1、前言
新能源汽車市場已經(jīng)進(jìn)入后補(bǔ)貼時代，行業(yè)洗牌與兼并重組加速到來。這意味著車企需要承擔(dān)更加沉重的財務(wù)壓力，同時將面臨更加激烈的行業(yè)競爭?；诖?，整車廠商和供應(yīng)商需要盡可能共同承擔(dān)補(bǔ)貼退坡成本，而零部件集成化設(shè)計是促成成本下降的主要手段之一。
在這樣的背景下，高度集成化的一體式電驅(qū)動系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)減重降成本，而且功率密度等指標(biāo)也得到有效地提升。國內(nèi)外企業(yè)針對集成電驅(qū)開發(fā)技術(shù)已經(jīng)開始全面發(fā)力，采用集成化電驅(qū)動系統(tǒng)成為純電動乘用汽車的發(fā)展趨勢。
2、純電動汽車集成化電驅(qū)動系統(tǒng)概述
電驅(qū)動系統(tǒng)是純電動汽車的核心，主要包含了高性能驅(qū)動電機(jī)、電力電子控制單元和減速器等部分。
隨著現(xiàn)代汽車技術(shù)的飛速發(fā)展以及集成電路和電力電子技術(shù)的大規(guī)模應(yīng)用，機(jī)電一體化的電驅(qū)動系統(tǒng)的優(yōu)越性愈發(fā)明顯，其能量密度大、效率高和成本及重量的有效降低等特點(diǎn)，使得電驅(qū)動集成化設(shè)計方案在純電動或混合動力方案在乘用汽車領(lǐng)域得到越來越多的應(yīng)用。
最初的電驅(qū)動系統(tǒng)不存在集成式設(shè)計方案，純電動汽車電驅(qū)動系統(tǒng)由驅(qū)動電機(jī)、電控系統(tǒng)、減速器等部件均單獨(dú)布置，之間依靠線束等連接件進(jìn)行連接，從而導(dǎo)致當(dāng)時的驅(qū)動系統(tǒng)十分復(fù)雜。
隨著乘用車行業(yè)的發(fā)展和相關(guān)技術(shù)的積累，集成化電驅(qū)動系統(tǒng)逐漸成為主流，比較常見的集成化設(shè)計方案包括取消驅(qū)動電機(jī)三相高壓線，將驅(qū)動電機(jī)、電控端子直連，取消水管，將電機(jī)、電控水道直連，以及驅(qū)動電機(jī)殼體和減速器殼體共用，甚至更有甚者將驅(qū)動電機(jī)與減速器和控制器殼體共用等。
這些集成設(shè)計早些年因?yàn)榧夹g(shù)壁壘或者成熟度不夠的客觀因素?zé)o法實(shí)現(xiàn)，現(xiàn)階段隨著技術(shù)難點(diǎn)逐漸被攻克，各大整車廠商開始將電驅(qū)動系統(tǒng)的深度集成化設(shè)計制造作為重要發(fā)展方向。
3、電驅(qū)動系統(tǒng)集成化的優(yōu)劣勢分析
3.1集成化電驅(qū)動系統(tǒng)的優(yōu)勢
集成化設(shè)計方案可以有效地減小電驅(qū)動系統(tǒng)的體積、降低系統(tǒng)總重量、降低電驅(qū)動系統(tǒng)成本。電驅(qū)動系統(tǒng)的各個部件通過整合，整體結(jié)構(gòu)趨向于緊湊，安裝尺寸和所占體積得到進(jìn)一步縮減；與此同時，各部件之間的連接材料因?yàn)榧苫O(shè)計而大幅度減少，系統(tǒng)重量也得到了降低。
其次，采用集成化電驅(qū)動系統(tǒng)的機(jī)艙更加簡潔，使得汽車各系統(tǒng)布局更加靈活。由于體積減小，整車的乘坐及儲物空間得到最大化利用；同時汽車重量的降低在一定程度上也降低了汽車能耗、提升了續(xù)航里程。
