解析 | 淺析大陸電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)EMR4

發(fā)布時(shí)間：2022-04-01作者來源：薩科微瀏覽：2681

1. 前言

隨著電動(dòng)汽車在市場上的顯著加速，品牌、細(xì)分市場和車型的差異也在不斷增加，[敏感詞]限度地?cái)U(kuò)大電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)適用性就顯得及其重要。電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，如大批量生產(chǎn)的EMR3(第三代電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng))和目前正在開發(fā)的EMR4，在系統(tǒng)級采用了多標(biāo)準(zhǔn)優(yōu)化方法進(jìn)行設(shè)計(jì)。與上一代相比，EMR4提高了高達(dá)5%的效率，顯著提升了功率可擴(kuò)展性，并大幅降低了成本。

提高效率和性能是整車對電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)提出的技術(shù)路線和方向。為了促進(jìn)EMR4性能提升，眾多的影響電驅(qū)動(dòng)效率和性能的鏈條已優(yōu)化到細(xì)節(jié)。出于可擴(kuò)展性的考慮，許多內(nèi)部和外部接口也已標(biāo)準(zhǔn)化，以確保三個(gè)主要組件——電力電子逆變器、電機(jī)和減速器——可以按照需求定制的原則盡可能自由地組合。在電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的聲學(xué)舒適性方面，重點(diǎn)是在整個(gè)工作MAP上對系統(tǒng)的噪聲特性(噪聲振動(dòng)嚴(yán)酷度)進(jìn)行了模擬、測試和優(yōu)化。EMR4的開發(fā)從一開始就吸收了來自前幾代電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的相關(guān)經(jīng)驗(yàn)。

2. EMR4架構(gòu)

為了更大的可擴(kuò)展性，EMR4電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)與當(dāng)前的EMR3相比已經(jīng)發(fā)生了變化。所有三個(gè)基本組件(電力電子逆變器、電機(jī)、減速機(jī))都在EMR4中直線排列(軸向集成)。

有了這個(gè)基本架構(gòu)，就有可能在不同的設(shè)計(jì)中連接兩個(gè)[敏感詞]需要變動(dòng)性的組件，而減速器變速箱的修改要求可以在外殼尺寸內(nèi)實(shí)現(xiàn)。這種內(nèi)聯(lián)安排形成了EMR4關(guān)鍵架構(gòu)特性的基礎(chǔ)。

在開發(fā)過程中計(jì)劃的標(biāo)準(zhǔn)配置(對于A到J2段的車輛，即車輛重量級別從1800公斤到2800公斤)可以通過將電機(jī)長度按60毫米(入門級)、90毫米(基礎(chǔ)級)或105毫米(增強(qiáng)級)三個(gè)尺寸來覆蓋，如圖2所示。根據(jù)設(shè)計(jì)，新開發(fā)的EMR4驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)提供80kW和[敏感詞]230kW功率(10秒)。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的扭矩范圍從1,700Nm到4,000Nm(10秒)，可擴(kuò)展性在模塊的重量上也很明顯。

根據(jù)驅(qū)動(dòng)的功率需求，它的重量在45公斤到80公斤之間。根據(jù)之前的研究結(jié)果，與EMR3相比，EMR4驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在WLTP中能夠?qū)崿F(xiàn)5.6%的效率優(yōu)勢，這將對車輛行駛里程產(chǎn)生明顯的影響。

這些數(shù)值是通過對驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中多個(gè)中心效應(yīng)鏈進(jìn)行系統(tǒng)優(yōu)化得到的。這里通過許多詳細(xì)的措施實(shí)現(xiàn)了改進(jìn)的潛力。與優(yōu)化后的EMR3相比，EMR4的效率提高了相當(dāng)多，功率密度增加了20%以上，但成本進(jìn)一步降低。盡管EMR4在許多地方都使用了高質(zhì)量的材料，但材料的技術(shù)優(yōu)勢使得在其他領(lǐng)域節(jié)省了更多的成本，使成本得到優(yōu)化。

2.1 架構(gòu)與電機(jī)

