舍弗勒eDrive平台模块化和高度集成

本文为舍弗勒电驱动平台模块化技术将围绕以下四部分进行讲解：

一、引言

二、模块化方法

三、平台组件

四、总结与展望

一、引言

电驱动的发展远远超出了电动机的范畴。只有通过电机，电力电子设备，传感器，机械集成和控制策略的相互作用才能实现最佳的效率，范围和系统成本，这就是为什么需要一种面向系统化方法的原因。

舍弗勒早在2011年就证明了自己在“主动电动驱动”概念车方面的专业技术。ŠkodaOctavia中的内燃机被两个电动轴驱动器所取代，每个轴驱动器的额定功率为105 kW。即使那时，这些电动机都是公司内部开发的单元。虽然最初固定了电动机的齿轮比和轴速，但从2014年开始，该概念车采用了第三代后桥驱动，该驱动系统具有两档变速箱，额定功率降至65 kW。该驱动系统现在包括公司内部开发的新型电子产品。两代概念车在每个车轮上均独立具有扭矩矢量。虽然牵引驱动的电力电子系统当时仍然是一个单独的系统，但它已经安装在车轴上，用于扭矩矢量控制。

与此同时，可以预见的是，电动汽车数量将在未来十年内达到很大比例，机电一体化程度将大幅提高。与此同时，动力总成的拓扑结构也有很大的不同，可以根据其安装位置[1]进行分类。这些动力总成的设计实现需要四类汇总:

·混合动力模块集成到内燃机的动力总成中

·专用的混合动力变速箱，专门实现混合动力和电动驱动模式

·专用混合动力系统和纯电动汽车的电动轴驱动

·轮毂驱动，用于新的机动性概念。

电驱动可以在各种电压水平下运行，从初始混合时的48 V到纯电池驱动的车辆中的400V，这增加了它们的复杂性。为了在可接受的电流水平上缩短电池充电时间，第一批制造商已经推出了800V车载电气系统的项目。因此，电驱动的功率范围非常广泛—从20 kW到400 kW以上。

所有未来集成概念的共同点是，它们将在很大程度上集成机械和电气/电子系统-图1。但是，对电动机的要求却大不相同。

例如，在混合动力模块和轮毂电机中，轴向安装空间都是有限的。此外，速度直接与动力系统耦合，这意味着动力转换主要需要通过电机的扭矩来实现。

尽管电动轴驱动器具有更大的轴向安装空间，但直径通常会因安装位置而受到限制。为了保证所需的驱动扭矩，至少需要通过一个传动级与车轴连接。这使得可以在更高的速度下增加电动机的容量，又能节省较小的设计和材料。这同样适用于大多数专用的混合动力变速箱。相反，电力电子技术在很大程度上与动力总成类型无关；它主要由电压水平，最大输出所需的电流量以及为动力总成指定的安装空间定义。

图1集成电驱动的动力系统概念

列出的大量需求要求针对各种安装空间和功率等级采用模块化方法。实际上，因为——取决于设计——驱动的电气和电子组件占总附加值的80%，因此是总成本的关键因素。

二、模块化方法

开发技术平台

为了一方面支持大量的车辆和驱动概念，另一方面又能将开发费用降到最低，舍弗勒开发了一种用于电动驱动的模块化技术方法。它的三个级别（图2 ）不仅包括电气组件，还包括控制它们所需的硬件和软件。

图2电驱动的模块化技术平台

电动机构成平台的基础。由于开始时描述的需求不同，因此需要定义多个系列，每个系列都具有可伸缩的输出。根据目前的估计，未来的应用范围可以由六个系列完全覆盖。根据必要的功率密度和其他要求，永励电机和异步电机都将用于此。

首先，中间层包括具有所有关键组件的电力电子设备，例如电源开关，电容器，母线，驱动器级和传感器。平台概念的另一部分是一个承载框架，用于引导冷却剂并作为电力电子设备所有组件的散热器。与第二级有关的还有用于驱动控制的硬件，其规格不仅取决于电动机和电力电子设备，还取决于在车辆级执行的功能，因此需要根据具体的应用来实现。其中一个关键的例子是通信网络，它可以作为FlexRay，CAN或CAN FD网络执行。