此外，通過集成化設(shè)計，電驅(qū)動系統(tǒng)能夠降低接口復(fù)雜度及成本。電驅(qū)動系統(tǒng)集成化有效地縮短了各部件之間的距離，減少了連接件及相應(yīng)接口的使用，在優(yōu)化了傳輸路徑的同時也提高了系統(tǒng)的效率；而電驅(qū)動系統(tǒng)采用的連接件包含導(dǎo)線和管路等材料，是不可忽略的生產(chǎn)成本，因此減少連接材料的使用將直接促成電驅(qū)動系統(tǒng)成本的降低。
3.2集成化電驅(qū)動系統(tǒng)的劣勢
電驅(qū)動系統(tǒng)集成化設(shè)計需要多維度開發(fā)和能力驗(yàn)證。其中集成系統(tǒng)導(dǎo)致各部件與空氣接觸面積減少，為保證各部件處于正常工作溫度區(qū)間，整個散熱系統(tǒng)需要重新設(shè)計優(yōu)化。同時，NVH（噪聲振動）、EMC（電磁兼容測試）、安全等性能指標(biāo)的控制，以及零部件開發(fā)協(xié)同都是目前整車廠和供應(yīng)商需要重點(diǎn)攻克的難題。
在后期用車方面，電驅(qū)動系統(tǒng)的集成化可能對消費(fèi)者產(chǎn)生不良影響。一定程度上，系統(tǒng)的集成會導(dǎo)致各部件的可靠性降低，集成化電驅(qū)動系統(tǒng)各部件的質(zhì)量控制顯得尤為重要；當(dāng)某個零部件出現(xiàn)問題需要維修或者更換總成，會導(dǎo)致維修時間和成本增加。
綜合來看，電驅(qū)動系統(tǒng)集成化對于純電動乘用汽車行業(yè)來說具有積極的推動作用，但是基于現(xiàn)階段電動汽車供應(yīng)鏈的技術(shù)水平，集成化過程中的設(shè)計和質(zhì)量問題對于整車廠商和供應(yīng)商來說仍然是巨大的挑戰(zhàn)。
4、純電動汽車集成化電驅(qū)動系統(tǒng)的應(yīng)用現(xiàn)狀
4.1二合一電驅(qū)動系統(tǒng)
集成化電驅(qū)動系統(tǒng)發(fā)展之初，結(jié)構(gòu)形式較為簡單，如圖2所示，是將驅(qū)動電機(jī)和減速器集成在一起，形成一體式電驅(qū)動系統(tǒng)。從下圖中可以看到，雖然該系統(tǒng)的連接部分比較復(fù)雜，但是至少實(shí)現(xiàn)了二合一的設(shè)計，縮短了各部件之間的距離。二合一這種簡單的集成形式也使得電驅(qū)動系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)更加緊湊。
4.2三合一電驅(qū)動系統(tǒng)
隨著電驅(qū)動集成技術(shù)的不斷演變發(fā)展，三合一電驅(qū)動系統(tǒng)出現(xiàn)。主流電驅(qū)供應(yīng)商多采用三合一電驅(qū)系統(tǒng)，例如：將電機(jī)、電控系統(tǒng)和減速器集成在一起并與車橋相結(jié)合的電驅(qū)系統(tǒng)；或是針對中小型轎車提供的更加輕巧的三合一電驅(qū)動系統(tǒng)，轉(zhuǎn)速可達(dá)21000 r/min，不僅性能優(yōu)異，而且電能轉(zhuǎn)化效率極為高效。
