汽車電動(dòng)化需要輔以緊湊的大功率驅(qū)動(dòng)裝置，如果以往這種動(dòng)力驅(qū)動(dòng)裝置還是由單個(gè)部件組成的話，那么當(dāng)今具有更高功率密度的高集成度緊湊型模塊化動(dòng)力驅(qū)動(dòng)單元就會(huì)更受歡迎。介紹了一種高集成度的電驅(qū)動(dòng)單元，其中逆變器、電機(jī)和變速器被集成在一個(gè)系統(tǒng)殼體中，其所介紹的方案具有高達(dá)230 kW的最大功率。

1 市場(chǎng)狀況

近年來(lái)德國(guó)降低CO2排放的發(fā)展進(jìn)程基本處于停滯狀態(tài)，從2009年起CO2當(dāng)量大約為每年1億t，因而超過(guò)了德國(guó)聯(lián)邦政府所規(guī)定的2020年目標(biāo)值的20%。為了能實(shí)現(xiàn)未來(lái)轎車市場(chǎng)的CO2排放目標(biāo)，無(wú)論是純電動(dòng)車還是混合動(dòng)力車和可再生燃料的高增長(zhǎng)率是必不可少的，因此在這期間公司車隊(duì)的電氣化將是大勢(shì)所趨，在不同市場(chǎng)上都能不同程度地觀察到該類趨勢(shì)。圖1示出了全球市場(chǎng)預(yù)測(cè)，它們是在預(yù)測(cè)的2030年2 000萬(wàn)輛電動(dòng)車銷售量中增長(zhǎng)最快的車型等級(jí)段，其中中國(guó)市場(chǎng)以每年幾乎1 000萬(wàn)輛的汽車保有量占據(jù)了最高的份額。

目前，電動(dòng)車大多被視為常規(guī)汽車結(jié)構(gòu)的衍生車型，往往同一種汽車既可提供常規(guī)車型又可提供混合動(dòng)力車型和純電動(dòng)車型，因此電驅(qū)動(dòng)裝置與蓄電池系統(tǒng)必須充分適應(yīng)車輛的邊界條件，此時(shí)即以電驅(qū)動(dòng)裝置替代傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置，因此應(yīng)盡可能在發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)找到寬敞的安裝位置，但是又不可干涉到汽車內(nèi)部空間和蓄電池的安裝空間。

在某款車型純粹作為電動(dòng)車而設(shè)計(jì)的情況下發(fā)動(dòng)機(jī)艙會(huì)被大幅縮小或完全取消，從而能為乘客提供更寬敞的內(nèi)部空間，并為蓄電池系統(tǒng)提供更充裕的安裝位置。在這種所謂的滑板式結(jié)構(gòu)情況下，動(dòng)力驅(qū)動(dòng)裝置僅僅只是一個(gè)次要角色。如果期望獲得一個(gè)緊湊設(shè)計(jì)的方案，那么其可通過(guò)橫向裝配方式安裝到一個(gè)或兩個(gè)車橋上，在這樣的情況下具有較小結(jié)構(gòu)高度和功能強(qiáng)勁的緊湊型電驅(qū)動(dòng)裝置是頗受歡迎的，特別是用于汽車尾部地板下的安裝型式。圖2示出了幾代電動(dòng)車結(jié)構(gòu)的演變。

圖12030年的轎車動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)

圖2 幾代電動(dòng)車結(jié)構(gòu)的演變

2 動(dòng)力驅(qū)動(dòng)單元的結(jié)構(gòu)

開發(fā)新型高集成度電驅(qū)動(dòng)單元（圖3）的最主要目標(biāo)是：（1）緊湊的結(jié)構(gòu)形式，并具有較小的高度（適合于地板下安裝位置）；（2）適合于低成本大量生產(chǎn)；（3）較高的集成度；（4）整體式冷卻；（5）在系統(tǒng)層面上具有較高的功率密度；（6）具有可擴(kuò)展性；（7）具有非常良好的噪聲-振動(dòng)-平順性（NVH）特性。

