轿车高集成度电驱动桥

 

2020-07-25 10:43

  汽车电动化需要辅以紧凑的大功率驱动装置,如果以往这种动力驱动装置还是由单个部件组成的话,那么当今具有更高功率密度的高集成度紧凑型模块化动力驱动单元就会更受欢迎。介绍了一种高集成度的电驱动单元,其中逆变器、电机和变速器被集成在一个系统壳体中,其所介绍的方案具有高达230 kW的最大功率。

  近年来德国降低CO2排放的发展进程基本处于停滞状态,从2009年起 CO2当量大约为每年1亿t,因而超过了德国联邦政府所规定的2020年目标值的20%。 为了能实现未来轿车市场的 CO2排放目标,无论是纯电动车还是混合动力车和可再生燃料的高增长率是必不可少的,因此在这期间公司车队的电气化将是大势所趋,在不同市场上都能不同程度地观察到该类趋势。 图1示出了全球市场预测,它们是在预测的2030年2 000万辆电动车销售量中增长最快的车型等级段,其中中国市场以每年几乎1 000万辆的汽车保有量占据了最高的份额。

  目前,电动车大多被视为常规汽车结构的衍生车型,往往同一种汽车既可提供常规车型又可提供混合动力车型和纯电动车型,因此电驱动装置与蓄电池系统必须充分适应车辆的边界条件,此时即以电驱动装置替代传统内燃机驱动装置,因此应尽可能在发动机舱内找到宽敞的安装位置,但是又不可干涉到汽车内部空间和蓄电池的安装空间。

  在某款车型纯粹作为电动车而设计的情况下发动机舱会被大幅缩小或完全取消,从而能为乘客提供更宽敞的内部空间,并为蓄电池系统提供更充裕的安装位置。在这种所谓的滑板式结构情况下,动力驱动装置仅仅只是一个次要角色。如果期望获得一个紧凑设计的方案,那么其可通过横向装配方式安装到一个或两个车桥上,在这样的情况下具有较小结构高度和功能强劲的紧凑型电驱动装置是颇受欢迎的,特别是用于汽车尾部地板下的安装型式。图2示出了几代电动车结构的演变。

  开发新型高集成度电驱动单元(图3)的最主要目标是:(1)紧凑的结构形式,并具有较小的高度(适合于地板下安装位置);(2)适合于低成本大量生产;(3)较高的集成度;(4)整体式冷却;(5)在系统层面上具有较高的功率密度;(6)具有可扩展性;(7)具有非常良好的噪声-振动-平顺性(NVH)特性。

  根据这些开发目标要求,为目标应用场合确定了以下最低要求:(1)C/D级汽车,最大质量2 000 kg;(2)最大驱动桥扭矩3 500 N·m;(3)0~100 km/h加速时间少于6 s;(4)最高车速200 km/h(车轮转速1 500 r/min);(5)持续功率100kW,足以满足最大长途行驶车速180 km/h并包括高达3%的提速储备需求;(6)具有停车锁和空档功能。

  在方案设计阶段已对各种各样的不同结构和配置进行了对比和评价,其中总高度和较高的NVH要求对共轴设计方案的选择起着决定性的作用。减速齿轮传动机构选用了行星变速器,并被集成在电机转子中。为了体现出所需的动力性能需要具备230 kW峰值功率(30 s)。

  电驱动单元所必需的挡位数与必需的车轮扭矩和所期望的最高车速(跨度)密切相关,其取决于所配置的峰值功率。在轿车应用领域,因所需的电驱动持续功率较高,输入端变速器即可满足要求,这是由较高的可支配峰值功率以及电驱动独特的扭矩特性曲线所决定的,在其所介绍的应用场合就是因配置了230 kW峰值功率的输入端变速器即可符合要求。

  以行星齿轮变速器为基础的齿轮组,除了紧凑的结构形式之外,还提供了在声学方面的技术优势。在圆柱齿轮啮合的情况下,系统条件所决定的旋转均匀性在轴承部位导致了较高的激振力,而行星齿轮和轴承在公共行星齿轮架中的星形布置却能在较大程度上抵消这些激振力,因此在这种结构型式中基础激振就相对较小,有助于在整个系统层面上获得有利的噪声特性。

  这种齿轮组通过两个齿轮平面组成,而且被设计成无空心齿轮的行星齿轮组,其中公共行星齿轮架被用作电机的输入端,而一个较大的中心齿轮被用作驱动端,较小的中心齿轮则被用于支撑反作用力矩,采用此类结构就能实现较高的固定传动比,而省去空心齿轮又能降低制造成本,因为空心齿轮是行星齿轮组中最为昂贵的零件,且采用无空心齿轮结构型式就能将齿轮组装入电机转子的内部结构。这种结构的一个缺点是在较高的传动比情况下将会使无功功率有所增加从而对齿轮组效率产生不利的影响,但是在总传动比为7.2时所选择的齿轮组设计的无功功率尚可被接受。

