解析 | 淺析大陸電驅動系統EMR4

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2022-04-02 07:49:32 3

1. 前言

隨著電動汽車在市場上的顯著加速，品牌、細分市場和車型的差異也在不斷增加，最大限度地擴大電驅動系統適用性就顯得及其重要。電驅動系統，如大批量生產的EMR3(第三代電驅動系統)和目前正在開發的EMR4，在系統級采用了多標準優化方法進行設計。與上一代相比，EMR4提高了高達5%的效率，顯著提升了功率可擴展性，并大幅降低了成本。

提高效率和性能是整車對電驅動系統提出的技術路線和方向。為了促進EMR4性能提升，眾多的影響電驅動效率和性能的鏈條已優化到細節。出于可擴展性的考慮，許多內部和外部接口也已標準化，以確保三個主要組件——電力電子逆變器、電機和減速器——可以按照需求定制的原則盡可能自由地組合。在電驅動系統的聲學舒適性方面，重點是在整個工作MAP上對系統的噪聲特性(噪聲振動嚴酷度)進行了模擬、測試和優化。EMR4的開發從一開始就吸收了來自前幾代電驅動系統的相關經驗。

2. EMR4架構

為了更大的可擴展性，EMR4電驅動系統的基本結構與當前的EMR3相比已經發生了變化。所有三個基本組件(電力電子逆變器、電機、減速機)都在EMR4中直線排列(軸向集成)。

有了這個基本架構，就有可能在不同的設計中連接兩個最大需要變動性的組件，而減速器變速箱的修改要求可以在外殼尺寸內實現。這種內聯安排形成了EMR4關鍵架構特性的基礎。

在開發過程中計劃的標準配置(對于A到J2段的車輛，即車輛重量級別從1800公斤到2800公斤)可以通過將電機長度按60毫米(入門級)、90毫米(基礎級)或105毫米(增強級)三個尺寸來覆蓋，如圖2所示。根據設計，新開發的EMR4驅動系統提供80kW和最大230kW功率(10秒)。驅動系統的扭矩范圍從1,700Nm到4,000Nm(10秒)，可擴展性在模塊的重量上也很明顯。

根據驅動的功率需求，它的重量在45公斤到80公斤之間。根據之前的研究結果，與EMR3相比，EMR4驅動系統在WLTP中能夠實現5.6%的效率優勢，這將對車輛行駛里程產生明顯的影響。

這些數值是通過對驅動系統中多個中心效應鏈進行系統優化得到的。這里通過許多詳細的措施實現了改進的潛力。與優化后的EMR3相比，EMR4的效率提高了相當多，功率密度增加了20%以上，但成本進一步降低。盡管EMR4在許多地方都使用了高質量的材料，但材料的技術優勢使得在其他領域節省了更多的成本，使成本得到優化。

2.1 架構與電機

PSM電機的直徑(其外殼直徑)已經為集成EMR4固定設計。EMR4平臺電機的定子外徑為208mm，與EMR3電機相比，其直徑略大于20mm。然而，電機性能提高的設計措施使EMR4電機的軸向長度比目前的軸向驅動器(90毫米而不是175毫米)減少了近一半。

定子現在每個溝槽至少有四層(而不是EMR3中的兩層)。未來根據具體情況選擇的層數(如4-8層)嚴格按照所需的成本要求和性能等級或電壓確定。成本最小化和活動部件潛力的最大利用之間的平衡是要考慮的重要因素。

2.2 架構與電力電子控制器

EMR4平臺的逆變器是基于Vitesco Technologies (EPF4)的第四代高壓電力電子產品。對于EMR4平臺的功率范圍，高度集成的EPF4逆變器可提供三個功率級別290A(“入門級”)，550A(“基礎級”)和820A(“增強級”)。Entry版本提供了一種經濟有效的解決方案，輸出高達80kW(10s)和扭矩1700Nm(10s)。基本版本適用于比較廣泛的應用，功率輸出高達135/165kW(10s)和扭矩2,500/3,000 Nm(10s)。增強型設計用于在2800Nm和4000Nm的輸出,高達230kW的功率。