根據(jù)這些開發(fā)目標(biāo)要求，為目標(biāo)應(yīng)用場(chǎng)合確定了以下最低要求：（1）C/D級(jí)汽車，最大質(zhì)量2 000 kg；（2）最大驅(qū)動(dòng)橋扭矩3 500 N·m；（3）0～100 km/h加速時(shí)間少于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，足以滿足最大長(zhǎng)途行駛車速180 km/h并包括高達(dá)3%的提速儲(chǔ)備需求；（6）具有停車鎖和空檔功能。

圖3 新型高集成度電驅(qū)動(dòng)單元

在方案設(shè)計(jì)階段已對(duì)各種各樣的不同結(jié)構(gòu)和配置進(jìn)行了對(duì)比和評(píng)價(jià)，其中總高度和較高的NVH要求對(duì)共軸設(shè)計(jì)方案的選擇起著決定性的作用。減速齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)選用了行星變速器，并被集成在電機(jī)轉(zhuǎn)子中。為了體現(xiàn)出所需的動(dòng)力性能需要具備230 kW峰值功率（30 s）。

3 齒輪組和停車鎖

電驅(qū)動(dòng)單元所必需的擋位數(shù)與必需的車輪扭矩和所期望的最高車速（跨度）密切相關(guān)，其取決于所配置的峰值功率。在轎車應(yīng)用領(lǐng)域，因所需的電驅(qū)動(dòng)持續(xù)功率較高，輸入端變速器即可滿足要求，這是由較高的可支配峰值功率以及電驅(qū)動(dòng)獨(dú)特的扭矩特性曲線所決定的，在其所介紹的應(yīng)用場(chǎng)合就是因配置了230 kW峰值功率的輸入端變速器即可符合要求。

以行星齒輪變速器為基礎(chǔ)的齒輪組，除了緊湊的結(jié)構(gòu)形式之外，還提供了在聲學(xué)方面的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。在圓柱齒輪嚙合的情況下，系統(tǒng)條件所決定的旋轉(zhuǎn)均勻性在軸承部位導(dǎo)致了較高的激振力，而行星齒輪和軸承在公共行星齒輪架中的星形布置卻能在較大程度上抵消這些激振力，因此在這種結(jié)構(gòu)型式中基礎(chǔ)激振就相對(duì)較小，有助于在整個(gè)系統(tǒng)層面上獲得有利的噪聲特性。

這種齒輪組通過(guò)兩個(gè)齒輪平面組成，而且被設(shè)計(jì)成無(wú)空心齒輪的行星齒輪組，其中公共行星齒輪架被用作電機(jī)的輸入端，而一個(gè)較大的中心齒輪被用作驅(qū)動(dòng)端，較小的中心齒輪則被用于支撐反作用力矩，采用此類結(jié)構(gòu)就能實(shí)現(xiàn)較高的固定傳動(dòng)比，而省去空心齒輪又能降低制造成本，因?yàn)榭招凝X輪是行星齒輪組中最為昂貴的零件，且采用無(wú)空心齒輪結(jié)構(gòu)型式就能將齒輪組裝入電機(jī)轉(zhuǎn)子的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)的一個(gè)缺點(diǎn)是在較高的傳動(dòng)比情況下將會(huì)使無(wú)功功率有所增加從而對(duì)齒輪組效率產(chǎn)生不利的影響，但是在總傳動(dòng)比為7.2時(shí)所選擇的齒輪組設(shè)計(jì)的無(wú)功功率尚可被接受。

