汽車(chē)電氣化需要采用緊湊型的高功率驅(qū)動(dòng)裝置。如果原驅(qū)動(dòng)裝置也通過(guò)單個(gè)部件組成，據(jù)此功率密度更高的高集成緊湊型驅(qū)動(dòng)單元即會(huì)更受歡迎。本文介紹了一種高集成電驅(qū)動(dòng)單元，其將變頻器、電動(dòng)機(jī)和變速器集成在同一個(gè)殼體中,最大功率可達(dá)230 kW。

1 市場(chǎng)情勢(shì)

近年來(lái)德國(guó)在降低CO2排放方面出現(xiàn)了技術(shù)瓶頸，從2009年起每年約為9億tCO2當(dāng)量，超過(guò)了聯(lián)邦政府2020年目標(biāo)值的20%。為了滿(mǎn)足未來(lái)轎車(chē)市場(chǎng)的CO2排放目標(biāo)，不僅對(duì)純電動(dòng)車(chē)而且對(duì)混合動(dòng)力汽車(chē)和可再生燃料的需求均呈現(xiàn)較高的增長(zhǎng)率，因此在此期間車(chē)輛的電氣化即為大勢(shì)所趨，目前在所有市場(chǎng)中均可不同程度地觀察到這種趨勢(shì)。圖1示出了全球汽車(chē)市場(chǎng)的趨勢(shì)預(yù)測(cè)。2030年電動(dòng)車(chē)的預(yù)測(cè)銷(xiāo)量為2 000萬(wàn)輛，處于最快的增長(zhǎng)階段，其中中國(guó)市場(chǎng)每年幾乎可達(dá)1 000萬(wàn)輛，占有最大的份額。

圖1 2030年的轎車(chē)驅(qū)動(dòng)裝置

當(dāng)今電動(dòng)車(chē)大多是傳統(tǒng)車(chē)型的衍生車(chē)型，無(wú)論是傳統(tǒng)車(chē)輛、混合動(dòng)力車(chē)或是電動(dòng)車(chē)，其往往是基于同一種車(chē)型，因此電驅(qū)裝置和蓄電池系統(tǒng)需充分適應(yīng)整車(chē)邊界條件，同時(shí)電驅(qū)裝置是傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)的有效替代裝置，因此在發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)更易于找到寬敞的位置，當(dāng)然其還可用于車(chē)輛內(nèi)部空間和蓄電池組。

在以純電動(dòng)車(chē)為代表的車(chē)型上,發(fā)動(dòng)機(jī)艙被大幅縮小或直接取消,因此其有更寬敞的車(chē)內(nèi)空間可用作乘客車(chē)廂，也具有更多的位置以安裝蓄電池組。在該滑板結(jié)構(gòu)型式的情況下,驅(qū)動(dòng)裝置僅起到次要的作用，因此期望未來(lái)電驅(qū)動(dòng)裝置的設(shè)計(jì)更為緊湊，其能被安裝在一個(gè)或兩個(gè)車(chē)橋上，因而結(jié)構(gòu)高度較低且功能強(qiáng)勁的緊湊型驅(qū)動(dòng)裝置會(huì)有更廣闊的市場(chǎng)，尤其是配裝于汽車(chē)尾部地板下的結(jié)構(gòu)部件。圖2示出了經(jīng)過(guò)幾代演變的電動(dòng)車(chē)結(jié)構(gòu)型式。

圖2 電動(dòng)車(chē)結(jié)構(gòu)型式的演變

2 驅(qū)動(dòng)單元的結(jié)構(gòu)

開(kāi)發(fā)新型高集成驅(qū)動(dòng)單元（圖3）最主要的目標(biāo)是：（1）高度低的緊湊型結(jié)構(gòu)型式（適用于地板安裝位置）；（2）適合于低成本大量生產(chǎn)；（3）較高的集成密度；（4）整體式冷卻；（5）基于系統(tǒng)層面的較高功率密度；（6）可分等級(jí)；（7）具有非常好的噪聲-振動(dòng)-平順性（NVH）特性。

