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三合一电驱系统的集成化设计
2021-12-17 20:40:06· 来源：驱动视界
一、三合一集成电驱概述1.1电驱动载荷特点给产品强度、耐久性带来更大的挑战相比于传统车辆，电动车辆挡位少，载荷更集中；城市上下班通勤等应用场景导致低速挡
一、三合一集成电驱概述
1.1电驱动载荷特点给产品强度、耐久性带来更大的挑战
相比于传统车辆，电动车辆挡位少，载荷更集中；城市上下班通勤等应用场景导致低速挡位载荷更加集中；
频繁的能量回收，使新能源车反拖扭矩明显大于传统车，交变载荷工况更加恶劣，更容易带来耐久性问题；
同一挡位上载荷跨度大，给平衡不同载荷下NVH性能带来困难；
同一挡位上工作转速区间跨度大，尤其高速运行时对轴承、油封及润滑带来更大的挑战。
1.2 电驱动力总成概念的多样性
1.3 技术发展趋势
1.4 电驱动总成的代际划分
第一代：分立式高压模块独立布置
第二代：4+2
高压电控四合一+电动总成二合一
第三代：3+3
充配电三合一+动力总成三合一
传统分立部件：整车高低压线束、接插件、管路和箱体结构等错综复杂
“3+3” 结构：减少整车线束、接插件，管路和箱体，结构紧凑，布置便利
1.5 电驱动组件的集成级别
1.6 三合一电驱系统的开发
1.7 国际主流电驱动供应商技术路线
近五年，国际主流动力系统供应商投放的纯电驱动总成产品中，一体化总成（三合一）占比达87% 。
二、三合一电驱系统优劣势分析
2.1 概述
平台化：根据不同吨位、功率和扭矩以及不同级别车型，划分不同的系列化平台产品
高效率：驱动系统的NEDC综合效率可达88%，最高效率超过92%
高集成：总成体积降低30%,功率密度达到1.9kw/kg
高转速：最高转速14000rpm
低噪音：总成近场噪声不超过90dB
NVH性能：通过控制齿轮啮合精度等保证NVH性能
动力性：满足A00、A0、A、B等级别汽车对动力性加速和爬坡的需求
可靠性：减少接口复杂度提高可靠性
优势：
① 安装尺寸和重量较小
② 小型化，高转速电机降低成本
③ 减少接口复杂度，提高可靠性
④ 平台化设计，降低整车开发费用和周期
劣势：
① 高转速带来的NVH挑战
② 冷却概念和轴承
③ EMC复杂性提高
④ 跨零部件开发协同难度增加
2.2 三合一电驱系统各构型及优缺点分析
2.3 国内外纯电总成产品特点与差距
国内驱动电机在功率密度等性能指标方面与国际先进水平相当。
高压电力电子系统集成方面国内外各有千秋。
在控制器功率密度、减速器最高转速、动力传动集成度等方面国内与国际还有较大的水平差距。
三、三合一电驱系统的集成化设计
系统深度集成设计
3.1 壳体集成设计
电机与控制器冷却水道直接串联连接；电机引出线与控制器母排直接连接，节约高压连接器及导线
减速器与电机共用右端盖，一体化箱体采用三段式；轴承浮动独立支撑，卸载总成受力，变形小、NVH好
3.2连接件
电机、电控端子直连，取消三相线
电机、电控水道直连，取消水管
3.3 共用件
电机转子轴和减速器输入轴共用
电机壳体和减速器壳体共用
BYD电驱动三合一
3.4 仿真
3.5 设计及验证流程
3.6 性能及可靠性验证技术
可靠性及性能设计分析：
① 轴齿承载能力
② 系统尺寸链
③ 围观参数设计
④ 系统变形
⑤ 箱体强度模态
⑥ 传递误差
⑦ 齿轮容差
⑧ 悬置动刚度
⑨ 驻车静力
试验验证技术：
① 系统变形试验
② 换气系统试验
③ 动态密封试验
④ 温升试验
⑤ 高速试验
⑥ 疲劳寿命试验
⑦ 静扭强度试验
⑧ 盐雾试验
⑨ 润滑验证
⑩ 齿轮接触斑点
NVH技术：
① 传动设计分析
② 齿轮设计分析
③ 轴承选型设计
④ 传动效率
⑤ NVH预测
⑥ CAE分析
⑦ 结构拓扑优化
⑧ 结构分析
⑨ 声场仿真
⑩ 流场、温度场仿真
⑪ NVH试验测试
⑫ 变速器啸叫噪音
⑬ 变速器敲击噪音
⑭ 电机啸叫噪音
效率提升技术：
① 结构设计
② 轴系结构油路
③ 齿形设计
④ 低摩擦轴承
⑤ 箱体油路
⑥ 油封匹配
⑦ 系统因素分析
⑧ 搅油损失
⑨ 机械磨损损失
⑩ 阻油损失
⑪ 油品匹配
⑫ 油品粘度
⑬ 油量匹配
3.7 CFD及EMC设计流程
CFD 正向设计
热源分析：轴齿热分析、电磁热分析
散热和润滑：润滑油选型分析、水道形式分析
系统优化：润滑结构分析、散热结构分析
实验校核：润滑和散热综合验证
3.8 EMC 正向设计
3.9 典型三合一电驱系统
典型三合一电驱系统：ZF 15ED35
四、三合一电驱系统发展趋势
4.1 概述
三合一集成电驱系统当前成熟的解决方案是从电机到差速器采用传统的单挡两级减速器
多挡（通常为两挡）变速箱已经面世或正在开发中
成熟竞品产品的输入转速都已经达到或超过16000rpm
更高的电机转速、轻量化、更高的效率和低成本是未来的发展趋势
平台化：分为小平台、中平台、大平台
4.2 模块化
产生规模效应、增量降本
