三合一電驅(qū)系統(tǒng)的案例
三合一電驅(qū)系統(tǒng)可靠性試驗研究與應(yīng)用
隨著汽車電氣化的不斷發(fā)展，零部件的集成化設(shè)計趨勢亦不斷推進，三合一驅(qū)動總成方案成為各廠家競爭的熱土。相對早期電驅(qū)方案，三合一電驅(qū)系統(tǒng)具備以下優(yōu)勢：結(jié)構(gòu)緊湊、體積變小，利于布置；質(zhì)量輕，低行駛能耗；三相直連，可靠又經(jīng)濟；重心下降，利于整車操控；高速傳動，帶來較高扭矩容量和總成效率提升；可擴展的模塊化設(shè)計，大大縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，降低開發(fā)成本效益。
1 三合一電驅(qū)系統(tǒng)概述
文中以圖1所示的三合一電驅(qū)系統(tǒng)為研究對象，主要由控制器、減速器和電機三部分組成，此結(jié)構(gòu)擺脫了電機、減速器和控制器單獨設(shè)計再組裝的思路，直接將三者進行一體化設(shè)計。此結(jié)構(gòu)具有高扭矩容量、可攜帶更高轉(zhuǎn)速電機的優(yōu)點，但對于齒輪和軸承的耐久性、殼體強度、油封密封性都提出了更高的要求，尤其是電機控制器，需要和電機作為一個主體運行，與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)相比，其運行環(huán)境發(fā)生了變化，可靠性要求更為苛刻，因此對三合一電驅(qū)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可靠性驗證具有重要意義。三合一電驅(qū)系統(tǒng)是由機械部件和電子部件組成的復(fù)雜綜合體，其可靠性取決于模塊自身的可靠性及模塊間組合方式和相互匹配，由于時間和篇幅限制，文中著重對三合一電驅(qū)動系統(tǒng)機械機構(gòu)的可靠性進行驗證。
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隨著汽車電氣化的不斷發(fā)展，零部件的集成化設(shè)計趨勢亦不斷推進，三合一驅(qū)動總成方案成為各廠家競爭的熱土。相對早期電驅(qū)方案，三合一電驅(qū)系統(tǒng)具備以下優(yōu)勢：結(jié)構(gòu)緊湊、體積變小，利于布置；質(zhì)量輕，低行駛能耗；三相直連，可靠又經(jīng)濟；重心下降，利于整車操控；高速傳動，帶來較高扭矩容量和總成效率提升；可擴展的模塊化設(shè)計，大大縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，降低開發(fā)成本效益。
1 三合一電驅(qū)系統(tǒng)概
圖1 三合一電驅(qū)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
2、三合一電驅(qū)系統(tǒng)可靠性研究的依據(jù)
汽車產(chǎn)品可靠性是指在一定時間內(nèi)、一定條件下，無故障地執(zhí)行指定功能的能力或可能性。對于機械結(jié)構(gòu)，其失效約90%來源于疲勞。
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隨著汽車電氣化的不斷發(fā)展，零部件的集成化設(shè)計趨勢亦不斷推進，三合一驅(qū)動總成方案成為各廠家競爭的熱土。相對早期電驅(qū)方案，三合一電驅(qū)系統(tǒng)具備以下優(yōu)勢：結(jié)構(gòu)緊湊、體積變小，利于布置；質(zhì)量輕，低行駛能耗；三相直連，可靠又經(jīng)濟；重心下降，利于整車操控；高速傳動，帶來較高扭矩容量和總成效率提升；可擴展的模塊化設(shè)計，大大縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，降低開發(fā)成本效益。