因此，它不能与软件平台所在的第三层分开，后者同样是根据面向功能的方法开发的。该软件包括基于AUTOSAR的功能库，该库还定义了相关硬件的要求。

三、平台组件

电动马达

在考虑高度集成的动力总成（例如混合动力模块，电动车轴或轮毂驱动）时，很难确定电动机是一个独立的功能单元。由于多功能模块也是决定其他子系统功能的因素，所以在动力总成装配完成之前，往往无法测试完整的电机功能。这样的示例也为集成驱动器提供支撑的轴承装置，或者也是离合器的板式支架的转子支架。这样做的结果是在生产过程中对测试概念提出了很高的要求。有必要利用诸如测量绕组电阻，电感，或磁场分布的组件来评估质量的磁路组装(定子、转子)——为了立即解决错误的部分,而不是无法识别它们,直到行尾测试期间。

除了主要功能（代表定义的速度-转矩行为）外，该磁路还需要处理其他要求：

·理想的冷却能力和高铜填充率，以确保持久的连续性能；

·以优化成本来最小化使用材料；

·将定子中谐波产生的径向和切向力影响最小化，以优化NVH；

·谐波最小化，这部分同样会产生力效应，但也会诱发涡流驱动电压，最终导致损耗和定子/转子发热；

·最小的齿槽转矩和波纹转矩。

正如对单个现象的任何详细分析将显示的那样。因此，存在一个优化问题，其解决方案必须针对应用程序的要求和预期的负载周期。

事实证明，分布式绕组具有高转矩密度，低谐波以及从载流绕组到定子叠片铁心的良好热流的优点。由于线圈以不同的角度在槽中延伸，因此与集中绕组相比，线圈末端较大。工业电气工程中已知的圆线分布绕线已被证明不太适合用于汽车。越来越多的解决方案表明，使用所谓的hairpin或I pin技术，涉及插入铜条并将其焊接到叠层铁芯的端面。由于每个定子都有大量的焊接点，因此对这种生产技术的要求很高。相较于盘绕线材，棒材的横截面要大得多，在运行过程中会产生涡流和集肤效应相关的损耗，极性变化越频繁，损耗就会大大增加。

尽管hairpin技术大大减轻了线圈末端比集中绕组更大的事实，但这种情况仍然持续存在。因此，仍然存在一些在电机应用中分布式绕组的优势不再是利大于弊，例如轴向安装空间极短的应用，例如48V混合模块，其中主动电动机的长度远远小于50mm–图3。同时，这也很好地说明了现有的生产技术的强大影响例子。线圈末端越小，分布绕组的应用极限将在较短的轴向长度方向上移动。

图3集中绕组和分布式绕组的应用领域，具体取决于电动机的有效长度

舍弗勒已经研究了发卡缠绕的替代品是否具有优势，同时又将劣势最小化。一种较好的替代方法是波形绕组，其中（分布式）绕组通过一种编织工艺制成，然后在定子槽中连接。通过在铜充填率方面做出一定的让步，可以以较小的横截面进行加工。从而增加了潜在的缝隙数量，并且减小了涡流损耗的影响。图4显示了三种缠绕类型的定性比较。

图4集中绕组和分布式绕组的应用领域，具体取决于电动机的有效长度

优缺点产生的程度取决于特定的应用案例。为了量化差异，使用特定示例描述了发卡和波状绕组之间的比较，即它们在C段中纯电动动力总成的电轴中的使用。在与下游齿轮阶段的协调下，得出以下规格值：

·Pmax = 147 kW

·Mmax = 265 Nm

·nmax = 18000 /min

图5中的表格显示了选定的特定负载点，定子外径为220 mm, 96个槽，活动长度为110 mm的波形绕组电机的性能数据。使用hairpin技术生产了具有相同安装空间要求的第二个电动机，从而可以实现72个插槽。

