陳 雷，魏粲然，陳登峰，宋君峰

(1.上海汽車電驅(qū)動(dòng)有限公司，上海 201806；上海電驅(qū)動(dòng)股份有限公司，上海 201806；3.上海汽車電驅(qū)動(dòng)工程技術(shù)研究中心， 上海 201806)

0 引 言

新能源汽車在不斷發(fā)展，驅(qū)動(dòng)電機(jī)、電機(jī)控制器與減速器作為新能源汽車的三大關(guān)鍵零部件，正朝著集成化、小型化和輕量化的方向發(fā)展[1-2]。驅(qū)動(dòng)電機(jī)、電機(jī)控制器、減速器的集成可以省去三相線束、水管等結(jié)構(gòu)件，帶來(lái)了裝配上的便利，也降低了產(chǎn)品成本與體積，且系統(tǒng)的可靠性也得到了大幅提升[3]。目前，三合一電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)已經(jīng)成為國(guó)內(nèi)外研究的重點(diǎn)，乘用車市場(chǎng)上，以麥格納、博世、西門(mén)子、博格華納等為代表的電驅(qū)系統(tǒng)集成廠商率先推出了一系列電驅(qū)動(dòng)總成產(chǎn)品，并已實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)配套[4-5]。國(guó)內(nèi)關(guān)于三合一電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的研究雖起步較晚，但發(fā)展迅速，近年來(lái)以上海電驅(qū)動(dòng)、精進(jìn)電動(dòng)、比亞迪等為代表的一批廠商也相繼推出了三合一電驅(qū)動(dòng)總成產(chǎn)品，并已批量應(yīng)用于國(guó)內(nèi)多款新能源乘用車[6-7]。本文正是基于一款新能源乘用車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)高度集成化的開(kāi)發(fā)需求，研發(fā)了一款三合一電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，闡述了該驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)方案及電氣原理，介紹了系統(tǒng)冷卻方案，并針對(duì)系統(tǒng)的散熱性能進(jìn)行熱仿真分析研究，最后制作樣機(jī)進(jìn)行臺(tái)架測(cè)試，測(cè)試結(jié)果表明，本文設(shè)計(jì)的三合一電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)具有良好的輸出性能。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與電氣原理

1.1 集成結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

如圖1所示，電機(jī)、控制器、減速器構(gòu)成了三合一電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)總成開(kāi)發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)。驅(qū)動(dòng)電機(jī)的核心結(jié)構(gòu)由定、轉(zhuǎn)子組件構(gòu)成，關(guān)鍵材料包括鐵心材料、永磁體、電磁線、高速軸承和位置傳感器等；控制器的核心結(jié)構(gòu)由半導(dǎo)體功率器件、直流支撐電容、集成電路芯片及軟件架構(gòu)等構(gòu)成；減/變速器關(guān)鍵技術(shù)主要包括齒輪及軸系、密封與潤(rùn)滑、離合器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、駐車系統(tǒng)等[8]。

圖1 三合一電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)關(guān)鍵零部件

電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)：峰值功率55 kW，峰值轉(zhuǎn)矩150 N·m，最高轉(zhuǎn)速10 000 r/min。本文設(shè)計(jì)的三合一電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖2所示，驅(qū)動(dòng)電機(jī)前端與減速器連接固定，電機(jī)控制器安裝于電機(jī)與減速器的上方，此方案集成度高，整體體積較小。同時(shí)，冷卻技術(shù)作為三合一電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的核心，本文將控制器冷卻液出口與電機(jī)冷卻液入口集成設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了控制器散熱水道與電機(jī)冷卻水道的一體化設(shè)計(jì)，使得整個(gè)產(chǎn)品成本更低、散熱效果更好。

圖2 三合一電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 IGBT模塊選型

控制器結(jié)構(gòu)如圖3所示，IGBT作為核心功率器件，其關(guān)鍵控制要素包括參數(shù)及可靠性要求、過(guò)流和短路保護(hù)、過(guò)電壓保護(hù)等。因此，IGBT選型要綜合考慮其自身的輸出效率、控制器運(yùn)行峰值電壓及驅(qū)動(dòng)電機(jī)最大反電動(dòng)勢(shì)等條件。根據(jù)技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行計(jì)算評(píng)估，控制器持續(xù)工作電流需達(dá)到210 A，故選用斯達(dá)HP1 IGBT模塊(型號(hào)：GD400FFX65P3S)。

圖3 電機(jī)控制器結(jié)構(gòu)示意圖

1.3 電機(jī)定、轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為滿足技術(shù)指標(biāo)的要求，定、轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)需要經(jīng)過(guò)反復(fù)的設(shè)計(jì)、仿真分析與校核。最終經(jīng)過(guò)計(jì)算分析確定鐵心規(guī)格：外徑180 mm，長(zhǎng)度125 mm。電機(jī)機(jī)殼采用低壓鑄造成型，機(jī)殼內(nèi)部自帶螺旋式冷卻水道。驅(qū)動(dòng)電機(jī)定、轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 驅(qū)動(dòng)電機(jī)定、轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)示意圖

2 冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)