1 三合一電驅(qū)系統(tǒng)概
圖1 三合一電驅(qū)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
2、三合一電驅(qū)系統(tǒng)可靠性研究的依據(jù)
汽車產(chǎn)品可靠性是指在一定時間內(nèi)、一定條件下，無故障地執(zhí)行指定功能的能力或可能性。對于機械結(jié)構(gòu)，其失效約90%來源于疲勞。
展開 國外電動汽車三合一電驅(qū)系統(tǒng)
國外電動汽車三合一電驅(qū)系統(tǒng)
國外電動汽車三合一電驅(qū)系統(tǒng)
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三合一電驅(qū)動系統(tǒng)振動噪聲分析研究
三合一電驅(qū)系統(tǒng)具備以下優(yōu)勢：結(jié)構(gòu)緊湊,利于布置;質(zhì)量輕,行駛能耗低;三相直連,可靠又經(jīng)濟;重心下降,利于整車操控;高速傳動,帶來較高的扭矩容量和總成效率的提升[3]。相比于傳統(tǒng)驅(qū)動電機,三合一電驅(qū)動系統(tǒng)帶來了其他的振動噪聲問題,主要是電磁噪聲和機械噪聲。電磁噪聲主要由徑向電磁力產(chǎn)生,目前已對電磁噪聲的產(chǎn)生機理進行了深入研究。文獻[4]指出電磁振動是定子與轉(zhuǎn)子間徑向力、切向力的脈動引起的；文獻[5]研究了轉(zhuǎn)子不同斜極方式對電機電磁力的影響,發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)子斜極可以有效降低徑向力波,機械噪聲主要由減速器齒輪嚙合和控制器結(jié)構(gòu)振動所產(chǎn)生。
本文對某新型三合一電驅(qū)動系統(tǒng)進行振動噪聲測試,發(fā)現(xiàn)控制器蓋板發(fā)生共振,輻射出強烈的噪聲;提出從“源”與“接受者”(電機激勵與控制器蓋板)進行優(yōu)化,通過對轉(zhuǎn)子開槽減小徑向電磁力波,通過對蓋板進行加筋與加厚處理,增加蓋板的剛度。試驗結(jié)果表明,優(yōu)化后的驅(qū)動系統(tǒng)噪聲水平顯著降低。
1 驅(qū)動系統(tǒng)振動噪聲產(chǎn)生機理
1.1 驅(qū)動電機徑向電磁力分析
電機中,主磁通沿徑向進入氣隙,并在轉(zhuǎn)子和定子上產(chǎn)生徑向力,從而引起電磁振動和噪聲。作用于定子鐵芯內(nèi)表面單位面積上的徑向電磁力[6]可以表示為:
(1)
其中:b(θ,t)為氣隙磁密;μ0=4π×10-7H/m;θ為空間角度;t為時間。
當忽略飽和時,氣隙磁密為:
b(θ,t)=f (θ,t) λ(θ,t)
(2)
其中:λ(θ,t)為氣隙磁導;f (θ,t)為氣隙磁勢。
在電機振動問題中,可能引起電機強烈振動噪聲的力波具有以下3個特點:① 力波的幅值較大;② 力波的階次較低;③ 力波的力型及變化頻率與結(jié)構(gòu)的振型及固有頻率接近,易引起共振。
展開 【NVH專欄】三合一電驅(qū)動系統(tǒng)振動噪聲分析研究
三合一電驅(qū)系統(tǒng)具備以下優(yōu)勢：結(jié)構(gòu)緊湊,利于布置;質(zhì)量輕,行駛能耗低;三相直連,可靠又經(jīng)濟;重心下降,利于整車操控;高速傳動,帶來較高的扭矩容量和總成效率的提升[3]。相比于傳統(tǒng)驅(qū)動電機,三合一電驅(qū)動系統(tǒng)帶來了其他的振動噪聲問題,主要是電磁噪聲和機械噪聲。電磁噪聲主要由徑向電磁力產(chǎn)生,目前已對電磁噪聲的產(chǎn)生機理進行了深入研究。文獻[4]指出電磁振動是定子與轉(zhuǎn)子間徑向力、切向力的脈動引起的；文獻[5]研究了轉(zhuǎn)子不同斜極方式對電機電磁力的影響,發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)子斜極可以有效降低徑向力波,機械噪聲主要由減速器齒輪嚙合和控制器結(jié)構(gòu)振動所產(chǎn)生。