圖3 轎車(chē)高集成電驅(qū)動(dòng)橋

根據(jù)這些要求為目標(biāo)用途確定下列最低要求：（1）C/D級(jí)車(chē)型，質(zhì)量最大可達(dá)2 000 kg；（2）最大車(chē)橋轉(zhuǎn)矩3 500 N·m；（3）0～100 km/h加速性小于6 s；（4）最高車(chē)速200 km/h（車(chē)輪轉(zhuǎn)速1 500 r/min）；（5）持續(xù)功率100kW，足夠?qū)崿F(xiàn)長(zhǎng)途行駛的最高車(chē)速180 km/h，并包括用于爬坡的3%的儲(chǔ)備功率；（6）停車(chē)鎖定和空擋功能。

在方案設(shè)計(jì)階段就針對(duì)各種不同的車(chē)型結(jié)構(gòu)型式和要求進(jìn)行了對(duì)比和評(píng)估?？偢叨群洼^高的NVH要求對(duì)選擇共軸設(shè)計(jì)起到了決定性的作用。減速齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)采用行星齒輪變速器，電機(jī)則被集成在轉(zhuǎn)子中。為了獲得所需的行駛性能需具有高達(dá)230 kW的峰值功率（30 s）。

3 齒輪組和停車(chē)鎖定器

為了獲得必要的車(chē)輪轉(zhuǎn)矩和所期望的最高車(chē)速，電驅(qū)單元必需的檔位數(shù)取決于所配裝的驅(qū)動(dòng)裝置的峰值功率。在轎車(chē)使用場(chǎng)合，因所需的持續(xù)功率較高，大多數(shù)僅采用單檔變速器即可滿(mǎn)足要求，這是由電驅(qū)動(dòng)裝置可用的較大峰值功率和獨(dú)特的扭矩特性曲線所決定的。即使在上述應(yīng)用場(chǎng)合，因所安裝的驅(qū)動(dòng)裝置具有230 kW峰值功率，僅需使用單檔變速器即可。

以行星變速器為基礎(chǔ)的齒輪組除了結(jié)構(gòu)型式緊湊之外還具有聲學(xué)方面的優(yōu)點(diǎn)。在圓柱齒輪嚙合情況下，系統(tǒng)條件所決定的旋轉(zhuǎn)均勻性會(huì)對(duì)軸承部位產(chǎn)生較大的沖擊力，但是由于行星齒輪的星形布置和支承在一個(gè)共同的行星齒輪支架上，沖擊力在很大程度上被抵消了，為此在該結(jié)構(gòu)型式情況下，其基礎(chǔ)激勵(lì)相對(duì)較小，有助于改善整個(gè)系統(tǒng)層面上的噪聲性能。

這種齒輪組由兩層齒輪組成，并且被設(shè)計(jì)成無(wú)內(nèi)齒圈的行星齒輪組，同時(shí)共用的行星齒輪支架被用作電機(jī)輸入端和作為從動(dòng)端的一個(gè)大中心輪，而小中心輪則支撐其相應(yīng)的反作用力矩，采用該結(jié)構(gòu)能實(shí)現(xiàn)較大的固定傳動(dòng)比。省略?xún)?nèi)齒圈可降低制造成本，因?yàn)閮?nèi)齒圈是行星齒輪組中最昂貴的零件，而且采用無(wú)內(nèi)齒圈結(jié)構(gòu)型式的行星齒輪組可布置在電機(jī)轉(zhuǎn)子架內(nèi)部。這種結(jié)構(gòu)的一大弊端是在較高的傳動(dòng)比情況下會(huì)增大無(wú)功功率，并對(duì)齒輪組效率產(chǎn)生負(fù)面影響，但是在總傳動(dòng)比為7.2的情況下所選擇的齒輪組設(shè)計(jì)的無(wú)功功率尚可接受。

