余康，曹德峰，劉鵬飛，李云，王忠民，劉偉良

（株洲中車時代電氣股份有限公司，株洲 412001）

引言

汽車產(chǎn)業(yè)是國民經(jīng)濟的重要支柱產(chǎn)業(yè)，在國民經(jīng)濟和社會發(fā)展中發(fā)揮著重要作用。新能源汽車產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展，為我國積極構(gòu)建汽車制造強國提供了重要歷史機遇?！豆?jié)能與新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》（2012-2020年）明確提出：加快培育和發(fā)展節(jié)能汽車與新能源汽車，既是有效緩解能源和環(huán)境壓力，推動汽車產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的緊迫任務(wù)，也是加快汽車產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級、培育新的經(jīng)濟增長點和國際競爭優(yōu)勢的戰(zhàn)略舉措[1]。

電驅(qū)動系統(tǒng)是新能源汽車的動力“心臟”，是新能源汽車企業(yè)之間競爭的重要標(biāo)桿，實現(xiàn)批量產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用對系統(tǒng)集成設(shè)計、產(chǎn)品驗證、物料技術(shù)、量產(chǎn)階段的質(zhì)量控制以及滿足國內(nèi)外發(fā)展趨勢的低成本與高可靠性等有著極其苛刻的要求[2]。從內(nèi)燃機轉(zhuǎn)變?yōu)殡婒?qū)動系統(tǒng)，是新能源汽車與傳統(tǒng)燃油汽車的最大差異。能夠滿足市場應(yīng)用要求并能夠批產(chǎn)的自主可控電驅(qū)動系統(tǒng)，是集IGBT、高可靠性軟硬件設(shè)計體系、驗證技術(shù)及穩(wěn)定生產(chǎn)制造等為一體的核心技術(shù)、創(chuàng)新技術(shù)，是企業(yè)賴以生存、實現(xiàn)品牌自主創(chuàng)新、樹立良好行業(yè)口碑的關(guān)鍵因素，是保證國家科技重大專項既定目標(biāo)良好實現(xiàn)的關(guān)鍵因素，是保證中國由制造大國向制造強國轉(zhuǎn)變的關(guān)鍵因素。

新能源汽車的整車研制及批量化生產(chǎn)中，高效、高可靠性的電驅(qū)動系統(tǒng)是各大汽車研制及生產(chǎn)單位實現(xiàn)其技術(shù)的累積與傳承、顛覆性創(chuàng)新技術(shù)[3]引入及獲得較多市場份額的關(guān)鍵因素，其關(guān)鍵技術(shù)的掌握程度已成為各大車企競爭的核心競爭力。基于國內(nèi)、國際新能源乘用車及關(guān)鍵電驅(qū)動系統(tǒng)總成的實際發(fā)展需求，系統(tǒng)設(shè)計、技術(shù)薄弱環(huán)節(jié)分析、可靠性保證、產(chǎn)品量產(chǎn)階段的質(zhì)量控制等尤為重要。此外，在激烈的市場競爭下，低成本與高可靠成為業(yè)內(nèi)追求的目標(biāo)。

基于自主可控電驅(qū)動系統(tǒng)總成技術(shù)需求，以低成本、高可靠為目標(biāo)，以產(chǎn)品零缺陷為質(zhì)量理念，堅持創(chuàng)新技術(shù)引入、前沿技術(shù)探究，完善了以企業(yè)為主體、市場為導(dǎo)向、產(chǎn)學(xué)研相結(jié)合的技術(shù)創(chuàng)新體系，加強了新能源汽車電驅(qū)動系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究并實現(xiàn)量產(chǎn)，用戶反饋良好。為此，筆者就目前的成功探究及實踐經(jīng)驗進行概括，旨在為國內(nèi)行業(yè)發(fā)展提供借鑒，推動電驅(qū)動系統(tǒng)總成又好又快發(fā)展。