本文對某新型三合一電驅(qū)動系統(tǒng)進行振動噪聲測試,發(fā)現(xiàn)控制器蓋板發(fā)生共振,輻射出強烈的噪聲;提出從“源”與“接受者”(電機激勵與控制器蓋板)進行優(yōu)化,通過對轉(zhuǎn)子開槽減小徑向電磁力波,通過對蓋板進行加筋與加厚處理,增加蓋板的剛度。試驗結(jié)果表明,優(yōu)化后的驅(qū)動系統(tǒng)噪聲水平顯著降低。
1 驅(qū)動系統(tǒng)振動噪聲產(chǎn)生機理
1.1 驅(qū)動電機徑向電磁力分析
電機中,主磁通沿徑向進入氣隙,并在轉(zhuǎn)子和定子上產(chǎn)生徑向力,從而引起電磁振動和噪聲。作用于定子鐵芯內(nèi)表面單位面積上的徑向電磁力[6]可以表示為:
(1)
其中:b(θ,t)為氣隙磁密;μ0=4π×10-7H/m;θ為空間角度;t為時間。
當忽略飽和時,氣隙磁密為:
b(θ,t)=f (θ,t) λ(θ,t)
(2)
其中:λ(θ,t)為氣隙磁導;f (θ,t)為氣隙磁勢。
在電機振動問題中,可能引起電機強烈振動噪聲的力波具有以下3個特點:① 力波的幅值較大;② 力波的階次較低;③ 力波的力型及變化頻率與結(jié)構(gòu)的振型及固有頻率接近,易引起共振。
展開 電驅(qū)系統(tǒng)-電驅(qū)系統(tǒng)圖解
電驅(qū)系統(tǒng)-電驅(qū)系統(tǒng)圖解
一種基于V模型下針對三合一電驅(qū)總成的NVH優(yōu)化型研發(fā)方案
摘要:
本文針對新能源車用三合一電驅(qū)總成NVH系統(tǒng)研發(fā)，提出了一種基于V模式的優(yōu)化型研發(fā)方案。
通過建模與仿真不僅復(fù)現(xiàn)了電磁力和齒輪嚙合剛度波動從激勵源到傳遞路徑(三合一電驅(qū)總成的結(jié)構(gòu))再到振動、噪聲響應(yīng)上的表現(xiàn)，而且追溯到了非聲源的控制器的平板金屬部件是噪聲放大的主要原因。
針對該現(xiàn)象，通過拓撲優(yōu)化提升固有頻率300~500 Hz，使平板件的噪聲由結(jié)構(gòu)噪聲傳遞為主向空氣噪聲傳遞為主轉(zhuǎn)變，再加上聲學包裹等措施，綜合性的降低噪聲10~20 dB (A)。
建模與仿真、測試和優(yōu)化通過這種基于V模式的優(yōu)化方案有機的結(jié)合到一起，節(jié)省了在子系統(tǒng)所占用的開發(fā)時間和開發(fā)成本。
關(guān)鍵詞:
V模型
；NVH (噪聲、振動及聲振粗糙度)
；電驅(qū)動
；MBS (多體動力學)
；電磁噪聲
；齒輪嚙合
；拓撲優(yōu)化
；PEU (控制單元)
；ODS (工作變形分析)
；
1. 引言
新能源汽車運行時，驅(qū)動總成的部分能量會以電磁噪聲和齒輪嚙合噪聲的方式通過自身的結(jié)構(gòu)路徑及周圍的空氣路徑傳遞出來。這三類分總成在機械性能上的較大差異使得三合一電驅(qū)總成NVH性能開發(fā)成為一項復(fù)雜的系統(tǒng)工程開發(fā)。
綜合新能源電驅(qū)總成NVH特性、汽車零配件開發(fā)體系復(fù)雜的特點和量產(chǎn)開發(fā)時間的限制，在系統(tǒng)集成開發(fā)上，通常會通過引入開發(fā)模型來指導產(chǎn)品研發(fā)，常見的有瀑布模型、螺旋模型、快速原型模型和V模型等等。
鑒于V模型本身的開發(fā)、驗證的對稱性和廣泛應(yīng)用于系統(tǒng)工程的經(jīng)驗，本文提出了一種基于V模型下針對三合一電驅(qū)總成的NVH優(yōu)化型研發(fā)方案來指導新能源汽車三合一電驅(qū)動總成的研發(fā)。
2. 方案
2.1.