停車(chē)鎖定裝置被設(shè)計(jì)成軸向停車(chē)鎖定結(jié)構(gòu)型式，并被集成在齒輪組中，其被同心布置在駐車(chē)制動(dòng)器周?chē)?，因此停?chē)鎖定和空擋功能僅需使用一個(gè)執(zhí)行器，該執(zhí)行器可通過(guò)一個(gè)斜面將伺服電機(jī)轉(zhuǎn)子的運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成軸向運(yùn)動(dòng)。

操縱是以此進(jìn)行設(shè)計(jì)的，使兩個(gè)對(duì)安全性具有重要意義的狀態(tài)空擋位和停車(chē)位處于執(zhí)行器運(yùn)動(dòng)的終了位置，因此始終能通過(guò)機(jī)械式末端擋塊阻止起步并可靠地達(dá)到這兩個(gè)狀態(tài)，同時(shí)通過(guò)計(jì)算在電執(zhí)行器軸上的增量即可測(cè)量其升程，因而對(duì)執(zhí)行器的最高功能安全性要求將從典型的ASIL C標(biāo)準(zhǔn)（汽車(chē)安全完整性等級(jí)C級(jí)標(biāo)準(zhǔn)）降低到QM（質(zhì)量管理），從而可降低執(zhí)行器、傳感器和軟件等方面的成本。圖4示出了齒輪組的杠桿圖和3D視圖。

圖4 齒輪組的杠桿圖和3D視圖

伺服電機(jī)和與其相連的扇形齒輪的旋轉(zhuǎn)部分通過(guò)滑槽轉(zhuǎn)換成操縱套筒的軸向運(yùn)動(dòng)，這個(gè)套筒操縱空擋-驅(qū)動(dòng)（N-D）換擋套筒和停車(chē)鎖定器體，其中視操縱方向而定中間還可連接一個(gè)預(yù)張緊彈簧。停車(chē)鎖定器體將圓錐體與常規(guī)拉拔圓錐體停車(chē)鎖定器止動(dòng)爪的功能被合成同一部分。

N-D換擋套筒被執(zhí)行器可直接（無(wú)預(yù)張緊彈簧的影響）從N（空擋）移向D（驅(qū)動(dòng)擋），。首先停車(chē)鎖定器被直接設(shè)計(jì)成可從停車(chē)終端位置移向下一個(gè)位置，然后再通過(guò)預(yù)張緊彈簧檔位從D中間位置移向空擋終端位置。這兩種功能是通過(guò)同一個(gè)彈簧實(shí)現(xiàn)的，圖5示出了軸向停車(chē)鎖定器。

圖5 軸向鎖定器

4 電機(jī)和變頻器

電機(jī)和變頻器的成本約占驅(qū)動(dòng)單元總成本的三分之二，總效率損失約占整個(gè)系統(tǒng)的80%，因此應(yīng)對(duì)這些部件進(jìn)行充分優(yōu)化。進(jìn)行優(yōu)化的重要標(biāo)準(zhǔn)是實(shí)現(xiàn)較高的效率、較少的電能消耗、較高的功率密度以及較低的制造成本，但上述要求通常存在相互對(duì)立的情況，因此需進(jìn)行協(xié)調(diào)，以實(shí)現(xiàn)折中。

鑒于要求對(duì)效率有著較高的技術(shù)要求，因此通常選用永磁式同步電機(jī)，其具有較高的理論效率及實(shí)際效率，尤其是在部分負(fù)荷工況下。

通過(guò)將齒輪組集成到轉(zhuǎn)子中，為此可獲得了較大的直徑-長(zhǎng)度比，以此又能獲得更具優(yōu)勢(shì)的轉(zhuǎn)矩-電流比，其可直接對(duì)變頻器的成本產(chǎn)生有利的影響，此外可使電機(jī)的最高轉(zhuǎn)速降到10 000 r/min，以此降低了系統(tǒng)慣性，可使其獲得良好的動(dòng)態(tài)性能，并對(duì)汽車(chē)上的調(diào)節(jié)系統(tǒng)產(chǎn)生的影響較小。

