汽車電氣化需要采用緊湊型的高功率驅(qū)動裝置。如果原驅(qū)動裝置也通過單個部件組成，據(jù)此功率密度更高的高集成緊湊型驅(qū)動單元即會更受歡迎。本文介紹了一種高集成電驅(qū)動單元，其將變頻器、電動機和變速器集成在同一個殼體中,最大功率可達230 kW。

1 市場情勢

近年來德國在降低CO2排放方面出現(xiàn)了技術(shù)瓶頸，從2009年起每年約為9億tCO2當(dāng)量，超過了聯(lián)邦政府2020年目標(biāo)值的20%。為了滿足未來轎車市場的CO2排放目標(biāo)，不僅對純電動車而且對混合動力汽車和可再生燃料的需求均呈現(xiàn)較高的增長率，因此在此期間車輛的電氣化即為大勢所趨，目前在所有市場中均可不同程度地觀察到這種趨勢。圖1示出了全球汽車市場的趨勢預(yù)測。2030年電動車的預(yù)測銷量為2 000萬輛，處于最快的增長階段，其中中國市場每年幾乎可達1 000萬輛，占有最大的份額。

圖1 2030年的轎車驅(qū)動裝置

當(dāng)今電動車大多是傳統(tǒng)車型的衍生車型，無論是傳統(tǒng)車輛、混合動力車或是電動車，其往往是基于同一種車型，因此電驅(qū)裝置和蓄電池系統(tǒng)需充分適應(yīng)整車邊界條件，同時電驅(qū)裝置是傳統(tǒng)內(nèi)燃機的有效替代裝置，因此在發(fā)動機艙內(nèi)更易于找到寬敞的位置，當(dāng)然其還可用于車輛內(nèi)部空間和蓄電池組。

在以純電動車為代表的車型上,發(fā)動機艙被大幅縮小或直接取消,因此其有更寬敞的車內(nèi)空間可用作乘客車廂，也具有更多的位置以安裝蓄電池組。在該滑板結(jié)構(gòu)型式的情況下,驅(qū)動裝置僅起到次要的作用，因此期望未來電驅(qū)動裝置的設(shè)計更為緊湊，其能被安裝在一個或兩個車橋上，因而結(jié)構(gòu)高度較低且功能強勁的緊湊型驅(qū)動裝置會有更廣闊的市場，尤其是配裝于汽車尾部地板下的結(jié)構(gòu)部件。圖2示出了經(jīng)過幾代演變的電動車結(jié)構(gòu)型式。

圖2 電動車結(jié)構(gòu)型式的演變

2 驅(qū)動單元的結(jié)構(gòu)

開發(fā)新型高集成驅(qū)動單元（圖3）最主要的目標(biāo)是：（1）高度低的緊湊型結(jié)構(gòu)型式（適用于地板安裝位置）；（2）適合于低成本大量生產(chǎn)；（3）較高的集成密度；（4）整體式冷卻；（5）基于系統(tǒng)層面的較高功率密度；（6）可分等級；（7）具有非常好的噪聲-振動-平順性（NVH）特性。

圖3 轎車高集成電驅(qū)動橋

根據(jù)這些要求為目標(biāo)用途確定下列最低要求：（1）C/D級車型，質(zhì)量最大可達2 000 kg；（2）最大車橋轉(zhuǎn)矩3 500 N·m；（3）0～100 km/h加速性小于6 s；（4）最高車速200 km/h（車輪轉(zhuǎn)速1 500 r/min）；（5）持續(xù)功率100kW，足夠?qū)崿F(xiàn)長途行駛的最高車速180 km/h，并包括用于爬坡的3%的儲備功率；（6）停車鎖定和空擋功能。

在方案設(shè)計階段就針對各種不同的車型結(jié)構(gòu)型式和要求進行了對比和評估?？偢叨群洼^高的NVH要求對選擇共軸設(shè)計起到了決定性的作用。減速齒輪傳動機構(gòu)采用行星齒輪變速器，電機則被集成在轉(zhuǎn)子中。為了獲得所需的行駛性能需具有高達230 kW的峰值功率（30 s）。

