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?em>電轉(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。
展開 本文基于一款新能源乘用車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)高度集成化的開發(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。
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、過流和短路保護(hù)、過電壓保護(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。
展開 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?em>電轉(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。
展開 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?em>電轉(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。
展開 驅(qū)動(dòng)電機(jī)作為電動(dòng)汽車的關(guān)鍵部件之一,其性能決定了電動(dòng)汽車的主要性能指標(biāo)[1]。振動(dòng)噪聲特性是一個(gè)非常重要的電機(jī)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn),不正常的振動(dòng)會(huì)加劇電機(jī)內(nèi)部的摩擦,增加損耗,進(jìn)而影響電機(jī)的使用壽命,還會(huì)影響乘客的乘坐舒適性[2]。
目前,為了達(dá)到成本控制、輕量化設(shè)計(jì)等要求,電機(jī)、控制器、減速器等一體化發(fā)展成為必然趨勢(shì)。三合一電驅(qū)系統(tǒng)具備以下優(yōu)勢(shì):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(jì);重心下降,利于整車操控;高速傳動(dòng),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(dòng)電機(jī),三合一電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)帶來了其他的振動(dòng)噪聲問題,主要是電磁噪聲和機(jī)械噪聲。電磁噪聲主要由徑向電磁力產(chǎn)生,目前已對(duì)電磁噪聲的產(chǎn)生機(jī)理進(jìn)行了深入研究。文獻(xiàn)[4]指出電磁振動(dòng)是定子與轉(zhuǎn)子間徑向力、切向力的脈動(dòng)引起的;文獻(xiàn)[5]研究了轉(zhuǎn)子不同斜極方式對(duì)電機(jī)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(jī)械噪聲主要由減速器齒輪嚙合和控制器結(jié)構(gòu)振動(dòng)所產(chǎn)生。
本文對(duì)某新型三合一電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行振動(dòng)噪聲測(cè)試,發(fā)現(xiàn)控制器蓋板發(fā)生共振,輻射出強(qiáng)烈的噪聲;提出從“源”與“接受者”(電機(jī)激勵(lì)與控制器蓋板)進(jìn)行優(yōu)化,通過對(duì)轉(zhuǎn)子開槽減小徑向電磁力波,通過對(duì)蓋板進(jìn)行加筋與加厚處理,增加蓋板的剛度。試驗(yàn)結(jié)果表明,優(yōu)化后的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)噪聲水平顯著降低。
1 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)振動(dòng)噪聲產(chǎn)生機(jī)理
1.1 驅(qū)動(dòng)電機(jī)徑向電磁力分析
電機(jī)中,主磁通沿徑向進(jìn)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(dòng)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(shí)間。
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