  停车锁被设计成轴向停车锁,其被同心地布置在固定中心齿轮周围,这样停车锁和空档功能就只需用一个执行器,该执行器通过一个斜坡来得以实现,其将伺服马达的旋转运动转换成轴向运动。其动作被设计成将空档和停车这两个对安全性至关重要的状态,并置于执行器运动的终端位置,从而通过受监控的起动就能使机械式终端挡块始终可靠地达到这些状态,其中距离测量仍通过电执行器轴上的增量计数来进行,因此执行器的最高功能可靠性要求即已从ASIL C降低到QM*,因而能明显地节省执行器、传感器和软件的开发费用。图4示出了齿轮组的杠杆图和3D视图。

  执行器马达及与其啮合的扇形齿轮的旋转通过一个滑槽转换成操纵套筒的轴向运动,该套筒再操纵空档-驱动档换档套筒(N-D)和停车锁壳体,视操纵的方向而定其间还连接着一个预压弹簧。停车锁壳体将常规的拉拔停车锁的锥体和止动爪功能合并成一个零件。

  空档-驱动挡换挡套筒(N-D)由执行器直接(对预压弹簧无影响)从空档移向驱动挡,而在相反方向上则正好相反。首先直接依据停车终端位置来设计停车锁,然后从空档终端位置方向上的驱动挡中间位置通过预压弹簧来进行挡位设计,两种功能由同一个弹簧来实现。图5示出了轴向停车锁。

  电机和逆变器的价值约占电驱动单元总价值的2/3,并且由其引起了约80%的损失,因而相应重要的是尽可能好地优化这些部件。重要的优化标准是效率高、电流消耗少、功率密度大和制造成本低,但是这些要求大多是相互矛盾的,因此必须寻找到尽可能好的折中方案。

  鉴于对效率方面较高的要求,因而选择了永磁式同步电机,该类电机不仅绝对效率高,而且在实际运行中的效率依然较高,特别是在为避免较高的牵引损失而使用空档功能的情况下。

  因将齿轮组集成在电机转子中,其直径/长度比相对较大,这样又能得到有利的扭矩/电流比,而且直接对逆变器的成本也会产生了较为有利的影响,此外可供使用的高扭矩被用于将电机转速降至10 000 r/min,以此降低了系统惯性,从而能获得良好的动力性能,而且对汽车上的调节系统所产生的影响也较小。

  由于结构长度较短,电机定子通过单齿技术进行设计,这种技术除了具有较高的铜填充系数和相对较大的铁芯有效长度之外还能以低成本实现大量生产。

  电机换流器被设计成多相换流器,这种技术的主要优点在于系统具有较高的备用性,甚至在单纯的短路情况下系统仍能在应急运行状态下运行,其他方面的优点是具有较高的功率,特别是具有较好的旋转均匀性。

  良好的NVH特性是市场对未来电驱动装置接受程度的重要影响因素。多相系统提供了明显更多的可能性,能主动地在一定范围内通过针对性地控制噪声,并与降低最高转速、良好的旋转均匀性和集成行星齿轮变速器相结合,就能获得良好的NVH特性。

  电驱动桥被设计成全集成式模块化单元,并具备齿轮组、差速器和电机共同的内部机油循环回路,这种润滑剂必须满足多种多样的要求而不仅仅是润滑和冷却作用,特别是例如较高的温度稳定性和化学耐抗性、较低的泡沫化倾向以及有利于铜和绝缘材料的腐蚀性等。

  冷却循环回路被分成两部分,由一个外部水套冷却和一个内部机油循环回路组成(图6)。外部冷却循环回路通常被设计成常规形式,能够从连续的功率需求中消除损失。

  为了提高对加速性能和回收性能具有决定性意义的峰值功率,已安装了内部机油循环回路。这种解决方案的缺点是用于电动或机械传动的机油泵往往需要较高的能量。

  为了规避这种缺点,已安装了一种由一个电动离心泵组成的离心甩油冷却装置,电动离心泵将从水套旁边经过的机油导入中心轴,同时由此实现了一种较为简单的热交换器。离心泵的优点,除了结构简单及廉价的制造成本之外,其能量需求也较低,最多仅20 W,输送机油所需的其他能量则直接从转子的旋转中获得,与压力机油泵相比这种系统的节能效果大约为50%。

  齿轮组范围内的机油用于确保齿轮组的润滑。流出的机油会聚到转子外齿轮处,并被导入叠片铁心下方以用于冷却,机油在叠片铁心的两端分别进入支承环,然后通过孔针对线圈头部产生作用,因此即使离心泵电功率消耗较少,仍能使整个系统达到有效的冷却,因为电机转子本身也起到了泵油的作用。机油流量能通过可控的离心泵实现按需调整。

  用上述电驱动单元介绍了新一代的电驱动装置,其既能用于现在的又能用于未来的电动车混合动力车。在优化声学特性的同时,通过集成度在系统层面上达到了较高的单位功率值。

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