关于轿车高集成电驱动桥的原理分析以及应用

汽车电气化需要采用紧凑型的高功率驱动装置。如果原驱动装置也通过单个部件组成，据此功率密度更高的高集成紧凑型驱动单元即会更受欢迎。本文介绍了一种高集成电驱动单元，其将变频器、电动机和变速器集成在同一个壳体中,最大功率可达230 kW。

1 市场情势

近年来德国在降低CO2排放方面出现了技术瓶颈，从2009年起每年约为9亿tCO2当量，超过了联邦政府2020年目标值的20%。为了满足未来轿车市场的CO2排放目标，不仅对纯电动车而且对混合动力汽车和可再生燃料的需求均呈现较高的增长率，因此在此期间车辆的电气化即为大势所趋，目前在所有市场中均可不同程度地观察到这种趋势。图1示出了全球汽车市场的趋势预测。2030年电动车的预测销量为2 000万辆，处于最快的增长阶段，其中中国市场每年几乎可达1 000万辆，占有最大的份额。

图1 2030年的轿车驱动装置

当今电动车大多是传统车型的衍生车型，无论是传统车辆、混合动力车或是电动车，其往往是基于同一种车型，因此电驱装置和蓄电池系统需充分适应整车边界条件，同时电驱装置是传统内燃机的有效替代装置，因此在发动机舱内更易于找到宽敞的位置，当然其还可用于车辆内部空间和蓄电池组。

在以纯电动车为代表的车型上,发动机舱被大幅缩小或直接取消,因此其有更宽敞的车内空间可用作乘客车厢，也具有更多的位置以安装蓄电池组。在该滑板结构型式的情况下,驱动装置仅起到次要的作用，因此期望未来电驱动装置的设计更为紧凑，其能被安装在一个或两个车桥上，因而结构高度较低且功能强劲的紧凑型驱动装置会有更广阔的市场，尤其是配装于汽车尾部地板下的结构部件。图2示出了经过几代演变的电动车结构型式。

图2 电动车结构型式的演变

2 驱动单元的结构

开发新型高集成驱动单元（图3）最主要的目标是：（1）高度低的紧凑型结构型式（适用于地板安装位置）；（2）适合于低成本大量生产；（3）较高的集成密度；（4）整体式冷却；（5）基于系统层面的较高功率密度；（6）可分等级；（7）具有非常好的噪声-振动-平顺性（NVH）特性。

图3 轿车高集成电驱动桥

根据这些要求为目标用途确定下列最低要求：（1）C/D级车型，质量最大可达2 000 kg；（2）最大车桥转矩3 500 N·m；（3）0～100 km/h加速性小于6 s；（4）最高车速200 km/h（车轮转速1 500 r/min）；（5）持续功率100kW，足够实现长途行驶的最高车速180 km/h，并包括用于爬坡的3%的储备功率；（6）停车锁定和空挡功能。

在方案设计阶段就针对各种不同的车型结构型式和要求进行了对比和评估。总高度和较高的NVH要求对选择共轴设计起到了决定性的作用。减速齿轮传动机构采用行星齿轮变速器，电机则被集成在转子中。为了获得所需的行驶性能需具有高达230 kW的峰值功率（30 s）。

3 齿轮组和停车锁定器

为了获得必要的车轮转矩和所期望的最高车速，电驱单元必需的档位数取决于所配装的驱动装置的峰值功率。在轿车使用场合，因所需的持续功率较高，大多数仅采用单档变速器即可满足要求，这是由电驱动装置可用的较大峰值功率和独特的扭矩特性曲线所决定的。即使在上述应用场合，因所安装的驱动装置具有230 kW峰值功率，仅需使用单档变速器即可。

以行星变速器为基础的齿轮组除了结构型式紧凑之外还具有声学方面的优点。在圆柱齿轮啮合情况下，系统条件所决定的旋转均匀性会对轴承部位产生较大的冲击力，但是由于行星齿轮的星形布置和支承在一个共同的行星齿轮支架上，冲击力在很大程度上被抵消了，为此在该结构型式情况下，其基础激励相对较小，有助于改善整个系统层面上的噪声性能。

这种齿轮组由两层齿轮组成，并且被设计成无内齿圈的行星齿轮组，同时共用的行星齿轮支架被用作电机输入端和作为从动端的一个大中心轮，而小中心轮则支撑其相应的反作用力矩，采用该结构能实现较大的固定传动比。省略内齿圈可降低制造成本，因为内齿圈是行星齿轮组中最昂贵的零件，而且采用无内齿圈结构型式的行星齿轮组可布置在电机转子架内部。这种结构的一大弊端是在较高的传动比情况下会增大无功功率，并对齿轮组效率产生负面影响，但是在总传动比为7.2的情况下所选择的齿轮组设计的无功功率尚可接受。

