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满足NVH和效率及功率密度要求的电动车桥
2020-05-20 22:40:03· 来源：汽车与新动力
考虑到当前汽车动力总成系统的电气化进程，对车桥提出了全新的技术要求。在进一步开发电动车桥时，法雷奥-西门子电动车公司推出了可对变流器、发动机和变速器等
考虑到当前汽车动力总成系统的电气化进程，对车桥提出了全新的技术要求。在进一步开发电动车桥时，法雷奥-西门子电动车公司推出了可对变流器、发动机和变速器等子系统实现机械、电气和功能集成的电动车桥，并能满足噪声-振动-平顺性（NVH）、效率以及功率密度等方面的要求。
1 产品要求及其生产业务的调整
根据研究人员的预测，在近10年间，约有25%以上的新车型将装备电驱动装置，其中一半是纯电动汽车或燃料电池汽车。
汽车制造商为了使其品牌车型具有较高的市场份额，必须开发满足所有功率等级需求的电驱动方案，因此其应用车型范围包括最小的纯电动汽车、销售量不断增长的混合动力汽车以及高级跑车。对于像法雷奥-西门子电动车公司等具有较高技术水平的整车驱动装置供应商而言，则必须要采用可缩放的高级开发平台以及具有合理结构空间的模块化解决方案，以便能使其适用于采用不同布局方式的汽车底盘和电路系统。
在进行由变流器、发动机和变速器等子系统组成的电动车桥（图1）的产品开发过程时，研究人员必须有针对性地利用基于动力总成系统电气化进程而提出的新要求和自由度。由于车辆结构新颖，须充分利用结构空间，只有通过3个子系统的高度系统集成才能达到该目标，其在机械、电气和功能接口等方面可提供显著的优化潜力 。
图1 由换流器、发动机和变速器等子系统组成的电动车桥
对于装备电驱动装置的车辆而言，使续航里程最大化是其开发的重点，因此产品性能除了具有较高的功率密度以及对电动车桥系统效率提出的较高要求之外，例如减轻动力总成系统质量以降低行驶阻力也有着重要意义。这些性能必须在满足对电磁兼容性（EMV）、功能安全性和噪声-振动-平顺性（NVH）等要求的同时予以同步优化，但由此往往会产生技术争议，从而要求对子系统及其接口进行全面的考虑，这些对开发电驱动系统提出的最重要的要求可分成6个基本标准，如图2所示。
图2 电驱动力总成系统设计的基本标准
2 电动车桥的系统设计
在低功率等级中，研究人员通常选择三相结构，以便使最大功率达到75～170 kW。无论是变流器功率模块中的半导体数量以及由此带来的电流承载能力对于可缩放性都是至关重要的。同时，研究人员应对冷却系统结构进行优化，使其在最小的流通阻力下可实现最大的散热量。
电机能通过其有效长度和定子中绕组的数量实现可缩放性，以便能按照所需的扭矩以确定电机的尺寸。
此外，最新一代的电机是按高转速方案而设计的，其转速可高达18 000 r/min。为了能将电机参数与车轮转速和所需的扭矩相匹配，法雷奥-西门子电动汽车公司为最新的变速器选用了9～11的固定传动比，并在成本和效率等方面有着显著优势。为了能通过提高生产数量以降低成本，平台所采用的策略目标是在宽广的功率范围中将壳体件、轴承、转轴和冷却通道结构等机械零部件以及板材截面均作为通用件而实现统一利用。尽管只有功率模块和绕组等部件可实现尺寸的缩放，但是同时研究人员也应避免个别零部件尺寸过大。因此，研究人员在设计过程中需要注意，那些在高功率范围也有着较高机械强度要求的构件（例如齿轮传动级）在使用时应统一几何尺寸，由此可通过高强度材料或相应的材料处理工艺以实现强化。
3 电动驱动单元
为了在400 V汽车电路情况下实现设备供应商（OEM）所提出的高功率需求，系统设计规定将6相驱动系统布局作为唯一的目标导向方案，从而能实现高达300 kW的最大功率。6相变流器-电机的结构布置示于图3。
图3 400 V-6相系统的结构布置