然而，在原則上，所有逆變器變體可以與每一個電機功率變體和每一個所需的減速器相結合。這需要滿足與標準的大批量乘用車不同的特殊要求(例如，物流車)。逆變器尺寸只有270 × 221 × 126mm，是非常緊湊的設計。

2.3 架構和減速器

根據電機的扭矩，平臺包括三個版本的減速器，配置為< 2,000 Nm(“入門級”)、< 3,000 Nm(“基礎級”)或< 4,000 Nm(“增強級”)。

預計i = 9.3和i = 11.64之間的減速比。與上一代相比，這一減速比已經擴大，使最佳利用電機的更*值速度成為可能。在減速器中，這一高減速比措施可以顯著節省電機成本，在更高質量材料的成本方面提供了降成本機會。

減速機的設計高達16000 rpm的輸入速度和255 Nm的電機扭矩輸入。減速器提供高達3000牛米的軸扭矩的輸出。

最大允許軸轉速為1720轉/分。電動駐車可以選擇集成到減速器中。

3. 影響效率的因素優化

在*范圍內，進一步提高電動汽車效率的趨勢是顯而易見的。里程和電池尺寸/電池成本的考慮，以及旨在控制空氣污染和減緩氣候變化的法律要求都有助于這一點。此外，電動驅動效率的進一步提高也增加了汽車的吸引力，因為由此產生的系統成本降低了。WLTP中的Wh/km被用來衡量能源消耗。

眾多的單體因素決定了一輛車的效率。雖然其中大部分都是整車造成的，但動力系統也有相當大的影響。

圖3以集成驅動系統為例，說明了在整車上動力系統及其具體損失對效率的影響程度。一般來說，大約三分之一的損失是由駕駛造成的，大約三分之二是由整車造成的。

在電力電子逆變器、電機和減速器方面，EMR4取得了進一步的進步，提高了車輛的整體效率:與上一代相比，EMR4的效率要高得多，在WLTP工況中，平均每輛D級車的總能耗可降低5.6%。

3.1 電機和逆變器效率提升

在EMR4平臺的Active parts中，使用了非常薄、高強度硅鋼片制成的層壓鐵芯，以更少的材料使用實現更高的電機速度。現在最大速度是16000rpm (EMR3: 14000rpm)，通過提高齒輪速比降低電機扭矩從而節省電機材料。另外，EMR4電機的持續功率方面也進行了大幅度改進。由于大大降低了損耗和優化了冷卻結構，該電機可以在最高轉速下持續輸出40-80kW。由于電機長度短，設計緊湊，散熱也更有效，因為熱量從電機中心的熱點到其邊緣散熱有更短的散熱路徑。

增加的齒輪減速比(見2.3節)意味著在相同的軸扭矩下需要更低的電機扭矩。結合新的轉子鈑金切割和磁阻的增加，磁鋼重量顯著降低，功率保持不變，效率提高。

EPF4逆變器的工作電壓為210V至470V, PWM開關頻率為2至12kHz。根據工作點的不同，磁場定向控制(FOC)算法分段應用，傳統空間矢量脈寬調制(= SVPWM在低速時，以啟用更高的電流)、同步PWM (=SynchPWM在中速范圍)、不連續PWM (= GDPWM在中速范圍)和磁通雙向調制(=FBM在高速范圍)。電機外殼前端的轉子位置傳感器提供轉子位置信號。

圖4顯示了在仿真過程中用于評估電機和逆變器損耗的參考操作點。比較高的效率增益，特別是在高速旋轉時，正是因為更薄的電機硅鋼片應用疊層數增加形成大量減少鐵損的效果。

4. EMR4平臺化實現方法

集成電驅動系統的應用范圍日益擴大，只有在性能、效率、成本、尺寸和重量方面具有高度的可擴展性，才能滿足市場的多樣性要求。可擴展性最終意味著能夠根據應用將相關主要組件組合在一起來滿足需求。考慮到定義驅動系統所需性能特征的大量參數和它們之間復雜的相互作用，要徹底地落實到細節在設計方面是非常具有挑戰性的。