集中优势资源、打造精品
ZF经典15ED35电驱动桥模块
集成电驱动模块的后桥系统
4.3 平台化设计
产生规模效应、增量降本；集中优势资源、打造精品
4.4 集成化
减少连接件、取消冗余件、开发共用件、降低成本、提高效率
4.5 从三合一总成到多合一总成
目前，电机控制器日趋集成化，集成形式包括：
单主驱动控制器、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+双源EPS控制器）
乘用车控制器（集成：主驱+DC/DC）。
70KW三合一平台电机+电控+减速器的台架测试实验数据最高效率91.9%，仿真数据最高效率达到91.5%，NEDC平均效率达到87%。
五、方正电机三合一结构设计范例
机械式里程表输出（可选）；
电子驻车机构（可选）；
集成整车控制单元（可选）；
集成电子驻车系统（可选）。
电机、减速器及控制器三合为一，高度集成化设计；
模块组合化设计，电机、减速器与二合一模块同平台；
简化电机与控制器的高压线缆，连接器等部件；
电机轴与减速器输入轴合为一体，减少轴承支撑；
减速器壳体与电机壳体合为一体，
电机端盖与控制器壳体合为一体；
动力系采用平行式结构；
采用锥齿轮结构差速器；
机械式里程表输出（可选）；
电子驻车机构（可选）；
集成整车控制单元（可选）；
集成电子驻车系统（可选）。
六、集成化电驱动系统面临的挑战
6.1 驱动电机面临的挑战
高端纯电动汽车EDU的性能数据
电机：
通过定子槽对绕组进行直接油冷、干式转子、无气隙
电机和逆变器使用一个冷却回路
变速箱由电机侧直接冷却
电机高转速设计，以BYD秦EV，120kW电机为例，转速由14000rpm提升到20000rpm：
体积减小24%
重量减小26.5%
成本降低26%
驱动电机面临的挑战：
Mechanical rotor strength due to high centrifugal forces 因高离心力导致的机械转子强度问题
Bearing technology 轴承技术
Iron losses, eddy currents 铁损失，涡流
Current displacement & skin 电流位移和趋肤效应
Power drop at max speed 最高转速时的功率下降
驱动电机系列化及性能要求
6.2 逆变器面临的挑战
SiC碳化硅：Wide Band Gap宽禁带
有关高体积率密度方面，目前量产的车辆控制器达到18KW/L,最新研发的双面水冷硅基IGBT样机控制器功率体积密度可达35KW/L，新一代SiC基控制器功率密度可达到45KW/L，而且技术已经实现。电机控制器的效率最高可以达到98%以上，驱动总成系统的综合效率可达88%。
逆变器技术发展方向：
① HIGH OPERATION TEMPERATURE高工作温度
② higher power-density 高功率密度
③ LOWER SWITCHING LOSSES开关损耗更低
④ Reduction of DC-link capacitor减少DC-link电容器
⑤ Reduction of EMC-filter structure减少EMC滤波器结构
⑥ SMALLER DIE-SIZE芯片尺寸更小
⑦ size reduction of module模块尺寸减小
6.3 变速器
七、总结
7.1 电驱动系统向电机+控制器+减速器集成化方向发展，集成化对整车厂来说很方便，很容易选到合适的电驱动系统，特别是售后方面，一旦出了什么问题，直接找到总成厂家，减少管理和沟通层级，提高工作效率。
7.2 电机绕组向扁铜线、功率模块向双面水冷、碳化硅和氮化镓方向发展，通过优化散热设计可以提升输出能力，节约了芯片用量，相当于成本降低。现在有好几家国际公司走双面水冷的方案，几个功率模块系统集成在一起会非常方便设计，体积会更小。在去年设计一款碳化硅的产品，通过仿真和实车工况测试，续航里程提升了8%。
7.3 五高一低：高转速、高电压、高集成、高性能、高品质、低成本。
高转速也是提高性能的方向
高电压方面目前已经能够做到700V平台电压，高电压受制于充电，现在充电桩电压比较低，一般充电桩是200到500V，大巴的充电柜可以达到500-750V，未来提升整车性能、续驶里程和提升充电速度一定要把高电压做上去，最近欧洲车厂做到了800V平台电压，采用新的封装SKIN 1200V模块技术可以用到上限在920V，一些国际大厂确实规划2020年最高电压做到920V。
关于集成，早几年产品不敢去集成，因为技术不成熟，现在技术成熟了，现在可以做高度集成化。
集成后性能也要提升，整个品质也需要提高。
前面的这些方法都是为了降低成本、提高性能，提高性价比。
系统设计架构和功能安全向ISO26262标准发展，软件架构向AUTOSAR标准规范发展。
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