國內(nèi)對三合一電驅(qū)動系統(tǒng)的研究與國外相比起步較晚。目前國內(nèi)在驅(qū)動電機(jī)功率密度方面和國外產(chǎn)品相當(dāng)，而電機(jī)控制器功率密度和國外相比有一定的差距；在最高轉(zhuǎn)速方面，國外成熟電驅(qū)產(chǎn)品的轉(zhuǎn)速已經(jīng)超過16000 r/min，國內(nèi)則多數(shù)在 12000 r/min 左右。
隨著國內(nèi)新能源技術(shù)的飛速發(fā)展，自主品牌電驅(qū)動系統(tǒng)也已取得較大進(jìn)步。例如：某三合一電驅(qū)動系統(tǒng)具有高效區(qū)寬、IGBT（絕緣柵雙極型晶體管）損耗小等優(yōu)勢，滿足了不同級別轎車對加速、爬坡等動力性能的需求；某集成化電驅(qū)動系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)超高的扭矩，優(yōu)化后的能耗為15 kW·h/100 km，達(dá)到了業(yè)界先進(jìn)水平；某集成式電驅(qū)動系統(tǒng)配備了銅轉(zhuǎn)子感應(yīng)電機(jī)、獨(dú)特拓?fù)浼軜?gòu)設(shè)計的電機(jī)控制器及大扭矩齒輪箱。
不同構(gòu)型的電驅(qū)動系統(tǒng)優(yōu)劣勢分析如表1所示。
● 優(yōu)勢：
1）安裝尺寸和重量較??；
2）小型化，高轉(zhuǎn)速電機(jī)降低成本；
3）減小接口復(fù)雜度，提高可靠性；
4）平臺化設(shè)計，降低整車開發(fā)費(fèi)用和周期。
● 劣勢：
1）高轉(zhuǎn)速帶來的NVH挑戰(zhàn)；
2）冷卻挑戰(zhàn)和高轉(zhuǎn)速對軸承的影響；
3）EMC復(fù)雜性提高；
4）跨零件開發(fā)協(xié)同難度增加。
表1 電驅(qū)系統(tǒng)布局對比
4.3多合一電驅(qū)動系統(tǒng)
三合一電驅(qū)動系統(tǒng)是當(dāng)前的主流研究對象，但仍有一些公司對多合一集成設(shè)計進(jìn)行了不同程度的嘗試。
如某公司自主研發(fā)了八合一集成電驅(qū)總成，在常規(guī)三合一模塊之外，還集成了五合一電驅(qū)動模塊：電機(jī)控制器、車載充電器、車載電源、高壓配電模塊以及整車控制器。
整個系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更加小巧，水冷系統(tǒng)的工作效率也得到大幅提升，但整體結(jié)構(gòu)集成后柔性化程度降低，影響機(jī)艙的總布置。
5、純電動汽車集成化電驅(qū)系統(tǒng)的前沿發(fā)展趨勢
5.1電機(jī)高速化
目前市場上電驅(qū)動系統(tǒng)的電機(jī)最高轉(zhuǎn)速一般在12000r/min 左右，但是隨著新技術(shù)、新材料的發(fā)展及應(yīng)用，加之客戶對驅(qū)動效率、加速體驗(yàn)的重視及追求，采用更高速的驅(qū)動電機(jī)成為集成電驅(qū)發(fā)展的必然趨勢。
高轉(zhuǎn)速電機(jī)能夠提高功率密度，同時減小體積、降低成本，對于電動車動力性能來說優(yōu)勢尤為明顯。現(xiàn)階段有部分轉(zhuǎn)速超過16000r/min 的高速電機(jī)已經(jīng)面市，主要應(yīng)用于中高端的純電動車型中。
5.2多擋變速器
目前全球主流集成化電驅(qū)系統(tǒng)方案多采用驅(qū)動電機(jī)匹配單擋減速器的架構(gòu)，其結(jié)構(gòu)簡單，成本較低，但在高轉(zhuǎn)速情況下效率和扭矩會急速衰減，因此經(jīng)濟(jì)性不高。