例如，在EMR4平臺的開發過程中，我們進行了廣泛的靈敏度分析，以確定WLTP中單個參數對電驅動系統效率的影響，如圖6所示。

為了實現預期性能特性和相關成本的最優權重，開發人員在這個多標準的開發階段使用了專用工具iMCO，如圖7所示。

5. 內部和外部接口

前面已經提到，在設計集成驅動系統時，分離設計的電驅動的復雜性已經從整車角度已經完全簡化了，復雜性轉移到驅動系統內部。在這里，復雜程度的轉移也可以從驅動系統內部和外部的眾多接口中得到證明。圖8顯示了驅動系統內各個功能之間的內部接口，用灰色突出顯示，綠色圓圈顯示整車的外部接口。

為了實現預驗證EMR4平臺組件的*擴展性，所有主要組件，即逆變器(三個版本)，減速機(三個變種)，轉子和定子(每個三個長度)以及電機外殼(三個長度)和軸承板(兩個版本的“蓋”)都有關于內部和外部接口的明確定義。這使得使用統一的接口組合不同的組件設計成為可能。

結構噪聲和電磁輻射在也是電驅動系統關鍵指標。為了最大限度地減少電動驅動中結構噪聲對車身振動的影響，已經對所有運行情況下的驅動系統的聲學質量(噪聲、振動、嚴酷度、NVH)進行了大量的優化工作，如圖9,10所示。在EMR4平臺上，已經在A-sample基礎上成功地進行了驗證仿真結果的測試。

這種模擬技術還可以用于優化支架形狀，避免導致車輛結構設計相關激勵共振。

EMR4平臺的電磁兼容性符合CISPR25-2016 Class 3標準，如圖11所示。

6. 小結

EMR4平臺的開發已經吸收了三代電驅動系統的產業化經驗:截至2021年初，僅EMR3就已交付客戶超過15萬臺。EMR4的效率和性能在降低成本的情況下得到了顯著提高，甚至與已經進行了優化的EMR3驅動系統相比也是如此。特別是，新平臺的高可擴展性使得EMR4驅動系統在各種不同車型中具有高性價比的使用前景。

EMR4平臺目前的可擴展輸出功率在80kW至230kW之間，質量僅在45 kg至80 kg之間，高功率密度支持大量車型向電氣化過渡。為了涵蓋高于或低于指定的當前范圍的性能要求，將于2021年開始開發投資組合擴展。

通過系統的成本優化，EMR4平臺幫助電動汽車的購買成本更接近以往內燃機汽車的標準。由于EMR4驅動系統的效率進一步提高，電池也降低了成本。

EMR4平臺代表定制的現成解決方案，始終專注于產品的標準化和模塊化。在系統限制下，客戶特定的差異化是通過集成和系統專業知識形成的。這種方式創造了成本優化和個性化之間的平衡，輔之以多年的生產經驗和質量控制。基于這一戰略，Vitesco Technologies 正積極與客戶和供應商合作，促進電動出行的增長。

平臺化產品思考

三合一電驅動系統如何進行平臺化相信很多公司都分析過，Vitesco EMR4的平臺化思考給了我們很多啟迪：

① 集成形式選擇軸向集成，這樣集成就把電機和逆變器進行了解耦，選擇了外徑比較大的電機，功率的擴展通過鐵心疊厚進行調整，鐵芯沖片就可以完全平臺化；

②從逆變器電流規格上看，IGBT模塊應該選的是HPD封裝，通過不同芯片數量和散熱底板組合形成了不同的電流規格；

③減速器選擇了大減速比，可以減小電機扭矩，減小扭矩可以直接減少電機材料用量，降低電機成本；基于電機效率，性能，成本等多標準優化提到了專用工具iMCO，這個也可以參考。

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