③ 動態(tài)密封試驗
④ 溫升試驗
⑤ 高速試驗
⑥ 疲勞壽命試驗
⑦ 靜扭強度試驗
⑧ 鹽霧試驗
⑨ 潤滑驗證
⑩ 齒輪接觸斑點
NVH技術(shù)：
① 傳動設(shè)計分析
② 齒輪設(shè)計分析
③ 軸承選型設(shè)計
④ 傳動效率
⑤ NVH預(yù)測
⑥ CAE分析
⑦ 結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化
⑧ 結(jié)構(gòu)分析
⑨ 聲場仿真
⑩ 流場、溫度場仿真
? NVH試驗測試
? 變速器嘯叫噪音
? 變速器敲擊噪音
? 電機嘯叫噪音
效率提升技術(shù)：
① 結(jié)構(gòu)設(shè)計
② 軸系結(jié)構(gòu)油路
③ 齒形設(shè)計
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)計流程
CFD 正向設(shè)計
熱源分析：軸齒熱分析、電磁熱分析
散熱和潤滑：潤滑油選型分析、水道形式分析
系統(tǒng)優(yōu)化：潤滑結(jié)構(gòu)分析、散熱結(jié)構(gòu)分析
實驗校核：潤滑和散熱綜合驗證
3.8 EMC 正向設(shè)計
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
4.1 概述
三合一集成電驅(qū)系統(tǒng)當前成熟的解決方案是從電機到差速器采用傳統(tǒng)的單擋兩級減速器
多擋（通常為兩擋）變速箱已經(jīng)面世或正在開發(fā)中
成熟競品產(chǎn)品的輸入轉(zhuǎn)速都已經(jīng)達到或超過16000rpm
更高的電機轉(zhuǎn)速、輕量化、更高的效率和低成本是未來的發(fā)展趨勢
平臺化：分為小平臺、中平臺、大平臺
4.2 模塊化
產(chǎn)生規(guī)模效應(yīng)、增量降本
集中優(yōu)勢資源、打造精品
ZF經(jīng)典15ED35電驅(qū)動橋模塊
集成電驅(qū)動模塊的后橋系統(tǒng)
4.3 平臺化設(shè)計
產(chǎn)生規(guī)模效應(yīng)、增量降本；集中優(yōu)勢資源、打造精品
4.4 集成化
減少連接件、取消冗余件、開發(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，電機控制器日趨集成化，集成形式包括：
單主驅(qū)動控制器、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）
乘用車控制器（集成：主驅(qū)+DC/DC）。
70KW三合一平臺電機+電控+減速器的臺架測試實驗數(shù)據(jù)最高效率91.9%，仿真數(shù)據(jù)最高效率達到91.5%，NEDC平均效率達到87%。
五、方正電機三合一結(jié)構(gòu)設(shè)計范例
機械式里程表輸出（可選）；
電子駐車機構(gòu)（可選）；
集成整車控制單元（可選）；
集成電子駐車系統(tǒng)（可選）。
電機、減速器及控制器三合為一，高度集成化設(shè)計；
模塊組合化設(shè)計，電機、減速器與二合一模塊同平臺；
簡化電機與控制器的高壓線纜，連接器等部件；
電機軸與減速器輸入軸合為一體，減少軸承支撐；
減速器殼體與電機殼體合為一體，
電機端蓋與控制器殼體合為一體；
動力系采用平行式結(jié)構(gòu)；
采用錐齒輪結(jié)構(gòu)差速器；
機械式里程表輸出（可選）；
電子駐車機構(gòu)（可選）；
集成整車控制單元（可選）；
集成電子駐車系統(tǒng)（可選）。
六、集成化電驅(qū)動系統(tǒng)面臨的挑戰(zhàn)
6.1 驅(qū)動電機面臨的挑戰(zhàn)
高端純電動汽車EDU的性能數(shù)據(jù)
電機：
通過定子槽對繞組進行直接油冷、干式轉(zhuǎn)子、無氣隙
電機和逆變器使用一個冷卻回路
變速箱由電機側(cè)直接冷卻
電機高轉(zhuǎn)速設(shè)計，以BYD秦EV，120kW電機為例，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)動電機面臨的挑戰(zhàn)：
Mechanical rotor strength due to high centrifugal forces 因高離心力導(dǎo)致的機械轉(zhuǎn)子強度問題
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)速時的功率下降
驅(qū)動電機系列化及性能要求
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)的車輛控制器達到18KW/L,最新研發(fā)的雙面水冷硅基IGBT樣機控制器功率體積密度可達35KW/L，新一代SiC基控制器功率密度可達到45KW/L，而且技術(shù)已經(jīng)實現(xiàn)。電機控制器的效率最高可以達到98%以上，驅(qū)動總成系統(tǒng)的綜合效率可達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)動系統(tǒng)向電機+控制器+減速器集成化方向發(fā)展，集成化對整車廠來說很方便，很容易選到合適的電驅(qū)動系統(tǒng)，特別是售后方面，一旦出了什么問題，直接找到總成廠家，減少管理和溝通層級，提高工作效率。
7.2 電機繞組向扁銅線、功率模塊向雙面水冷、碳化硅和氮化鎵方向發(fā)展，通過優(yōu)化散熱設(shè)計可以提升輸出能力，節(jié)約了芯片用量，相當于成本降低?，F(xiàn)在有好幾家國際公司走雙面水冷的方案，幾個功率模塊系統(tǒng)集成在一起會非常方便設(shè)計，體積會更小。在去年設(shè)計一款碳化硅的產(chǎn)品，通過仿真和實車工況測試，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到500-750V，未來提升整車性能、續(xù)駛里程和提升充電速度一定要把高電壓做上去，最近歐洲車廠做到了800V平臺電壓，采用新的封裝SKIN 1200V模塊技術(shù)可以用到上限在920V，一些國際大廠確實規(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，因為技術(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，提高性價比。
系統(tǒng)設(shè)計架構(gòu)和功能安全向ISO26262標準發(fā)展，軟件架構(gòu)向AUTOSAR標準規(guī)范發(fā)展。
廣告 編輯推薦
最新資訊
-
“汽車爬坡試驗方法”將有國家標準
2026-03-03 12:44
-
十年耐久監(jiān)管時代：電池系統(tǒng)開發(fā)策略將如何
2026-03-03 12:44
-
聯(lián)合國法規(guī)R59對機動車備用消聲系統(tǒng)的工程
2026-03-03 12:08
-
聯(lián)合國法規(guī)R58對后下部防護裝置的工程化約
2026-03-03 12:07
-
聯(lián)合國法規(guī)R57對摩托車前照燈配光性能的工
2026-03-03 12:07