3 齒輪組和停車鎖定器

為了獲得必要的車輪轉(zhuǎn)矩和所期望的最高車速，電驅(qū)單元必需的檔位數(shù)取決于所配裝的驅(qū)動裝置的峰值功率。在轎車使用場合，因所需的持續(xù)功率較高，大多數(shù)僅采用單檔變速器即可滿足要求，這是由電驅(qū)動裝置可用的較大峰值功率和獨特的扭矩特性曲線所決定的。即使在上述應(yīng)用場合，因所安裝的驅(qū)動裝置具有230 kW峰值功率，僅需使用單檔變速器即可。

以行星變速器為基礎(chǔ)的齒輪組除了結(jié)構(gòu)型式緊湊之外還具有聲學(xué)方面的優(yōu)點。在圓柱齒輪嚙合情況下，系統(tǒng)條件所決定的旋轉(zhuǎn)均勻性會對軸承部位產(chǎn)生較大的沖擊力，但是由于行星齒輪的星形布置和支承在一個共同的行星齒輪支架上，沖擊力在很大程度上被抵消了，為此在該結(jié)構(gòu)型式情況下，其基礎(chǔ)激勵相對較小，有助于改善整個系統(tǒng)層面上的噪聲性能。

這種齒輪組由兩層齒輪組成，并且被設(shè)計成無內(nèi)齒圈的行星齒輪組，同時共用的行星齒輪支架被用作電機輸入端和作為從動端的一個大中心輪，而小中心輪則支撐其相應(yīng)的反作用力矩，采用該結(jié)構(gòu)能實現(xiàn)較大的固定傳動比。省略內(nèi)齒圈可降低制造成本，因為內(nèi)齒圈是行星齒輪組中最昂貴的零件，而且采用無內(nèi)齒圈結(jié)構(gòu)型式的行星齒輪組可布置在電機轉(zhuǎn)子架內(nèi)部。這種結(jié)構(gòu)的一大弊端是在較高的傳動比情況下會增大無功功率，并對齒輪組效率產(chǎn)生負面影響，但是在總傳動比為7.2的情況下所選擇的齒輪組設(shè)計的無功功率尚可接受。

停車鎖定裝置被設(shè)計成軸向停車鎖定結(jié)構(gòu)型式，并被集成在齒輪組中，其被同心布置在駐車制動器周圍，因此停車鎖定和空擋功能僅需使用一個執(zhí)行器，該執(zhí)行器可通過一個斜面將伺服電機轉(zhuǎn)子的運動轉(zhuǎn)換成軸向運動。

操縱是以此進行設(shè)計的，使兩個對安全性具有重要意義的狀態(tài)空擋位和停車位處于執(zhí)行器運動的終了位置，因此始終能通過機械式末端擋塊阻止起步并可靠地達到這兩個狀態(tài)，同時通過計算在電執(zhí)行器軸上的增量即可測量其升程，因而對執(zhí)行器的最高功能安全性要求將從典型的ASIL C標(biāo)準(zhǔn)（汽車安全完整性等級C級標(biāo)準(zhǔn)）降低到QM（質(zhì)量管理），從而可降低執(zhí)行器、傳感器和軟件等方面的成本。圖4示出了齒輪組的杠桿圖和3D視圖。

圖4 齒輪組的杠桿圖和3D視圖

伺服電機和與其相連的扇形齒輪的旋轉(zhuǎn)部分通過滑槽轉(zhuǎn)換成操縱套筒的軸向運動，這個套筒操縱空擋-驅(qū)動（N-D）換擋套筒和停車鎖定器體，其中視操縱方向而定中間還可連接一個預(yù)張緊彈簧。停車鎖定器體將圓錐體與常規(guī)拉拔圓錐體停車鎖定器止動爪的功能被合成同一部分。

N-D換擋套筒被執(zhí)行器可直接（無預(yù)張緊彈簧的影響）從N（空擋）移向D（驅(qū)動擋），。首先停車鎖定器被直接設(shè)計成可從停車終端位置移向下一個位置，然后再通過預(yù)張緊彈簧檔位從D中間位置移向空擋終端位置。這兩種功能是通過同一個彈簧實現(xiàn)的，圖5示出了軸向停車鎖定器。

圖5 軸向鎖定器

4 電機和變頻器

電機和變頻器的成本約占驅(qū)動單元總成本的三分之二，總效率損失約占整個系統(tǒng)的80%，因此應(yīng)對這些部件進行充分優(yōu)化。進行優(yōu)化的重要標(biāo)準(zhǔn)是實現(xiàn)較高的效率、較少的電能消耗、較高的功率密度以及較低的制造成本，但上述要求通常存在相互對立的情況，因此需進行協(xié)調(diào)，以實現(xiàn)折中。