停車鎖被設(shè)計(jì)成軸向停車鎖，其被同心地布置在固定中心齒輪周圍，這樣停車鎖和空檔功能就只需用一個(gè)執(zhí)行器，該執(zhí)行器通過(guò)一個(gè)斜坡來(lái)得以實(shí)現(xiàn)，其將伺服馬達(dá)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成軸向運(yùn)動(dòng)。其動(dòng)作被設(shè)計(jì)成將空檔和停車這兩個(gè)對(duì)安全性至關(guān)重要的狀態(tài)，并置于執(zhí)行器運(yùn)動(dòng)的終端位置，從而通過(guò)受監(jiān)控的起動(dòng)就能使機(jī)械式終端擋塊始終可靠地達(dá)到這些狀態(tài)，其中距離測(cè)量仍通過(guò)電執(zhí)行器軸上的增量計(jì)數(shù)來(lái)進(jìn)行，因此執(zhí)行器的最高功能可靠性要求即已從ASIL C降低到QM*，因而能明顯地節(jié)省執(zhí)行器、傳感器和軟件的開發(fā)費(fèi)用。圖4示出了齒輪組的杠桿圖和3D視圖。

執(zhí)行器馬達(dá)及與其嚙合的扇形齒輪的旋轉(zhuǎn)通過(guò)一個(gè)滑槽轉(zhuǎn)換成操縱套筒的軸向運(yùn)動(dòng)，該套筒再操縱空檔-驅(qū)動(dòng)檔換檔套筒（N-D）和停車鎖殼體，視操縱的方向而定其間還連接著一個(gè)預(yù)壓彈簧。停車鎖殼體將常規(guī)的拉拔停車鎖的錐體和止動(dòng)爪功能合并成一個(gè)零件。

空檔-驅(qū)動(dòng)擋換擋套筒（N-D）由執(zhí)行器直接（對(duì)預(yù)壓彈簧無(wú)影響）從空檔移向驅(qū)動(dòng)擋，而在相反方向上則正好相反。首先直接依據(jù)停車終端位置來(lái)設(shè)計(jì)停車鎖，然后從空檔終端位置方向上的驅(qū)動(dòng)擋中間位置通過(guò)預(yù)壓彈簧來(lái)進(jìn)行擋位設(shè)計(jì)，兩種功能由同一個(gè)彈簧來(lái)實(shí)現(xiàn)。圖5示出了軸向停車鎖。

圖4 齒輪組的杠桿圖（左）和3D視圖（右）

圖5 軸向停車鎖

4 電機(jī)和逆變器

電機(jī)和逆變器的價(jià)值約占電驅(qū)動(dòng)單元總價(jià)值的2/3，并且由其引起了約80%的損失，因而相應(yīng)重要的是盡可能好地優(yōu)化這些部件。重要的優(yōu)化標(biāo)準(zhǔn)是效率高、電流消耗少、功率密度大和制造成本低，但是這些要求大多是相互矛盾的，因此必須尋找到盡可能好的折中方案。

鑒于對(duì)效率方面較高的要求，因而選擇了永磁式同步電機(jī)，該類電機(jī)不僅絕對(duì)效率高，而且在實(shí)際運(yùn)行中的效率依然較高，特別是在為避免較高的牽引損失而使用空檔功能的情況下。

因?qū)X輪組集成在電機(jī)轉(zhuǎn)子中，其直徑/長(zhǎng)度比相對(duì)較大，這樣又能得到有利的扭矩/電流比，而且直接對(duì)逆變器的成本也會(huì)產(chǎn)生了較為有利的影響，此外可供使用的高扭矩被用于將電機(jī)轉(zhuǎn)速降至10 000 r/min，以此降低了系統(tǒng)慣性，從而能獲得良好的動(dòng)力性能，而且對(duì)汽車上的調(diào)節(jié)系統(tǒng)所產(chǎn)生的影響也較小。

由于結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度較短，電機(jī)定子通過(guò)單齒技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，這種技術(shù)除了具有較高的銅填充系數(shù)和相對(duì)較大的鐵芯有效長(zhǎng)度之外還能以低成本實(shí)現(xiàn)大量生產(chǎn)。