随后，将相同工作点处的定子和转子损耗进行了相互比较–图6。这表明，在较低的转速范围内，发卡式绕组中的定子损耗比带波形绕组的电动机中的定子损耗要小一些。相比之下，由于高频损耗，发卡绕组在较高速度范围内的得分要差得多。此外，与使用波形绕组时相比，在所有工作点处的转子损耗都更少，这主要是由于谐波较低。

图5在不同工作点上带波形绕组的电动机的效率计算值

图6在具有波形和发夹式绕组的电动车轴应用中电动机的定子和转子损耗的比较

另外，用于波形缠绕的槽隙的数量增加导致整体表面更大，有利于散热。当考虑实际设计中出现的损耗时，这在转子和定子中出现的温度中变得明显。图7显示了低负载和高负载工作点的比较。

图7带有波形和发夹式绕组的电动机中两个工作点的定子和转子温度的比较

最后在循环(WLTP)中对效率进行了比较。对于波形绕组，电机的平均效率为94％，而发卡式设计中的电机平均效率为89％。分布式绕组的一个普遍优点是，定子可以用于永久励磁的同步电动机，异步电动机，甚至是单独励磁的同步电动机，从而使其适合用作模块化系统的基础。

电力电子

由于功率电子器件在汽车中的应用，其在动力总成组件（例如电动轴，混合动力模块和专用混合动力传动系统等）中的集成以及数量众多，因此还必须满足特定的要求，必须牢记以下要求：

·高水平的鲁棒性，因为用户配置的差异会随着数量的增加而增加，而且高度集成的动力系统对环境的要求也更高(振动、环境温度)；

·安装空间狭小，功率密度高，因此对于消除功率损耗有特殊要求；

·设计的灵活性，因为安装空间在不同的应用中会有所不同；

·最佳电流形成，以最大程度减少谐波损耗；

·在所有工作条件下均具有高扭矩精度；

·在各种工作电压下的运行可靠性，以响应特定的电池配置；

·功能安全。

功率电子器件需要适应特定应用的功率要求。为了根据指定的要求扩展各种应用中的功率电子设备，舍弗勒开发了一种模块化概念，在一个85 kW级混合模块的示例实现的基础上，对模块化概念进行了如下解释-图8。

图8电力电子的模块化概念，以混合模块为例

首先，控制模块和电源模块之间必须严格分开。控制模块由控制板，电力电子设备的实际智能以及可选的执行器功率放大器组成。通常，控制板可用于描绘两个发动机控制通道。在示例情况下，提供了第二个通道来控制P2混合模块中的K0执行器。作为替代方案，它也可以用于双速车桥中的变速执行器，驻车锁或动力分流传动变速器中的第二牵引驱动器。

在功率模块中，首先必须考虑功率半导体的缩放比例，因为功率半导体构成了很大一部分价值，并且需要进行大量的实践。舍弗勒已决定使用半桥模块作为最小单元，因为它们还可以构建多相驱动系统（三相以上）。为了满足这些要求，定义了两种机械尺寸和一种基本填充量（芯片尺寸和芯片数量）。用于外部接触和冷却的接口始终相同。此外，出于坚固性的考虑，在模块关键点所采用的安装和连接技术中，避免焊接连接和铝键合线尤为重要。在目前的设计中，IGBT（绝缘栅双极晶体管）和并联二极管使用硅半导体制成。但是，宽带隙半导体的使用被认为是一种替代选择，因为可以想到，在同一模块中，激活频率最高为20kHz。更高的频率需要适应功率电子的基本设计。图9说明了基本的缩放方法。

图9通过IGTB半导体的尺寸和数量以及电动机中的相数进行功率缩放

与传统的铝键合线技术相比，烧结技术的持续使用将IGBT模块的循环稳定性提高了10倍。承载电流的其他基本组件是电容器和汇流条，由于电流的流动，它们还会导致功率损耗。