1 二合一電驅(qū)動系統(tǒng)總成及技術(shù)路線

電驅(qū)動系統(tǒng)的深度集成，是目前新能源車企發(fā)展的目標(biāo)，主要包括二合一和三合一動力總成。其中，二合一是電機控制器與電機的集成，三合一是電機控制器、電機與減速器的集成。本單位在二合一、三合一總成方面均已經(jīng)實現(xiàn)量產(chǎn)，并保證了其質(zhì)量與可靠性，用戶反饋良好。某型號二合一產(chǎn)品的實物如圖1所示。

以往的新能源汽車電驅(qū)動系統(tǒng)總成，均由分立的電機控制器、電機及減速器，通過一定的方式組裝于一體。隨著產(chǎn)品輕量化、結(jié)構(gòu)小型化及國內(nèi)外前沿技術(shù)的推動，電驅(qū)動系統(tǒng)的深度集成成為行業(yè)發(fā)展的重點，其技術(shù)掌握程度不僅決定了企業(yè)的行業(yè)影響力，而且決定了未來傳統(tǒng)汽車產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級的總體技術(shù)等。為此，開展了電驅(qū)動系統(tǒng)總成的深度集成化設(shè)計技術(shù)研究。

電驅(qū)動系統(tǒng)總成的研究中，首先制定新能源汽車電驅(qū)動系統(tǒng)項目的總體需求，從系統(tǒng)角度進行功能分解，形成電驅(qū)動系統(tǒng)的總體設(shè)計研究方案。根據(jù)總體方案分解獲得電機控制器和電機的系統(tǒng)設(shè)計方案，并據(jù)此進一步分解為各自的結(jié)構(gòu)設(shè)計、硬件設(shè)計、電磁設(shè)計、軟件設(shè)計和試驗驗證等方案，然后逐步開展詳細(xì)設(shè)計研究，最后依據(jù)擬定的試驗方案對最后的樣機進行試驗驗證。某二合一總成的主要的技術(shù)路線如圖2所示。

圖1 某二合一總成實物圖

圖2 二合一總成技術(shù)路線

2 電驅(qū)動系統(tǒng)總成物料技術(shù)研究

物料，即產(chǎn)品研制及生產(chǎn)階段所有生產(chǎn)資料的總和[4]。綜合分析新能源電驅(qū)動系統(tǒng)總成及其它民用電子產(chǎn)品，其產(chǎn)品能夠達(dá)到預(yù)期設(shè)定壽命甚至超年限服役，其基礎(chǔ)及關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一是物料保證環(huán)節(jié)，且多數(shù)集中于電子物料[5]。為此，本量產(chǎn)的電驅(qū)動系統(tǒng)總成在物料技術(shù)方面開展了詳細(xì)的研究類工作，涵蓋了物料技術(shù)研究類、物料技術(shù)認(rèn)證類及物料技術(shù)資源管理類三大業(yè)務(wù)板塊，實現(xiàn)了從物料選型、物料應(yīng)用、關(guān)鍵物料及風(fēng)險物料的失效分析技術(shù)研究、物料開發(fā)及物料替代到物料技術(shù)資源管理的全過程覆蓋。物料技術(shù)總體及內(nèi)容如圖3所示。

電驅(qū)動系統(tǒng)總成的物料技術(shù)研究中，對IGBT功率模塊、支撐電容及電源芯片等重點物料、關(guān)鍵物料開展了詳細(xì)的技術(shù)研究工作，建立了較為完善的物料選型、物料驗證、物料應(yīng)用、供應(yīng)開發(fā)等體系技術(shù)文檔，對其可能的失效模式、產(chǎn)品應(yīng)用關(guān)鍵問題、材料結(jié)構(gòu)與可靠性、物料壽命預(yù)測模型及物料典型應(yīng)用工況下的實際壽命模擬等進行了詳細(xì)的研究，保證了各類物料的使用可靠性。