PSM電機(jī)的直徑(其外殼直徑)已經(jīng)為集成EMR4固定設(shè)計(jì)。EMR4平臺電機(jī)的定子外徑為208mm，與EMR3電機(jī)相比，其直徑略大于20mm。然而，電機(jī)性能提高的設(shè)計(jì)措施使EMR4電機(jī)的軸向長度比目前的軸向驅(qū)動(dòng)器(90毫米而不是175毫米)減少了近一半。

定子現(xiàn)在每個(gè)溝槽至少有四層(而不是EMR3中的兩層)。未來根據(jù)具體情況選擇的層數(shù)(如4-8層)嚴(yán)格按照所需的成本要求和性能等級或電壓確定。成本最小化和活動(dòng)部件潛力的[敏感詞]利用之間的平衡是要考慮的重要因素。

2.2 架構(gòu)與電力電子控制器

EMR4平臺的逆變器是基于Vitesco Technologies (EPF4)的第四代高壓電力電子產(chǎn)品。對于EMR4平臺的功率范圍，高度集成的EPF4逆變器可提供三個(gè)功率級別290A(“入門級”)，550A(“基礎(chǔ)級”)和820A(“增強(qiáng)級”)。Entry版本提供了一種經(jīng)濟(jì)有效的解決方案，輸出高達(dá)80kW(10s)和扭矩1700Nm(10s)。基本版本適用于比較廣泛的應(yīng)用，功率輸出高達(dá)135/165kW(10s)和扭矩2,500/3,000 Nm(10s)。增強(qiáng)型設(shè)計(jì)用于在2800Nm和4000Nm的輸出,高達(dá)230kW的功率。

然而，在原則上，所有逆變器變體可以與每一個(gè)電機(jī)功率變體和每一個(gè)所需的減速器相結(jié)合。這需要滿足與標(biāo)準(zhǔn)的大批量乘用車不同的特殊要求(例如，物流車)。逆變器尺寸只有270 × 221 × 126mm，是非常緊湊的設(shè)計(jì)。

2.3 架構(gòu)和減速器

根據(jù)電機(jī)的扭矩，平臺包括三個(gè)版本的減速器，配置為< 2,000 Nm(“入門級”)、< 3,000 Nm(“基礎(chǔ)級”)或< 4,000 Nm(“增強(qiáng)級”)。

預(yù)計(jì)i = 9.3和i = 11.64之間的減速比。與上一代相比，這一減速比已經(jīng)擴(kuò)大，使[敏感詞]利用電機(jī)的更高峰值速度成為可能。在減速器中，這一高減速比措施可以顯著節(jié)省電機(jī)成本，在更高質(zhì)量材料的成本方面提供了降成本機(jī)會。

減速機(jī)的設(shè)計(jì)高達(dá)16000 rpm的輸入速度和255 Nm的電機(jī)扭矩輸入。減速器提供高達(dá)3000牛米的軸扭矩的輸出。

[敏感詞]允許軸轉(zhuǎn)速為1720轉(zhuǎn)/分。電動(dòng)駐車可以選擇集成到減速器中。

3. 影響效率的因素優(yōu)化

在世界范圍內(nèi)，進(jìn)一步提高電動(dòng)汽車效率的趨勢是顯而易見的。里程和電池尺寸/電池成本的考慮，以及旨在控制空氣污染和減緩氣候變化的法律要求都有助于這一點(diǎn)。此外，電動(dòng)驅(qū)動(dòng)效率的進(jìn)一步提高也增加了汽車的吸引力，因?yàn)橛纱水a(chǎn)生的系統(tǒng)成本降低了。WLTP中的Wh/km被用來衡量能源消耗。

眾多的單體因素決定了一輛車的效率。雖然其中大部分都是整車造成的，但動(dòng)力系統(tǒng)也有相當(dāng)大的影響。

圖3以集成驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)為例，說明了在整車上動(dòng)力系統(tǒng)及其具體損失對效率的影響程度。一般來說，大約三分之一的損失是由駕駛造成的，大約三分之二是由整車造成的。

在電力電子逆變器、電機(jī)和減速器方面，EMR4取得了進(jìn)一步的進(jìn)步，提高了車輛的整體效率:與上一代相比，EMR4的效率要高得多，在WLTP工況中，平均每輛D級車的總能耗可降低5.6%。