2台分别具有2个独立三相绕组系统的电机由功率半导体器件进行控制，并布设于同一个壳体单元的同一根轴上。正如图3所示，功率半导体器件可使用具有整体式门电路电极的硅双极晶体管（IGBT），或使用通过门电路控制的硅碳化物场效应晶体管。另外，2个绕组系统彼此均按照规定的角度实现安装。通过对绕组系统的置换控制，除了减小电机的电流波动和取消功率模块的并联布置方式之外，还能有效提升其效率和功率密度。研究人员通过选择合理的结构布置方式，就能调整中间电路电容器的大小，再与相应的调节策略和模块化策略相配合就能使这种变流器的尺寸减小约30%，从而减轻了系统质量和结构空间，并相应降低了成本。
图4示出了电驱动单元的结构分解图，并将在下文中予以介绍。能量流从蓄电池经过高电压插头（1）被导入变流器（2），直流接触轨（3）通过电磁兼容性（EMV）滤波器（4）传输电流，以保证其他电控单元的电磁兼容性。液体冷却的整流盒（7）由功率模块（5）和中间电路电容器（6）组成，并被集成在一个压铸铝壳体（8）中。车辆的低电压接头（9）位于1个汇总电控单元（10）上，并且半导体器件由1个同样的汇总驱动单元（11）控制。通过交流电流进行测量（12）后，接线盒（13）中的电流接触轨与6相电机连接（14）。另外，转子位置传感器（16）的信号经过低电压接头（15）传送，绕组头部（17）中的电机温度传感器控制分开的绕组。尽管采用了这种整体式结构型式，但由此可实现接口功能分开，并且有望在车辆使用周期内更换功率电子器件。
（a）
（b）
（c）
图4 可缩放的模块化6相系统结构分解图
由于研究人员对扭矩密度、灵活性和效率提出了较高的要求，因而选用了永磁式同步电机。这种电机具有转子内冷却系统（18），因此即使在持续运作的情况下，该类同步电机仍能保持较为稳定的热状态，同时在其连续运转时具有良好的效率。
定子（19）的冷却过程是通过在过载电流与径向环流之间设定1个最佳值来实现的，一方面通过该方式将电机调节到最好的热状况，另一方面使动力总成冷却系统中的压降保持在较低的状态，以此减少了对车载水泵的功率需求。
电机与变速器共用1个中央轴承端盖（20），这样显著优化了系统质量和功率密度，该2项数值明显优于同类产品。
研究人员通过采用两级圆柱斜齿轮传动（21）实现了固定的传动比，另外差速器（22）集成在紧凑的变速器壳体中。停车止动器执行机构通过变速器输入轴（23）旁的1个手柄起作用，并且通过变流器来进行控制。
研究人员通过采用水-乙二醇作为冷却液的高效冷却系统（25），并对较低的压力损失进行了优化，由此串联冷却变流器、电机和变速器。
本文所介绍的方案可使30 s内的峰值功率达到300 kW（a），传递至车轮的最大扭矩能达到5 700 N·m（b），持续扭矩为2 600 N·m（c），持续功率为120 kW（d）。在最低中间电路电压为325 V的情况下，电机运行时的转速-扭矩特性曲线包括所选择的拐点都如图5所示。
图5 300 kW方案的转速-扭矩特性曲线场
4 NVH和效率的优化潜力
除了功率密度和效率之外，电驱动装置的噪声特性也是最重要的参数之一，因此驱动装置应具有尽可能好的静音性，这对于产品开发而言就意味着必须降低电机与变速器的激励频率。电机的结构必须在功能和机械方面与变速器的结构进行整体考虑，以便在结构上达到最佳的设计方案，在早期开发阶段就对模拟工具进行合理应用是成功的关键，同时可采用如下措施：增强易产生噪声的零件的刚度、实现变速器的微观啮合，调整电机齿轮螺旋角的匹配方式以及电机转子的电磁设计方案等。法雷奥-西门子电动车公司的NVH开发过程示于图6。
图6 NVH优化系统的开发方法
最后，在系统整个运行范围内开关频率的变动和调制方法的变化也是目标导向措施，以便优化整个系统的声学性能。提高开关频率不仅能减小电流的波动，而且也能减小扭矩的波动，从而改善NVH特性，并同时提高电机的效率，但是过大地提高脉宽调制（PWM）频率会导致过大比例的变流器损失和总传动损失，因此在系统层面上，NVH与效率之间存在着1个最佳状况，并且与部分文献中所述的情况不同，这两方面的性能并非必然会使彼此之间存在矛盾。
作者：[德] A.HÖFER等
整理：范明强
编辑：伍赛特
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