圖3 物料技術(shù)總體及內(nèi)容

為了實現(xiàn)成本降低、新技術(shù)研究等多重目標(biāo)，在電驅(qū)動系統(tǒng)總成產(chǎn)品開發(fā)過程中，在物料的固有可靠性保證后，有效結(jié)合了可靠性設(shè)計技術(shù)[6]，涵蓋了可靠性預(yù)計、可靠性分配、故障樹分析(FTA)、故障模式及影響分析(FMEA)及潛在通路分析等，較好地識別了電機控制器控制板與驅(qū)動板的技術(shù)薄弱環(huán)節(jié)，對處于技術(shù)薄弱環(huán)節(jié)的元器件進行重點研究并采用更高等級的元器件，進行了元器件選型、應(yīng)用及驗證技術(shù)層面的分析、驗證，對IGBT功率模塊、三元乙丙橡膠(EPDM)密封圈、支撐電容等關(guān)鍵物料/核心物料開展極限評估技術(shù)研究，并將上述工作獲得的技術(shù)成果反饋于產(chǎn)品研制環(huán)節(jié)。經(jīng)過新技術(shù)探究、顛覆性創(chuàng)新技術(shù)引入、科學(xué)合理的物料管控體系建設(shè)等，研制的電驅(qū)動總成經(jīng)相應(yīng)的試驗驗證效果良好。

上述研究成果，一方面在電驅(qū)動系統(tǒng)新技術(shù)應(yīng)用、前沿技術(shù)探究等方面起到積極推動作用，另一方面能夠?qū)崿F(xiàn)技術(shù)的累積與傳承。此外，還能夠在技術(shù)能力保證的情況下不斷降低因產(chǎn)品質(zhì)量問題導(dǎo)致的人力、物力以及成本的增加，保證其產(chǎn)品能夠滿足用戶不斷提高的要求標(biāo)準(zhǔn)，提高了客戶滿意度，提升了產(chǎn)品核心競爭力，樹立了良好的行業(yè)口碑。

3 電驅(qū)動系統(tǒng)總成驗證技術(shù)研究

為了保證電驅(qū)動系統(tǒng)總成批次性質(zhì)量，其相應(yīng)的驗證技術(shù)研究尤為重要。通過對總成進行科學(xué)、合理的驗證，能夠從技術(shù)層面找出技術(shù)薄弱環(huán)節(jié)或問題風(fēng)險點[7]，進而依據(jù)相應(yīng)的結(jié)果提出改進意見，不斷解決產(chǎn)品研制過程中的各類技術(shù)問題，完善驗證技術(shù)結(jié)構(gòu)體系，有效避免了產(chǎn)品量產(chǎn)后因市場質(zhì)量問題等導(dǎo)致的返修、退換貨以及問題原因查找分析等。

產(chǎn)品驗證技術(shù)研究過程，堅持了國內(nèi)外同行業(yè)技術(shù)調(diào)研并結(jié)合本單位產(chǎn)品特點開展的原則，實現(xiàn)了電驅(qū)動系統(tǒng)總成產(chǎn)品的驗證技術(shù)全面覆蓋。以DV/PV試驗為例，本電驅(qū)動系統(tǒng)總成的驗證技術(shù)[8]堅持國內(nèi)、國際行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)比對分析原則，對各類試驗的適用性等進行了詳細(xì)研究，得出能夠適用于在研/量產(chǎn)電驅(qū)動系統(tǒng)總成的DV/PV試驗共計30余項，涵蓋了電性能、外觀檢查、液冷系統(tǒng)冷卻回路密封性能、溫度循環(huán)試驗、防水試驗及耐振動試驗等，保證了電驅(qū)動系統(tǒng)總成驗證技術(shù)的科學(xué)性、符合性、合理性及先進性。因DV/PV試驗工作項目較多，本文以電機控制器總成機械沖擊和正弦振動為例進行描述，其試驗項目如表1所示，相應(yīng)的譜圖如表2所示。