3.1 電機(jī)和逆變器效率提升

在EMR4平臺的Active parts中，使用了非常薄、高強(qiáng)度硅鋼片制成的層壓鐵芯，以更少的材料使用實(shí)現(xiàn)更高的電機(jī)速度?，F(xiàn)在[敏感詞]速度是16000rpm (EMR3: 14000rpm)，通過提高齒輪速比降低電機(jī)扭矩從而節(jié)省電機(jī)材料。另外，EMR4電機(jī)的持續(xù)功率方面也進(jìn)行了大幅度改進(jìn)。由于大大降低了損耗和優(yōu)化了冷卻結(jié)構(gòu)，該電機(jī)可以在[敏感詞]轉(zhuǎn)速下持續(xù)輸出40-80kW。由于電機(jī)長度短，設(shè)計(jì)緊湊，散熱也更有效，因?yàn)闊崃繌碾姍C(jī)中心的熱點(diǎn)到其邊緣散熱有更短的散熱路徑。

增加的齒輪減速比(見2.3節(jié))意味著在相同的軸扭矩下需要更低的電機(jī)扭矩。結(jié)合新的轉(zhuǎn)子鈑金切割和磁阻的增加，磁鋼重量顯著降低，功率保持不變，效率提高。

EPF4逆變器的工作電壓為210V至470V, PWM開關(guān)頻率為2至12kHz。根據(jù)工作點(diǎn)的不同，磁場定向控制(FOC)算法分段應(yīng)用，傳統(tǒng)空間矢量脈寬調(diào)制(= SVPWM在低速時(shí)，以啟用更高的電流)、同步PWM (=SynchPWM在中速范圍)、不連續(xù)PWM (= GDPWM在中速范圍)和磁通雙向調(diào)制(=FBM在高速范圍)。電機(jī)外殼前端的轉(zhuǎn)子位置傳感器提供轉(zhuǎn)子位置信號。

圖4顯示了在仿真過程中用于評估電機(jī)和逆變器損耗的參考操作點(diǎn)。比較高的效率增益，特別是在高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，正是因?yàn)楦〉碾姍C(jī)硅鋼片應(yīng)用疊層數(shù)增加形成大量減少鐵損的效果。

4. EMR4平臺化實(shí)現(xiàn)方法

集成電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的應(yīng)用范圍日益擴(kuò)大，只有在性能、效率、成本、尺寸和重量方面具有高度的可擴(kuò)展性，才能滿足市場的多樣性要求?？蓴U(kuò)展性最終意味著能夠根據(jù)應(yīng)用將相關(guān)主要組件組合在一起來滿足需求。考慮到定義驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)所需性能特征的大量參數(shù)和它們之間復(fù)雜的相互作用，要徹底地落實(shí)到細(xì)節(jié)在設(shè)計(jì)方面是非常具有挑戰(zhàn)性的。

例如，在EMR4平臺的開發(fā)過程中，我們進(jìn)行了廣泛的靈敏度分析，以確定WLTP中單個(gè)參數(shù)對電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)效率的影響，如圖6所示。

為了實(shí)現(xiàn)預(yù)期性能特性和相關(guān)成本的最優(yōu)權(quán)重，開發(fā)人員在這個(gè)多標(biāo)準(zhǔn)的開發(fā)階段使用了專用工具iMCO，如圖7所示。

5. 內(nèi)部和外部接口

前面已經(jīng)提到，在設(shè)計(jì)集成驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)時(shí)，分離設(shè)計(jì)的電驅(qū)動(dòng)的復(fù)雜性已經(jīng)從整車角度已經(jīng)完全簡化了，復(fù)雜性轉(zhuǎn)移到驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)內(nèi)部。在這里，復(fù)雜程度的轉(zhuǎn)移也可以從驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)內(nèi)部和外部的眾多接口中得到證明。圖8顯示了驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)內(nèi)各個(gè)功能之間的內(nèi)部接口，用灰色突出顯示，綠色圓圈顯示整車的外部接口。