電機(jī)換流器被設(shè)計(jì)成多相換流器，這種技術(shù)的主要優(yōu)點(diǎn)在于系統(tǒng)具有較高的備用性，甚至在單純的短路情況下系統(tǒng)仍能在應(yīng)急運(yùn)行狀態(tài)下運(yùn)行，其他方面的優(yōu)點(diǎn)是具有較高的功率，特別是具有較好的旋轉(zhuǎn)均勻性。

良好的NVH特性是市場(chǎng)對(duì)未來(lái)電驅(qū)動(dòng)裝置接受程度的重要影響因素。多相系統(tǒng)提供了明顯更多的可能性，能主動(dòng)地在一定范圍內(nèi)通過(guò)針對(duì)性地控制噪聲，并與降低最高轉(zhuǎn)速、良好的旋轉(zhuǎn)均勻性和集成行星齒輪變速器相結(jié)合，就能獲得良好的NVH特性。

5 系統(tǒng)設(shè)計(jì)和冷卻

電驅(qū)動(dòng)橋被設(shè)計(jì)成全集成式模塊化單元，并具備齒輪組、差速器和電機(jī)共同的內(nèi)部機(jī)油循環(huán)回路，這種潤(rùn)滑劑必須滿足多種多樣的要求而不僅僅是潤(rùn)滑和冷卻作用，特別是例如較高的溫度穩(wěn)定性和化學(xué)耐抗性、較低的泡沫化傾向以及有利于銅和絕緣材料的腐蝕性等。

冷卻循環(huán)回路被分成兩部分，由一個(gè)外部水套冷卻和一個(gè)內(nèi)部機(jī)油循環(huán)回路組成（圖6）。外部冷卻循環(huán)回路通常被設(shè)計(jì)成常規(guī)形式，能夠從連續(xù)的功率需求中消除損失。

為了提高對(duì)加速性能和回收性能具有決定性意義的峰值功率，已安裝了內(nèi)部機(jī)油循環(huán)回路。這種解決方案的缺點(diǎn)是用于電動(dòng)或機(jī)械傳動(dòng)的機(jī)油泵往往需要較高的能量。

為了規(guī)避這種缺點(diǎn)，已安裝了一種由一個(gè)電動(dòng)離心泵組成的離心甩油冷卻裝置，電動(dòng)離心泵將從水套旁邊經(jīng)過(guò)的機(jī)油導(dǎo)入中心軸，同時(shí)由此實(shí)現(xiàn)了一種較為簡(jiǎn)單的熱交換器。離心泵的優(yōu)點(diǎn),除了結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單及廉價(jià)的制造成本之外，其能量需求也較低，最多僅20 W，輸送機(jī)油所需的其他能量則直接從轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)中獲得，與壓力機(jī)油泵相比這種系統(tǒng)的節(jié)能效果大約為50%。

齒輪組范圍內(nèi)的機(jī)油用于確保齒輪組的潤(rùn)滑。流出的機(jī)油會(huì)聚到轉(zhuǎn)子外齒輪處，并被導(dǎo)入疊片鐵心下方以用于冷卻，機(jī)油在疊片鐵心的兩端分別進(jìn)入支承環(huán)，然后通過(guò)孔針對(duì)線圈頭部產(chǎn)生作用，因此即使離心泵電功率消耗較少，仍能使整個(gè)系統(tǒng)達(dá)到有效的冷卻，因?yàn)殡姍C(jī)轉(zhuǎn)子本身也起到了泵油的作用。機(jī)油流量能通過(guò)可控的離心泵實(shí)現(xiàn)按需調(diào)整。

圖6 機(jī)油和冷卻水循環(huán)回路

6 結(jié)論

用上述電驅(qū)動(dòng)單元介紹了新一代的電驅(qū)動(dòng)裝置，其既能用于現(xiàn)在的又能用于未來(lái)的電動(dòng)車和混合動(dòng)力車。在優(yōu)化聲學(xué)特性的同時(shí)，通過(guò)集成度在系統(tǒng)層面上達(dá)到了較高的單位功率值。