表1 電機控制器機械沖擊與正弦振動實驗條件

表2 電機控制器機械沖擊結(jié)果圖譜

4 產(chǎn)品量產(chǎn)階段質(zhì)量控制研究

產(chǎn)品質(zhì)量是制造企業(yè)的生命線，產(chǎn)品質(zhì)量直接影響產(chǎn)品的市場銷量，直接決定了企業(yè)能否深入發(fā)展。生產(chǎn)過程中，會因各種原因?qū)е鲁霈F(xiàn)很多質(zhì)量類問題，產(chǎn)品銷售于市場后其返修率、退回率較高，從而導(dǎo)致人力、財力和物力的浪費，典型問題是所有物料均合格但制造出來的產(chǎn)品問題頻發(fā)[9]。因此，如何保證電驅(qū)動系統(tǒng)總成的可制造性，是量產(chǎn)環(huán)節(jié)需要解決的關(guān)鍵問題。為此，本單位開展了產(chǎn)品量產(chǎn)階段的質(zhì)量控制研究類工作。

產(chǎn)品質(zhì)量的保證，一方面是產(chǎn)品來料檢驗環(huán)節(jié)，另一方面是量產(chǎn)階段的質(zhì)量控制。此外，還包括產(chǎn)品研制過程中的質(zhì)量問題處理以及各類物料本身質(zhì)量及裝配質(zhì)量。本電驅(qū)動系統(tǒng)總成量產(chǎn)階段，制定了來料檢驗標(biāo)準(zhǔn)并進行了較為嚴(yán)格的來料檢驗，包括機械零部件的表面粗糙度、尺寸和形位誤差的測量、材料化學(xué)成分及組織結(jié)構(gòu)的表征，材料力學(xué)性能及表面缺陷檢測，密封圈高分子材料的比較分析等，從而判定零部件是否滿足產(chǎn)品實際技術(shù)要求[10]。元器件方面進行外觀檢查及性能檢查等，期間關(guān)注了假冒翻新元器件的識別。產(chǎn)品量產(chǎn)階段，較好地應(yīng)用了汽車行業(yè)質(zhì)量管理工具，結(jié)合自身產(chǎn)品建立了較為詳細(xì)的質(zhì)量大綱及質(zhì)量控制程序文件等并有效執(zhí)行，保證了量產(chǎn)產(chǎn)品的批次性質(zhì)量。

電驅(qū)動系統(tǒng)總成的批量化生產(chǎn)環(huán)節(jié)，在產(chǎn)品成本、技術(shù)競爭的情形下，其各類物料不可能類似軍品進行100 %的質(zhì)量保證，其零部件存在缺陷和偏差在所難免[11]。因此，電驅(qū)動系統(tǒng)量產(chǎn)階段的質(zhì)量控制以及使用環(huán)節(jié)的故障分析等，對后續(xù)量產(chǎn)產(chǎn)品具有較大的促進作用。為此，用戶使用環(huán)節(jié)的電驅(qū)動系統(tǒng)總成出現(xiàn)故障時，及時進行產(chǎn)品修復(fù)并與用戶保持良好的合作關(guān)系，同時基于該類售后問題進行原因分析，解決相關(guān)問題并提出合理化的整改措施，建立質(zhì)量信息統(tǒng)計數(shù)據(jù)庫并實現(xiàn)供應(yīng)商的合理管控。上述工作的有序開展，顯著降低了同類產(chǎn)品的故障率，量產(chǎn)的電驅(qū)動系統(tǒng)總成用戶整體反饋良好。