為了實(shí)現(xiàn)預(yù)驗(yàn)證EMR4平臺組件的全面擴(kuò)展性，所有主要組件，即逆變器(三個(gè)版本)，減速機(jī)(三個(gè)變種)，轉(zhuǎn)子和定子(每個(gè)三個(gè)長度)以及電機(jī)外殼(三個(gè)長度)和軸承板(兩個(gè)版本的“蓋”)都有關(guān)于內(nèi)部和外部接口的明確定義。這使得使用統(tǒng)一的接口組合不同的組件設(shè)計(jì)成為可能。

結(jié)構(gòu)噪聲和電磁輻射在也是電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)關(guān)鍵指標(biāo)。為了[敏感詞]限度地減少電動(dòng)驅(qū)動(dòng)中結(jié)構(gòu)噪聲對車身振動(dòng)的影響，已經(jīng)對所有運(yùn)行情況下的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的聲學(xué)質(zhì)量(噪聲、振動(dòng)、嚴(yán)酷度、NVH)進(jìn)行了大量的優(yōu)化工作，如圖9,10所示。在EMR4平臺上，已經(jīng)在A-sample基礎(chǔ)上成功地進(jìn)行了驗(yàn)證仿真結(jié)果的測試。

這種模擬技術(shù)還可以用于優(yōu)化支架形狀，避免導(dǎo)致車輛結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相關(guān)激勵(lì)共振。

EMR4平臺的電磁兼容性符合CISPR25-2016 Class 3標(biāo)準(zhǔn)，如圖11所示。

6. 小結(jié)

EMR4平臺的開發(fā)已經(jīng)吸收了三代電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的產(chǎn)業(yè)化經(jīng)驗(yàn):截至2021年初，僅EMR3就已交付客戶超過15萬臺。EMR4的效率和性能在降低成本的情況下得到了顯著提高，甚至與已經(jīng)進(jìn)行了優(yōu)化的EMR3驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)相比也是如此。特別是，新平臺的高可擴(kuò)展性使得EMR4驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在各種不同車型中具有高性價(jià)比的使用前景。

EMR4平臺目前的可擴(kuò)展輸出功率在80kW至230kW之間，質(zhì)量僅在45 kg至80 kg之間，高功率密度支持大量車型向電氣化過渡。為了涵蓋高于或低于指定的當(dāng)前范圍的性能要求，將于2021年開始開發(fā)投資組合擴(kuò)展。

通過系統(tǒng)的成本優(yōu)化，EMR4平臺幫助電動(dòng)汽車的購買成本更接近以往內(nèi)燃機(jī)汽車的標(biāo)準(zhǔn)。由于EMR4驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的效率進(jìn)一步提高，電池也降低了成本。

EMR4平臺代表定制的現(xiàn)成解決方案，始終專注于產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)化和模塊化。在系統(tǒng)限制下，客戶特定的差異化是通過集成和系統(tǒng)專業(yè)知識形成的。這種方式創(chuàng)造了成本優(yōu)化和個(gè)性化之間的平衡，輔之以多年的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)和質(zhì)量控制?；谶@一戰(zhàn)略，Vitesco Technologies 正積極與客戶和供應(yīng)商合作，促進(jìn)電動(dòng)出行的增長。

平臺化產(chǎn)品思考

三合一電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)如何進(jìn)行平臺化相信很多公司都分析過，Vitesco EMR4的平臺化思考給了我們很多啟迪：

① 集成形式選擇軸向集成，這樣集成就把電機(jī)和逆變器進(jìn)行了解耦，選擇了外徑比較大的電機(jī)，功率的擴(kuò)展通過鐵心疊厚進(jìn)行調(diào)整，鐵芯沖片就可以完全平臺化；

②從逆變器電流規(guī)格上看，IGBT模塊應(yīng)該選的是HPD封裝，通過不同芯片數(shù)量和散熱底板組合形成了不同的電流規(guī)格；

③減速器選擇了大減速比，可以減小電機(jī)扭矩，減小扭矩可以直接減少電機(jī)材料用量，降低電機(jī)成本；基于電機(jī)效率，性能，成本等多標(biāo)準(zhǔn)優(yōu)化提到了專用工具iMCO，這個(gè)也可以參考。

上一條：集成的尺度和維度
下一條：開關(guān)電源內(nèi)部的各種損耗