由于結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度較短，定子可應(yīng)用單牙技術(shù)，除了銅填充系數(shù)較高和有效鐵芯長(zhǎng)度相對(duì)較大之外，該類(lèi)技術(shù)還有利于實(shí)現(xiàn)降低成本的大規(guī)模生產(chǎn)。

同時(shí)還采用了多相換流器，此類(lèi)技術(shù)的基本優(yōu)點(diǎn)是其系統(tǒng)具有較好的儲(chǔ)備能力，甚至在短路情況下仍可使系統(tǒng)轉(zhuǎn)換到應(yīng)急狀態(tài)運(yùn)行。其他方面的優(yōu)點(diǎn)是具有較高的功率，尤其是優(yōu)良的旋轉(zhuǎn)均勻性。

良好的NVH特性是未來(lái)電驅(qū)裝置在市場(chǎng)上得以推廣的基本要求。多相系統(tǒng)提供了明顯更豐富的可能性，能通過(guò)主動(dòng)控制以在某種程度上降低噪聲，并可降低最高轉(zhuǎn)速、實(shí)現(xiàn)較好的旋轉(zhuǎn)均勻性，同時(shí)與集成行星變速器相結(jié)合即可獲得良好的NVH特性。

5 系統(tǒng)設(shè)計(jì)和冷卻

電驅(qū)動(dòng)橋被制成了全集成式單元，具有一個(gè)齒輪組、差速器和電機(jī)共用的機(jī)油循環(huán)回路。潤(rùn)滑劑不僅需滿(mǎn)足潤(rùn)滑和冷卻等方面的多種要求，特別是具有較高的溫度穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性、較小的乳化傾向以及對(duì)銅和絕緣材料的較低腐蝕性。

冷卻循環(huán)回路被分成兩部分，由一個(gè)外部冷卻水套和一個(gè)內(nèi)部機(jī)油循環(huán)回路組成（圖6）。外部冷卻循環(huán)回路按常規(guī)方法建立，而且能滿(mǎn)足以持續(xù)功率運(yùn)行的冷卻要求。

圖6 機(jī)油和冷卻水循環(huán)回路

峰值功率對(duì)加速性能和回收性能具有決定性的作用，為了提高峰值功率，設(shè)置了一個(gè)內(nèi)部機(jī)油冷卻循環(huán)回路。這種解決方案的缺點(diǎn)是機(jī)油泵的能量需求往往過(guò)高。

為了回避此類(lèi)缺點(diǎn)，采用了由一個(gè)電動(dòng)離心泵組成的離心式甩油冷卻。離心泵將經(jīng)過(guò)水套旁的機(jī)油導(dǎo)入中心軸，同時(shí)由此實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的熱交換。這種離心泵的優(yōu)點(diǎn)是，除了結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單及其制造成本較為低廉之外，能量需求也相對(duì)較低，最大功率消耗僅20 W，輸送機(jī)油所需的更多能量可直接從轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)中獲得。與壓力機(jī)油泵相比，此類(lèi)系統(tǒng)可節(jié)省約50%的能量。

機(jī)油從軸中流出進(jìn)入齒輪組并確保其潤(rùn)滑效果，流出的機(jī)油在轉(zhuǎn)子外緣被截流并被導(dǎo)入疊片鐵芯下方，以用于冷卻轉(zhuǎn)子。機(jī)油在疊片鐵芯兩端被截流從而進(jìn)入支承環(huán)，之后通過(guò)鉆孔被甩向定子繞組兩端，因此即使離心泵消耗較少的電功率，也能使整個(gè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)有效的冷卻，因?yàn)殡姍C(jī)本身也被用作泵的動(dòng)力來(lái)源。采用此類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)的離心泵，機(jī)油流量即可按需進(jìn)行調(diào)整。

6 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)上述驅(qū)動(dòng)單元介紹了新一代電驅(qū)動(dòng)裝置，其可用于當(dāng)前及未來(lái)的電動(dòng)車(chē)和混合動(dòng)力車(chē)。通過(guò)集成度在系統(tǒng)層面上實(shí)現(xiàn)了較高的功率密度，同時(shí)優(yōu)化了整車(chē)的聲學(xué)性能。