而電驅(qū)系統(tǒng)的多擋化能大大提高電驅(qū)系統(tǒng)工作在高效率工況的概率，既能提升動力性能和又能兼顧經(jīng)濟(jì)性。隨著將來技術(shù)成熟度的提高和成本的降低，多擋減速器必然會成為更多集成化電驅(qū)動系統(tǒng)的選擇。
5.3平臺化設(shè)計
汽車產(chǎn)業(yè)是典型的規(guī)模經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)，汽車產(chǎn)品平臺化設(shè)計能夠有效地降低研發(fā)成本，縮短上市周期。根據(jù)不同轉(zhuǎn)矩、功率需求以及不同級別的車型，可以規(guī)劃不同的系列化平臺電驅(qū)動產(chǎn)品。
通過平臺化設(shè)計集成電驅(qū)動系統(tǒng)，可以降低各部件的采購成本實(shí)現(xiàn)技術(shù)經(jīng)驗(yàn)共享。純電動乘用汽車市場需要在短時間內(nèi)產(chǎn)生規(guī)模效應(yīng)、增量降本，因此集成化電驅(qū)動系統(tǒng)向平臺化設(shè)計發(fā)展是大勢所趨。
5.4 NVH設(shè)計
沒有內(nèi)燃機(jī)噪聲掩蓋齒輪噪音，電動車對齒輪噪音容忍度更低；
驅(qū)動電機(jī)本身會產(chǎn)生激勵導(dǎo)致噪音；
在反拖充電過程中，反齒面會完全受載；
潛在的齒輪嘯叫風(fēng)險，這是在高轉(zhuǎn)速以及對應(yīng)的頻率范圍內(nèi)，輪齒嚙合頻率激勵所導(dǎo)致的；
高轉(zhuǎn)速導(dǎo)致高頻嘯叫，人耳朵對2-5kHz的聲音很敏感；
5.5功率密度提升和性能要求的提高
高功率密度可提高整車?yán)m(xù)航里程，需減小電驅(qū)傳動系統(tǒng)空間尺寸和重量；
反拖充電時反齒面載荷增加；高速旋轉(zhuǎn)下發(fā)生齒輪膠合失效的風(fēng)險增加；
高轉(zhuǎn)速下，由于動態(tài)效應(yīng)（共振）導(dǎo)致載荷增加的風(fēng)險；
軸承和齒輪都很有可能需要更高的精度等級，但對應(yīng)的就是更高的成本。
6、多合一電驅(qū)動系統(tǒng)開發(fā)流程
6.1總體布局
電驅(qū)動模塊的特性是部件間多物理相互作用的結(jié)果。有關(guān)設(shè)計過程的知識通常分布在單個組件的開發(fā)部分，或劃分為經(jīng)典模塊領(lǐng)域，如機(jī)械、電氣、磁性、熱學(xué)或噪聲、振動、NVH)，這使整體設(shè)計方案的優(yōu)化變得復(fù)雜。
因此，設(shè)計過程主要是按順序和迭代完成的，這就延長了電驅(qū)動系統(tǒng)的開發(fā)周期，并使找到最佳整體驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計方案變得更加困難。例如，驅(qū)動電機(jī)的尺寸和成本可以通過提高電機(jī)轉(zhuǎn)速來降低，但這需要更高的齒輪比，因此在傳動方面需要額外的努力。
系統(tǒng)設(shè)計方案策略代表了車輛層面上傳動系統(tǒng)的設(shè)計過程。這里需要考慮各階段的設(shè)計過程。第一階段是一個粗略的設(shè)計，結(jié)果是對相關(guān)配置進(jìn)行預(yù)過濾。根據(jù)驅(qū)動要求(圖3(項目1至3))，測試各種比例組件參數(shù)組合。確定相關(guān)配置的組件的基本參數(shù)(功率、扭矩等)。