本文以某驅(qū)動電機軸承損壞及解決措施為例，出現(xiàn)問題環(huán)節(jié)是高速循環(huán)耐久試驗。試驗過程中，發(fā)現(xiàn)對拖中有一臺電機（轉(zhuǎn)矩環(huán)）發(fā)生轉(zhuǎn)軸抱死故障，其高速循環(huán)耐久試驗擬開展240 h，當(dāng)試驗進行到186 h時，電機發(fā)生轉(zhuǎn)軸抱死故障，其轉(zhuǎn)軸形貌如圖4所示。

對故障電機進行拆解分析，發(fā)現(xiàn)該電機的旋變定轉(zhuǎn)子、非傳動端軸承均已嚴(yán)重?zé)龤?，且軸承內(nèi)圈與轉(zhuǎn)軸出現(xiàn)松脫，軸承內(nèi)圈呈現(xiàn)橢圓形且與轉(zhuǎn)軸之間存在毫米級間隙。由于非傳動端軸承被破壞，電機靠近非傳動端位置處出現(xiàn)定轉(zhuǎn)子掃膛。將電機定轉(zhuǎn)子解體分離后，復(fù)測定子三相直流電阻，阻值均在合格范圍。同時，測量定子對地絕緣和匝間耐壓，均滿足技術(shù)要求。研究分析該電機的軸承損壞非電機絕緣問題引起的故障，而為偶發(fā)性機械故障導(dǎo)致電機的軸承損壞。上述問題的分析，對后續(xù)類似問題的分析有一定的參考價值。

圖4 某電機轉(zhuǎn)軸形貌

電驅(qū)動系統(tǒng)總成量產(chǎn)過程中，始終堅持各種質(zhì)量問題統(tǒng)計、原因分析原則并制定整改對策，及時將整改對策等信息反饋于生產(chǎn)線，同時在電機部門、電機控制器部門、質(zhì)量部、采購部等開展質(zhì)量問題培訓(xùn)，提高相關(guān)工作人員的質(zhì)量意識，顯著降低了電驅(qū)動系統(tǒng)總成批產(chǎn)后因質(zhì)量問題造成的售后維修及索賠費用等問題，提高了用戶滿意度，同時為后期產(chǎn)品量產(chǎn)質(zhì)量問題改進、質(zhì)量能力提升等不斷積累經(jīng)驗。

5 低成本高可靠要求下的電裝工藝評價技術(shù)研究

隨著國內(nèi)外半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，制備的元器件功能、性能逐漸趨于穩(wěn)定，批次性質(zhì)量問題較少發(fā)生。目前的半導(dǎo)體器件正朝結(jié)構(gòu)小型化、功能多樣化方向發(fā)展，65 nm制程及以下的工藝器件已經(jīng)上市并批量使用[12]，尤其是各類產(chǎn)品開發(fā)中有效地結(jié)合了可編程邏輯器件（如FPGA、CPLD），大大推動了電子產(chǎn)品的發(fā)展。然而，在激烈的市場競爭下，結(jié)構(gòu)小型、功能先進的低成本與高可靠產(chǎn)品成為各行業(yè)的主要研究目標(biāo)，其技術(shù)的掌握及應(yīng)用程度成為各電驅(qū)動系統(tǒng)總成研制及生產(chǎn)單位核心競爭力的重要體現(xiàn)。