鑒于要求對效率有著較高的技術(shù)要求，因此通常選用永磁式同步電機，其具有較高的理論效率及實際效率，尤其是在部分負荷工況下。

通過將齒輪組集成到轉(zhuǎn)子中，為此可獲得了較大的直徑-長度比，以此又能獲得更具優(yōu)勢的轉(zhuǎn)矩-電流比，其可直接對變頻器的成本產(chǎn)生有利的影響，此外可使電機的最高轉(zhuǎn)速降到10 000 r/min，以此降低了系統(tǒng)慣性，可使其獲得良好的動態(tài)性能，并對汽車上的調(diào)節(jié)系統(tǒng)產(chǎn)生的影響較小。

由于結(jié)構(gòu)長度較短，定子可應(yīng)用單牙技術(shù)，除了銅填充系數(shù)較高和有效鐵芯長度相對較大之外，該類技術(shù)還有利于實現(xiàn)降低成本的大規(guī)模生產(chǎn)。

同時還采用了多相換流器，此類技術(shù)的基本優(yōu)點是其系統(tǒng)具有較好的儲備能力，甚至在短路情況下仍可使系統(tǒng)轉(zhuǎn)換到應(yīng)急狀態(tài)運行。其他方面的優(yōu)點是具有較高的功率，尤其是優(yōu)良的旋轉(zhuǎn)均勻性。

良好的NVH特性是未來電驅(qū)裝置在市場上得以推廣的基本要求。多相系統(tǒng)提供了明顯更豐富的可能性，能通過主動控制以在某種程度上降低噪聲，并可降低最高轉(zhuǎn)速、實現(xiàn)較好的旋轉(zhuǎn)均勻性，同時與集成行星變速器相結(jié)合即可獲得良好的NVH特性。

5 系統(tǒng)設(shè)計和冷卻

電驅(qū)動橋被制成了全集成式單元，具有一個齒輪組、差速器和電機共用的機油循環(huán)回路。潤滑劑不僅需滿足潤滑和冷卻等方面的多種要求，特別是具有較高的溫度穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性、較小的乳化傾向以及對銅和絕緣材料的較低腐蝕性。

冷卻循環(huán)回路被分成兩部分，由一個外部冷卻水套和一個內(nèi)部機油循環(huán)回路組成（圖6）。外部冷卻循環(huán)回路按常規(guī)方法建立，而且能滿足以持續(xù)功率運行的冷卻要求。

圖6 機油和冷卻水循環(huán)回路

峰值功率對加速性能和回收性能具有決定性的作用，為了提高峰值功率，設(shè)置了一個內(nèi)部機油冷卻循環(huán)回路。這種解決方案的缺點是機油泵的能量需求往往過高。

為了回避此類缺點，采用了由一個電動離心泵組成的離心式甩油冷卻。離心泵將經(jīng)過水套旁的機油導(dǎo)入中心軸，同時由此實現(xiàn)簡單的熱交換。這種離心泵的優(yōu)點是，除了結(jié)構(gòu)簡單及其制造成本較為低廉之外，能量需求也相對較低，最大功率消耗僅20 W，輸送機油所需的更多能量可直接從轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)中獲得。與壓力機油泵相比，此類系統(tǒng)可節(jié)省約50%的能量。

機油從軸中流出進入齒輪組并確保其潤滑效果，流出的機油在轉(zhuǎn)子外緣被截流并被導(dǎo)入疊片鐵芯下方，以用于冷卻轉(zhuǎn)子。機油在疊片鐵芯兩端被截流從而進入支承環(huán)，之后通過鉆孔被甩向定子繞組兩端，因此即使離心泵消耗較少的電功率，也能使整個系統(tǒng)實現(xiàn)有效的冷卻，因為電機本身也被用作泵的動力來源。采用此類標(biāo)準(zhǔn)的離心泵，機油流量即可按需進行調(diào)整。

6 結(jié)語

通過上述驅(qū)動單元介紹了新一代電驅(qū)動裝置，其可用于當(dāng)前及未來的電動車和混合動力車。通過集成度在系統(tǒng)層面上實現(xiàn)了較高的功率密度，同時優(yōu)化了整車的聲學(xué)性能。