不同于分體式電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，三合一電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)集成度更高，熱量集中，系統(tǒng)的冷卻設(shè)計(jì)是三合一產(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)程中的關(guān)鍵一環(huán)。本文的三合一電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)冷卻水道結(jié)構(gòu)如圖5(a)所示，電機(jī)機(jī)殼設(shè)計(jì)有螺旋結(jié)構(gòu)水道，這種結(jié)構(gòu)可以降低流阻，增強(qiáng)對(duì)繞組的冷卻效果。電控冷卻水道出口與電機(jī)冷卻水道入口集成設(shè)計(jì);控制器水道結(jié)構(gòu)如圖5(b)所示，水道內(nèi)設(shè)計(jì)云朵狀翅片結(jié)構(gòu)以增大該部分的散熱面積，加強(qiáng)對(duì)IGBT的冷卻效果。工作時(shí)，冷卻液首先由整車?yán)鋮s系統(tǒng)進(jìn)入電機(jī)控制器，對(duì)電機(jī)控制器進(jìn)行冷卻散熱后再流入電機(jī)，對(duì)電機(jī)進(jìn)行冷卻，最終冷卻液從電機(jī)出水口流出，完成對(duì)系統(tǒng)的冷卻散熱。

(a) 系統(tǒng)冷卻水道結(jié)構(gòu)示意圖

(b) 電機(jī)控制器冷卻結(jié)構(gòu)示意圖

考慮到電機(jī)峰值功率只有55 kW，且機(jī)殼內(nèi)螺旋式冷卻水道持續(xù)對(duì)本體冷卻散熱，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)判斷電機(jī)工作過(guò)程中不會(huì)出現(xiàn)過(guò)溫狀況，因此，峰值工況下的IGBT溫升便作為衡量系統(tǒng)熱可靠性的依據(jù)。本文重點(diǎn)針對(duì)峰值工況下IGBT的溫升進(jìn)行了有限元熱仿真分析，以探測(cè)IGBT芯片的溫度分布，仿真結(jié)果如圖6所示。IGBT芯片最高溫度平衡在148.4 ℃，低于IGBT的長(zhǎng)期耐溫要求(150 ℃)，可以滿足產(chǎn)品使用要求。

圖6 峰值工況下IGBT溫度分布

3 三合一系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

三合一電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的電氣原理如圖7所示，控制系統(tǒng)在12 V電源網(wǎng)絡(luò)下工作，通過(guò)CAN網(wǎng)絡(luò)與整車進(jìn)行通訊，控制器功率部分的逆變單元能夠?qū)⒅绷麟娹D(zhuǎn)化為交流電并輸入至永磁同步電動(dòng)機(jī)，控制器成熟的底層配置和軟件算法以及各采樣電路、保護(hù)電路，可以確保電機(jī)控制器穩(wěn)定工作。

三合一電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的PCB由控制板和驅(qū)動(dòng)板組成，驅(qū)動(dòng)單元和控制單元之間通過(guò)線束通訊，避免高低壓之間的干擾。PCB電路通常集成有通訊電路、溫度采樣電路、電壓采樣電路、相電流采樣電路、轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)電路、電源轉(zhuǎn)換電路、驅(qū)動(dòng)電路以及各保護(hù)功能電路等，這些電路組合在一起共同確保整個(gè)三合一電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的正常工作。

圖7 三合一電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)電氣原理框圖

4 樣機(jī)性能實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了進(jìn)一步研究三合一電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的輸出性能，制作樣機(jī)并對(duì)系統(tǒng)的輸出特性、效率以及溫升進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試臺(tái)架如圖8所示。

圖8 三合一電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)臺(tái)架測(cè)試圖

4.1 系統(tǒng)性能測(cè)試

在290 V電壓工況下，分別對(duì)樣機(jī)進(jìn)行系統(tǒng)輸出外特性、系統(tǒng)效率、系統(tǒng)溫升的測(cè)試。

系統(tǒng)輸出特性如圖9所示，三合一電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在電動(dòng)和發(fā)電工況下均可以穩(wěn)定輸出峰值功率55kW和峰值轉(zhuǎn)矩150N·m。三合一電驅(qū)動(dòng)效率測(cè)試結(jié)果，如圖10所示，電動(dòng)工況下，系統(tǒng)最高效率為95.5%，控制器最高效率為98%，電機(jī)最高效率為97.5%；發(fā)電工況下，系統(tǒng)最高效率為94.5%，控制器最高效率為97.5%，電機(jī)最高效率為97.5%。經(jīng)過(guò)軟件計(jì)算，系統(tǒng)效率大于80%的面積占比81.0876%，控制器效率大于80%的面積占比93.1055%，電機(jī)效率大于80%的面積占比91.172 7%。

(a) 290 V電動(dòng)工況下電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩曲線

(b) 290 V發(fā)電工況下電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩曲線

(c) 290 V電動(dòng)工況下電機(jī)輸出功率曲線

(d) 290 V發(fā)電工況下電機(jī)輸出功率曲線

(a) 290 V系統(tǒng)效率

(b) 290 V控制器效率

(c) 290 V電機(jī)效率

4.2 溫升測(cè)試

為確定控制器IGBT在峰值工況下的真實(shí)溫升，對(duì)樣機(jī)做溫升實(shí)驗(yàn)。控制器入水口水溫65 ℃，流量8 L/min，峰值工況下的系統(tǒng)溫升曲線如圖11所示。從圖11中可看出，峰值工況下IGBT內(nèi)檢測(cè)到的最高溫度穩(wěn)定在89℃左右，推算芯片溫度在115 ℃以下，滿足使用要求；電機(jī)在60 s時(shí)間內(nèi)達(dá)到最高溫度130 ℃左右，滿足磁鋼使用要求。

圖11 峰值工況下系統(tǒng)溫升曲線

5 結(jié) 語(yǔ)

本文針對(duì)某款新能源車的開(kāi)發(fā)需求，設(shè)計(jì)了一款三合一電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，詳細(xì)介紹了產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、電氣原理以及冷卻系統(tǒng)方案，并對(duì)系統(tǒng)的冷卻性能做了熱仿真分析研究。最后，制作樣機(jī)進(jìn)行臺(tái)架測(cè)試，測(cè)試結(jié)果表明，本文的三合一電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)具有良好的輸出性能。