電驅(qū)動系統(tǒng)總成，其產(chǎn)品壽命能否達(dá)到用戶要求，量產(chǎn)產(chǎn)品能否減少質(zhì)量問題，其電路板的電裝工藝保證至關(guān)重要。隨著產(chǎn)品結(jié)構(gòu)小型、功能多樣及電驅(qū)動系統(tǒng)集成技術(shù)的發(fā)展，要求選用的PCB盡可能精細(xì)，而PCB上布置的元器件盡可能多且間距越來越小，新型元器件數(shù)量增多[13]。此外，全球無鉛、無鹵工藝的實施，傳統(tǒng)的成熟可靠的有鉛電裝工藝（63Sn37Pb）逐步被無鉛工藝（SAC焊料）所取代。傳統(tǒng)有鉛工藝焊接典型溫度為183 ℃，而無鉛工藝焊接典型溫度為217 ℃，兩者相差近40 ℃[14]；此外，焊接時間也存在差異，有鉛工藝焊接時間一般為3～5 s，而無鉛工藝焊接時間通常為數(shù)十秒，且無鉛工藝容易出現(xiàn)系列可靠性問題，如PCB分層、爆板、虛焊、元器件立碑、導(dǎo)電陽極絲（CAF）以及黑焊盤等[15]，成為電子產(chǎn)品行業(yè)面臨的共性技術(shù)問題，也成為影響電路板壽命的關(guān)鍵因素，尤其是無鉛工藝下元器件溫度適應(yīng)性問題、潤濕性問題等。

基于電驅(qū)動系統(tǒng)總成實際要求，研究過程結(jié)合了可靠性系統(tǒng)工程理論，對驅(qū)動電路板、驅(qū)動控制板以及IGBT模塊、直流薄膜支撐電容等關(guān)鍵、核心物料，開展了典型應(yīng)用工況下的典型應(yīng)力對產(chǎn)品可靠性的影響研究，包含溫度、振動典型應(yīng)力對產(chǎn)品可靠性的影響行為研究、不同應(yīng)力下SAC焊料焊點微觀層面的技術(shù)分析研究、金屬間化合物（IMC）的生長規(guī)律技術(shù)研究、錫須生長規(guī)律技術(shù)研究及抑制措施技術(shù)研究、三防工藝技術(shù)研究及靜電防護技術(shù)研究等，不斷建立、驗證并夯實了電裝工藝評價技術(shù)。此外，研究中對機電系統(tǒng)，有效地建立了威布爾分布模型；對電子產(chǎn)品有效地建立了阿倫尼斯模型并經(jīng)過實踐檢驗，保證了電驅(qū)動系統(tǒng)的電裝工藝可靠性，保證了批次性產(chǎn)品質(zhì)量。

基于國產(chǎn)自主新能源汽車電驅(qū)動系統(tǒng)總成量產(chǎn)項目的關(guān)鍵技術(shù)研究，還涉及的其它內(nèi)容，在此不進行闡述。

6 結(jié)論

本文就國產(chǎn)自主新能源汽車電驅(qū)動系統(tǒng)總成量產(chǎn)項目的關(guān)鍵技術(shù)開展相應(yīng)技術(shù)研究并實現(xiàn)量產(chǎn)，其主要結(jié)論如下：

1）二合一產(chǎn)品深度集成技術(shù)?；谛履茉雌囯婒?qū)動系統(tǒng)項目總體需求，從系統(tǒng)角度進行功能分解，形成總體設(shè)計方案。

2）物料技術(shù)體系及研究。涵蓋了物料技術(shù)研究類、物料技術(shù)認(rèn)證類及物料技術(shù)資源管理類三大業(yè)務(wù)板塊，實現(xiàn)了產(chǎn)品研制及量產(chǎn)物料保證的全過程覆蓋。

3）電驅(qū)動系統(tǒng)總成驗證技術(shù)。堅持了國內(nèi)外同行業(yè)技術(shù)調(diào)研并結(jié)合產(chǎn)品自身特點開展相應(yīng)工作，完善了電驅(qū)動系統(tǒng)總成的驗證技術(shù)。

4）產(chǎn)品量產(chǎn)階段質(zhì)量控制技術(shù)。產(chǎn)品量產(chǎn)階段，結(jié)合汽車行業(yè)質(zhì)量管理工具，建立了較為詳細(xì)的質(zhì)量控制措施并保證了產(chǎn)品的量產(chǎn)質(zhì)量。

5）電裝工藝評價技術(shù)。對電子產(chǎn)品開展電裝工藝評價技術(shù)研究，量產(chǎn)產(chǎn)品整體反饋良好。