停车锁定装置被设计成轴向停车锁定结构型式，并被集成在齿轮组中，其被同心布置在驻车制动器周围，因此停车锁定和空挡功能仅需使用一个执行器，该执行器可通过一个斜面将伺服电机转子的运动转换成轴向运动。

操纵是以此进行设计的，使两个对安全性具有重要意义的状态空挡位和停车位处于执行器运动的终了位置，因此始终能通过机械式末端挡块阻止起步并可靠地达到这两个状态，同时通过计算在电执行器轴上的增量即可测量其升程，因而对执行器的最高功能安全性要求将从典型的ASIL C标准（汽车安全完整性等级C级标准）降低到QM（质量管理），从而可降低执行器、传感器和软件等方面的成本。图4示出了齿轮组的杠杆图和3D视图。

图4 齿轮组的杠杆图和3D视图

伺服电机和与其相连的扇形齿轮的旋转部分通过滑槽转换成操纵套筒的轴向运动，这个套筒操纵空挡-驱动（N-D）换挡套筒和停车锁定器体，其中视操纵方向而定中间还可连接一个预张紧弹簧。停车锁定器体将圆锥体与常规拉拔圆锥体停车锁定器止动爪的功能被合成同一部分。

N-D换挡套筒被执行器可直接（无预张紧弹簧的影响）从N（空挡）移向D（驱动挡），。首先停车锁定器被直接设计成可从停车终端位置移向下一个位置，然后再通过预张紧弹簧档位从D中间位置移向空挡终端位置。这两种功能是通过同一个弹簧实现的，图5示出了轴向停车锁定器。

图5 轴向锁定器

4 电机和变频器

电机和变频器的成本约占驱动单元总成本的三分之二，总效率损失约占整个系统的80%，因此应对这些部件进行充分优化。进行优化的重要标准是实现较高的效率、较少的电能消耗、较高的功率密度以及较低的制造成本，但上述要求通常存在相互对立的情况，因此需进行协调，以实现折中。

鉴于要求对效率有着较高的技术要求，因此通常选用永磁式同步电机，其具有较高的理论效率及实际效率，尤其是在部分负荷工况下。

通过将齿轮组集成到转子中，为此可获得了较大的直径-长度比，以此又能获得更具优势的转矩-电流比，其可直接对变频器的成本产生有利的影响，此外可使电机的最高转速降到10 000 r/min，以此降低了系统惯性，可使其获得良好的动态性能，并对汽车上的调节系统产生的影响较小。

由于结构长度较短，定子可应用单牙技术，除了铜填充系数较高和有效铁芯长度相对较大之外，该类技术还有利于实现降低成本的大规模生产。

同时还采用了多相换流器，此类技术的基本优点是其系统具有较好的储备能力，甚至在短路情况下仍可使系统转换到应急状态运行。其他方面的优点是具有较高的功率，尤其是优良的旋转均匀性。

良好的NVH特性是未来电驱装置在市场上得以推广的基本要求。多相系统提供了明显更丰富的可能性，能通过主动控制以在某种程度上降低噪声，并可降低最高转速、实现较好的旋转均匀性，同时与集成行星变速器相结合即可获得良好的NVH特性。

5 系统设计和冷却

电驱动桥被制成了全集成式单元，具有一个齿轮组、差速器和电机共用的机油循环回路。润滑剂不仅需满足润滑和冷却等方面的多种要求，特别是具有较高的温度稳定性和化学稳定性、较小的乳化倾向以及对铜和绝缘材料的较低腐蚀性。

冷却循环回路被分成两部分，由一个外部冷却水套和一个内部机油循环回路组成（图6）。外部冷却循环回路按常规方法建立，而且能满足以持续功率运行的冷却要求。

图6 机油和冷却水循环回路

峰值功率对加速性能和回收性能具有决定性的作用，为了提高峰值功率，设置了一个内部机油冷却循环回路。这种解决方案的缺点是机油泵的能量需求往往过高。

为了回避此类缺点，采用了由一个电动离心泵组成的离心式甩油冷却。离心泵将经过水套旁的机油导入中心轴，同时由此实现简单的热交换。这种离心泵的优点是，除了结构简单及其制造成本较为低廉之外，能量需求也相对较低，最大功率消耗仅20 W，输送机油所需的更多能量可直接从转子的旋转中获得。与压力机油泵相比，此类系统可节省约50%的能量。

机油从轴中流出进入齿轮组并确保其润滑效果，流出的机油在转子外缘被截流并被导入叠片铁芯下方，以用于冷却转子。机油在叠片铁芯两端被截流从而进入支承环，之后通过钻孔被甩向定子绕组两端，因此即使离心泵消耗较少的电功率，也能使整个系统实现有效的冷却，因为电机本身也被用作泵的动力来源。采用此类标准的离心泵，机油流量即可按需进行调整。

6 结语

通过上述驱动单元介绍了新一代电驱动装置，其可用于当前及未来的电动车和混合动力车。通过集成度在系统层面上实现了较高的功率密度，同时优化了整车的声学性能。