展開 DANA(德納)電驅(qū)橋&電驅(qū)系統(tǒng)介紹
產(chǎn)品特性：
滿載重量：19T
最大軸荷：12.5T
最高車速：55mhp
峰值功率：235kW
最大輸出扭矩：19000Nm
eS1100r 48V e-Axle(特殊車輛)
eS2000i e-Drive(乘用車)
產(chǎn)品特性：
超緊湊型中電壓驅(qū)動系統(tǒng)
峰值功率：90kW
峰值扭矩：2140Nm
最高電機轉(zhuǎn)速：14000rpm
減速比：12.24
電機+減速器重量：45-57kg
高扭矩和功率密度
傳動比和封裝高度模塊化
TM4系統(tǒng)(集成電機電控驅(qū)動系統(tǒng))
產(chǎn)品特性：
峰值功率：180kW
峰值扭矩：360Nm
最高電機轉(zhuǎn)速：15000rpm
基礎(chǔ)化方案：控制器比上一代小33%
預(yù)德納減速器和車橋易于集成
eS2500i-TV e-Drive(高性能車)
產(chǎn)品特性：
400V雙電機驅(qū)動系統(tǒng)
峰值功率：162kW
最大輸出扭矩：2500Nm
最高輸入轉(zhuǎn)速：25000rpm
減速比：14.58
系統(tǒng)重量：60kg
扭矩矢量控制能力
全集成高性能智能電磁斷開系統(tǒng)
SUMO LD Motor+CO150 Inverter
產(chǎn)品特性：
電驅(qū)橋匹配應(yīng)用
三相電機
最高電壓：750V
峰值功率：200-275kW
持續(xù)功率：100-160kW
SUMO MD Motor
展開 電動汽車用三合一電驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計與驗證
圖6 峰值工況下IGBT溫度分布
3 三合一系統(tǒng)硬件設(shè)計
三合一電驅(qū)動系統(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CAN網(wǎng)絡(luò)與整車進行通訊，控制器功率部分的逆變單元能夠?qū)⒅绷?em>電轉(zhuǎn)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(wěn)定工作。
三合一電驅(qū)動系統(tǒng)的PCB由控制板和驅(qū)動板組成，驅(qū)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(zhuǎn)子位置檢測電路、電源轉(zhuǎn)換電路、驅(qū)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(qū)動系統(tǒng)的正常工作。
圖7 三合一電驅(qū)動系統(tǒng)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(qū)動系統(tǒng)的輸出性能，制作樣機并對系統(tǒng)的輸出特性、效率以及溫升進行測試，測試臺架如圖8所示。
展開 
電動汽車用三合一電驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計與驗證
圖6 峰值工況下IGBT溫度分布
3 三合一系統(tǒng)硬件設(shè)計
三合一電驅(qū)動系統(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CAN網(wǎng)絡(luò)與整車進行通訊，控制器功率部分的逆變單元能夠?qū)⒅绷?em>電轉(zhuǎn)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(wěn)定工作。
三合一電驅(qū)動系統(tǒng)的PCB由控制板和驅(qū)動板組成，驅(qū)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(zhuǎn)子位置檢測電路、電源轉(zhuǎn)換電路、驅(qū)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(qū)動系統(tǒng)的正常工作。
圖7 三合一電驅(qū)動系統(tǒng)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(qū)動系統(tǒng)的輸出性能，制作樣機并對系統(tǒng)的輸出特性、效率以及溫升進行測試，測試臺架如圖8所示。
展開 電動汽車用三合一電驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計與驗證
三合一電驅(qū)動系統(tǒng)的PCB由控制板和驅(qū)動板組成，驅(qū)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(zhuǎn)子位置檢測電路、電源轉(zhuǎn)換電路、驅(qū)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(qū)動系統(tǒng)的正常工作。
