本文基于一款新能源乘用車驅動系統高度集成化的開發需求，研發了一款三合一電驅動系統，闡述了該驅動系統的結構方案及電氣原理，介紹了系統冷卻方案，并針對系統的散熱性能進行 熱仿真分析研究，最后制作樣機進行臺架測試，測試結果表明，本文設計的三合一電驅動系統具有良好的輸出性能。

1 結構設計與電氣原理

1.1 集成結構設計

如圖1所示，電機、控制器、減速器構成了三合一電驅動系統總成開發的關鍵技術。驅動 電機的核心結構由定、轉子組件構成，關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；控制器的核心結構由半導體功率器件、直流支撐電容、集成電路芯片及軟件架構等構成；減/變速器關鍵技術主要包括齒輪及軸系、密封與潤滑、離合器、執行機構、駐車系統等。

圖1 三合一電驅動系統關鍵零部件

電驅動系統的技術指標：峰值功率55 kW，峰值轉矩150 N·m，最高轉速10 000 r/min。本文設計的三合一電驅動系統整體結構如圖2所示，驅動電機前端與減速器連接固定，電機控制器安裝于電機與減速器的上方，此方案集成度高，整體體積較小。同時，冷卻技術作為三合一電驅動系統開發的核心，本文將控制器冷卻液出口與電機冷卻液入口集成設計，實現了控制器散熱水道與電機冷卻水道的一體化設計，使得整個產品成本更低、散熱效果更好。

圖2 三合一電驅動系統結構示意圖

1.2 IGBT模塊選型

控制器結構如圖3所示，IGBT作為核心功率器件，其關鍵控制要素包括參數及可靠性要求、過流和短路保護、過電壓保護等。因此，IGBT選型要綜合考慮其自身的輸出效率、控制器運行峰值電壓及驅動電機最大反電動勢等條件。根據技術指標進行計算評估，控制器持續工作電流需達到210 A，故選用斯達HP1 IGBT模塊(型號：GD400FFX65P3S)。

圖3 電機控制器結構示意圖

1.3 電機定、轉子結構設計

為滿足技術指標的要求，定、轉子結構需要經過反復的設計、仿真分析與校核。最終經過計算分析確定鐵心規格：外徑180 mm，長度125 mm。電機機殼采用低壓鑄造成型，機殼內部自帶螺旋式冷卻水道。驅動電機定、轉子結構如圖4所示。

圖4 驅動電機定、轉子結構示意圖

2 冷卻系統設計

不同于分體式電驅動系統，三合一電驅動系統集成度更高，熱量集中，系統的冷卻設計是三合一產品開發過程中的關鍵一環。本文的三合一電驅動系統冷卻水道結構如圖5(a)所示，電機機殼設計有螺旋結構水道，這種結構可以降低流阻，增強對繞組的冷卻效果。電控冷卻水道出口與電機冷卻水道入口集成設計;控制器水道結構如圖5(b)所示，水道內設計云朵狀翅片結構以增大該部分的散熱面積，加強對IGBT的冷卻效果。工作時，冷卻液首先由整車冷卻系統進入電機控制器，對電機控制器進行冷卻散熱后再流入電機，對電機進行冷卻，最終冷卻液從電機出水口流出，完成對系統的冷卻散熱。

(a) 系統冷卻水道結構示意圖

(b) 電機控制器冷卻結構示意圖

圖5 驅動系統冷卻系統結構示意

考慮到電機峰值功率只有55 kW，且機殼內螺旋式冷卻水道持續對本體冷卻散熱，根據經驗判斷電機工作過程中不會出現過溫狀況，因此，峰值工況下的IGBT溫升便作為衡量系統熱可靠性的依據。本文重點針對峰值工況下IGBT的溫升進行了有限元熱仿真分析，以探測IGBT芯片的溫度分布，仿真結果如圖6所示。IGBT芯片最高溫度平衡在148.4 ℃，低于IGBT的長期耐溫要求(150 ℃)，可以滿足產品使用要求。

圖6 峰值工況下IGBT溫度分布

3 三合一系統硬件設計

三合一電驅動系統的電氣原理如圖7所示，控制系統在12 V電源網絡下工作，通過CAN網絡與整車進行通訊，控制器功率部分的逆變單元能夠將直流電轉化為交流電并輸入至永磁同步電動機，控制器成熟的底層配置和軟件算法以及各采樣電路、保護電路，可以確保電機控制器穩定工作。

三合一電驅動系統的PCB由控制板和驅動板組成，驅動單元和控制單元之間通過線束通訊，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、轉子位置檢測電路、電源轉換電路、驅動電路以及各保護功能電路等，這些電路組合在一起共同確保整個三合一電驅動系統的正常工作。

圖7 三合一電驅動系統電氣原理框圖

4 樣機性能實驗驗證

為了進一步研究三合一電驅動系統的輸出性能，制作樣機并對系統的輸出特性、效率以及溫升進行測試，測試臺架如圖8所示。

圖8 三合一電驅動系統臺架測試圖

4.1 系統性能測試

在290 V電壓工況下，分別對樣機進行系統輸出外特性、系統效率、系統溫升的測試。

系統輸出特性如圖9所示，三合一電驅動系統在電動和發電工況下均可以穩定輸出峰值功率55kW和峰值轉矩150N·m。三合一電驅動效率測試結果，如圖10所示，電動工況下，系統最高效率為95.5%，控制器最高效率為98%，電機最高效率為97.5%；發電工況下，系統最高效率為94.5%，控制器最高效率為97.5%，電機最高效率為97.5%。經過軟件計算，系統效率大于80%的面積占比81.0876%，控制器效率大于80%的面積占比93.1055%，電機效率大于80%的面積占比91.172 7%。

(a) 290 V電動工況下電機輸出轉矩曲線

(b) 290 V發電工況下電機輸出轉矩曲線

(c) 290 V電動工況下電機輸出功率曲線

(d) 290 V發電工況下電機輸出功率曲線

圖9 系統輸出特性曲線

(a) 290 V系統效率

(b) 290 V控制器效率

(c) 290 V電機效率

圖10 系統效率MAP圖

4.2 溫升測試

為確定控制器IGBT在峰值工況下的真實溫升，對樣機做溫升實驗。控制器入水口水溫65 ℃，流量8 L/min，峰值工況下的系統溫升曲線如圖11所示。從圖11中可看出，峰值工況下IGBT內檢測到的最高溫度穩定在89℃左右，推算芯片溫度在115 ℃以下，滿足使用要求；電機在60 s時間內達到最高溫度130 ℃左右，滿足磁鋼使用要求。

圖11 峰值工況下系統溫升曲線

5 結 語

本文針對某款新能源車的開發需求，設計了一款三合一電驅動系統，詳細介紹了產品的結構設計、電氣原理以及冷卻系統方案，并對系統的冷卻性能做了熱仿真分析研究。最后，制作樣機進行臺架測試，測試結果表明，本文的三合一電驅動系統具有良好的輸出性能。