6.2電驅(qū)系統(tǒng)方案設(shè)計流程
整體概念布局、設(shè)計和評估是實(shí)現(xiàn)上述系統(tǒng)方法所必需的。該過程的目的是確定最有前途前瞻性、技術(shù)指標(biāo)競爭性的傳動概念，同時保持使用壽命和噪聲要求。必須確定與車輛相關(guān)的傳動特性，如尺寸、質(zhì)量、慣性、成本和損失。
圖4顯示了集成電驅(qū)系統(tǒng)設(shè)計過程的簡化流程圖。從整車水平的粗略設(shè)計中得到的電驅(qū)系統(tǒng)的基本要求(齒輪數(shù)、總傳動比、最大扭矩和最大速度)可用作輸入，如圖4 (A項)。與電驅(qū)系統(tǒng)使用壽命相關(guān)的載荷集合是通過車輛層面的仿真模型，從定義的駕駛循環(huán)序列中確定的。
如果沒有指定齒輪拓?fù)洌瑒t執(zhí)行拓?fù)溥x擇，如圖2(項目B)。通過拓?fù)溥x擇，可以確定所有傳動系統(tǒng)組件的速度和扭矩。在接下來的步驟中圖4 (C項)，進(jìn)行齒輪剛性和承載能力驗(yàn)證。一個有優(yōu)勢的宏觀幾何參數(shù)被選擇以進(jìn)行下一步的分析。根據(jù)齒輪幾何，齒輪力和所有軸/軸承系統(tǒng)可以計算和設(shè)計，如圖4(項目D)。
6.2.1軸齒設(shè)計流程
圖5顯示了齒輪設(shè)計的過程。對于每個齒輪副，除了輸入數(shù)據(jù)，如目標(biāo)齒輪比、輸入扭矩和速度，還定義了額外的邊界條件，如圖5(項目1)。這包括宏觀幾何參數(shù)的設(shè)計空間(范圍和步長)(例如普通模塊、螺旋運(yùn)行角或壓力角)，以及最小安全系數(shù)或允許的中心距離的參數(shù)。在下一步中，前面定義的值將完全階乘組合在一起，如圖5(項目2)，并計算所有進(jìn)一步的幾何屬性。現(xiàn)在可以確定得到的傳動裝置性能，如圖5(項目3)所示。根據(jù)受力和幾何數(shù)據(jù)，根據(jù)ISO 6336計算出了輪齒的安全系數(shù)。所有不滿足最小值和最大值要求的變量將被連續(xù)刪除。
6.2.2軸系設(shè)計
本設(shè)計步驟的目標(biāo)是滿足基本要求的軸-軸承系統(tǒng)。其結(jié)果應(yīng)能夠?qū)ㄔO(shè)的可行性進(jìn)行評估，并進(jìn)行大規(guī)模和成本評估。此外，必須選擇滿足使用壽命要求的軸承進(jìn)行精確的損耗計算。
圖6顯示了基本的設(shè)計過程。軸承布置(例如定位/非定位)和相應(yīng)的軸承類型。明確軸承-軸計算相關(guān)的載荷譜，圖6(項目1)。軸承的反作用力以及軸系的扭轉(zhuǎn)和彎矩剖面是根據(jù)使用預(yù)定義齒輪數(shù)據(jù)的幾何布置計算出來的，圖6(項目2)基于這些信息，創(chuàng)建了一個初始軸系概念，圖6(項目3)。根據(jù)使用壽命要求和軸輪廓邊界選擇合適的軸承。由于軸承影響軸系長度，這個過程必須基于總體布局要求進(jìn)行技術(shù)迭代且不能違背現(xiàn)有的加工水平及零部件成本，直到找到一個有效的組合。圖6(項目3和4)。
6.2.3殼體設(shè)計