圖7 三合一電驅(qū)動系統(tǒng)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(qū)動系統(tǒng)的輸出性能，制作樣機并對系統(tǒng)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(qū)動系統(tǒng)臺架測試圖
4.1 系統(tǒng)性能測試
在290 V電壓工況下，分別對樣機進行系統(tǒng)輸出外特性、系統(tǒng)效率、系統(tǒng)溫升的測試。
系統(tǒng)輸出特性如圖9所示，三合一電驅(qū)動系統(tǒng)在電動和發(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)動效率測試結(jié)果，如圖10所示，電動工況下，系統(tǒng)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(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%，電機最高效率為97.5%。經(jīng)過軟件計算，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%，電機效率大于80%的面積占比91.172 7%。
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圖6 峰值工況下IGBT溫度分布
3 三合一系統(tǒng)硬件設(shè)計
三合一電驅(qū)動系統(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CAN網(wǎng)絡(luò)與整車進行通訊，控制器功率部分的逆變單元能夠?qū)⒅绷?em>電轉(zhuǎn)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(wěn)定工作。
三合一電驅(qū)動系統(tǒng)的PCB由控制板和驅(qū)動板組成，驅(qū)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(zhuǎn)子位置檢測電路、電源轉(zhuǎn)換電路、驅(qū)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(qū)動系統(tǒng)的正常工作。
圖7 三合一電驅(qū)動系統(tǒng)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(qū)動系統(tǒng)的輸出性能，制作樣機并對系統(tǒng)的輸出特性、效率以及溫升進行測試，測試臺架如圖8所示。
展開 某電驅(qū)冷卻系統(tǒng)的一維及三維聯(lián)合仿真
圖2 散熱器水阻
圖3 散熱器風阻
3 電驅(qū)冷卻系統(tǒng)計算
3.1 分析模型說明
該機型電驅(qū)系統(tǒng)采用單獨冷卻回路進行冷卻，其中待冷卻的原件有高壓盒、控制器、發(fā)電機、驅(qū)動電機，降溫方式采用的是液冷[4]。其中空氣側(cè)系統(tǒng)的散熱器和風扇均布置在車身底盤的側(cè)面，與整車其他換熱系統(tǒng)相對獨立。
3.2 分析邊界
空氣側(cè)系統(tǒng)所需的性能邊界參數(shù)為風扇性能和散熱器性能，這些數(shù)據(jù)已在風扇性能求解和散熱器性能求解中得到。而冷卻側(cè)系統(tǒng)除水泵外均為行業(yè)內(nèi)量產(chǎn)產(chǎn)品，其各元件流阻如圖4所示。
圖4 電驅(qū)系統(tǒng)中不同元件的流阻曲線
3.3 計算結(jié)果
在高溫極限工況（環(huán)境溫度為45℃，總發(fā)熱功率為8 kW），電驅(qū)冷卻系統(tǒng)流量為12 L/min時，散熱器進、出水溫度及進、出空氣溫度隨時間的變化關(guān)系如圖5所示，可見電驅(qū)冷卻系統(tǒng)在平衡后的最高溫度為111℃。
圖5 12 L/min時溫度變化
電驅(qū)冷卻系統(tǒng)流量為14 L/min時，散熱器前后各處溫度隨時間的變化關(guān)系如圖6所示，可以看出電驅(qū)冷卻系統(tǒng)在平衡后的最高溫度為102℃。
圖6 14 L/min時溫度變化
電驅(qū)冷卻系統(tǒng)流量為16 L/min時，散熱器前后各處溫度隨時間的變化關(guān)系如圖7所示，可以看出電驅(qū)冷卻系統(tǒng)在平衡后的最高溫度為98℃，滿足系統(tǒng)最高溫度低于100℃的要求。因此，可以確認為滿足系統(tǒng)冷卻需求，流量最低應(yīng)達到16 L/min。
圖7 16 L/min時溫度變化
4 總結(jié)
本機型設(shè)計開發(fā)之初，在僅有設(shè)計數(shù)模的情況下，首先利用三維仿真求解出相關(guān)零部件的性能曲線，這極大地縮減了項目開發(fā)周期，同時采用了一維仿真將發(fā)動機機艙熱管理簡化，可以進一步縮短仿真時間，最終確定了電機冷卻系統(tǒng)所需的最小流量，并對比了不同流量下對系統(tǒng)溫度的影響。
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