由于殼體對電驅(qū)系統(tǒng)的成本、重量和安裝空間有很大的影響，因此在概念階段需要考慮懸置、剛度、裝配、間隙等問題。通常初版的殼體模型不能提供較為準(zhǔn)確的結(jié)果。因此，一種基于內(nèi)部輪廓形狀設(shè)計的外殼(特征形狀)基本形成。圖7顯示了殼體的設(shè)計過程。首先，殼體輪廓的形狀(包括必要的壁厚)是基于內(nèi)部幾何圖，圖7(項目1和2)。這確保了外殼壁厚是盡可能均勻的。概念的體積和質(zhì)量現(xiàn)在可以從內(nèi)部和外部輪廓網(wǎng)格計算。安裝和肋的質(zhì)量是按百分比增加考慮的。詳細(xì)的幾何設(shè)計(例如軸的剛度與軸承座的剛度)對殼體質(zhì)量/體積的影響被認(rèn)為是很小的。
圖7 殼體設(shè)計流程
6.2.4結(jié)構(gòu)設(shè)計校核內(nèi)容
潤滑系統(tǒng)設(shè)計：軸系油路方向、殼體油路方向、油孔大小、軸承潤滑油路方向、驅(qū)動電機(jī)油路方向與回油路徑、油量分布設(shè)計、潤滑油匹配、潤滑油油量匹配等；
軸系校核計算：軸系剛度、軸系強(qiáng)度、齒輪重合度計算、側(cè)隙設(shè)計、軸承的安全系數(shù)、齒輪副接觸斑點(diǎn)、修形設(shè)計、調(diào)整墊片計算；
差速器計算：半軸與行星齒輪的側(cè)隙、差速器螺栓計算、差速器效率、半軸花鍵強(qiáng)度計算、差速器系統(tǒng)強(qiáng)度；
驅(qū)動電機(jī)計算：轉(zhuǎn)子軸強(qiáng)度、動平衡計算、極限轉(zhuǎn)速計算、散熱效率計算、定子與殼體壓裝力計算；
6.2.5 NVH技術(shù)及其他
1）傳動系統(tǒng)匹配；
2）齒輪宏觀參數(shù)設(shè)計分析；
3）軸承選型設(shè)計；
4）傳動效率；
5）NVH適應(yīng)性匹配；
6）結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化；
7）聲場仿真；
8）流體動力學(xué)仿真；
9）溫度場仿真；
10）變速器嘯叫噪聲；
11）電驅(qū)系統(tǒng)敲擊噪音；
12）驅(qū)動電機(jī)嘯叫噪聲、微觀參數(shù)設(shè)計；
13）系統(tǒng)剛度設(shè)計；
14）殼體強(qiáng)度模態(tài)；
15）齒輪傳遞誤差；
16）齒輪容差設(shè)計；
17）懸置動剛度設(shè)計；
18）駐車異響。
6.2.6 電機(jī)設(shè)計
基于電驅(qū)系統(tǒng)的布局圖及對驅(qū)動電機(jī)的要求（扭矩、轉(zhuǎn)速、冷卻、電壓、潤滑或水道設(shè)計、電流等參數(shù)）進(jìn)行初版校核轉(zhuǎn)子軸強(qiáng)度與剛度，轉(zhuǎn)子與定子徑向間隙和軸向定位等計算，如圖8、圖9、圖10所示。
表10 驅(qū)動電機(jī)分析技術(shù)
6.3電驅(qū)系統(tǒng)試驗(yàn)驗(yàn)證內(nèi)容
1）系統(tǒng)變形試驗(yàn)
2）換氣系統(tǒng)試驗(yàn)
3）動態(tài)密封試驗(yàn)
4）溫升試驗(yàn)
5）高速試驗(yàn)
6）疲勞壽命試驗(yàn)
7）靜扭強(qiáng)度試驗(yàn)
8）鹽霧試驗(yàn)
9）潤滑驗(yàn)證
10）齒輪接觸斑點(diǎn)
11）冷卻水道的流阻測試
12）電機(jī)控制器電磁兼容測試
參考資料：
1.電驅(qū)搭載信息來源自巨一公司產(chǎn)品介紹；
2.電驅(qū)橋設(shè)計流程來源自《KIA介紹》。