安装空间的灵活性由中央支架框架控制（图8 “支架和冷却框架”）。该注塑部件控制冷却剂的流动，将载流部件连接到散热器，并使基本部件彼此相对布置。利用CFD模拟对该构件进行优化，以确保半桥的对称升温。此外，在寄生电感和电容方面优化了电连接。在特定示例中，功率密度大于30 kW / l。

由于安装空间的灵活性和模块化方法，因此可以轻松应对不断变化的要求。图10显示了用于最大输出功率为150 kW的电动车轴的设计示例。可以将EMC滤波器集成在直流侧，并且可以将其设计得足够大，从而无需进行直流电源线的屏蔽。这是在车辆级别优化系统成本的不错选择。

图10电动轴驱动器的功率电子装置

可以证明，为电力电子设备选择的基本概念具有必要的灵活性，可以满足P2和P4高压驱动在安装空间和电气输出方面的不同要求。

在进一步的发展步骤中，检查了所选择的方法是否也可以集成到电压等级为48 V的同轴P2混合模块中。在这种情况下，用作功率开关的是MOSFET（金属氧化物半导体场效应晶体管）。这些组件直接连接到陶瓷基板（称为“裸模”）。基板在其整个表面上与携带冷却剂的载体相连。这实现了很好的散热，因此产生了很高的功率密度，这对于在强大的48V驱动器中可能出现的相对较高的电流水平非常重要。在额定功率为15 kW（20秒值）的特定应用中，出现的最大电流为650 Arms。电容器直接通过MOSFET连接，以保持低阻抗。

由于可用的安装空间，有效长度只能达到45mm，因此电动机也设计有集中式单齿绕组。尽管与高压应用相比有所不同，但在这种情况下也可以使用关键技术平台组件，从而实现了紧凑的混合模块结构–图11。

图11在48伏电压下，P2混合模块的功率电子集成

软件

舍弗勒采用的方法包括开发一个广泛的面向功能的软件库，其中还包括所需硬件的规范。以下是该库的关键元素：

·分析传感器信号，例如确定转子位置，相电流或定义点的温度

·电机控制功能取决于所使用的电机类型（PSM，ASM）

·电流控制功能，例如将所有相关影响变量都考虑在内的面向磁场的控制系统（例如，磁场减弱）

·用于动力总成中功能集成的上级控制器，如果有特殊要求，也可以作为客户模块集成

·监视功能，例如出于热原因控制功率降额以及提供功能安全性。

除软件模块外，该库还包含任何必要的硬件电路，以及它们的定义和首选组件。为了保证最佳的散热或电磁兼容性，在最终的布局中有专门的规定。该布局是针对应用程序准备的，以便对特殊的客户要求做出反应。各种通信网络选项（CAN，FlexRay）已作为示例提及。

关于架构，该软件严格遵循AUTOSAR范例，以确保高水平的重用性-图12。

图12软件架构

系统开发

基于技术平台的特定驱动单元的系统开发始终取决于整个动力总成以及部分车辆概念所需的边界参数。这可以通过轮毂驱动设计来说明，其中在运行过程中会出现干扰声现象。与研究伙伴KIT，FAST和ETI一起对所有组件，软件和传递路径进行了系统分析，揭示了原因：磁场波动在电动机定子中产生了纵向和横向力，并通过底盘传递到车身。

最初提出的对策是改变电动机的设计，以防止在关键频率范围或阶次上产生激励。当此方法达到其极限时，可以使用简化的物理模型来调整发动机控制系统。在其余的临界频率范围内，电动机通过对电动机转矩进行有针对性的轻微改变来充当阻尼器。图13显示出了相对于车速实现的振动幅度的减小。

图13通过电机中有针对性的扭矩变化来减少轮毂驱动中的振动

另一个与面向系统的开发方法高度相关的例子是扭矩精度，这是每台电动机器规格的一部分。但是，扭矩生成链中的每个物理组件都具有一定的公差，这些公差会导致输出扭矩波动。如果模拟信号发生器中用于转子位置的电压仅变化1％，则可能导致激活期间的角度不正确，从而导致扭矩偏差为0.5 Nm。由于已经对整个链进行了建模（图14），因此可以确定每个单独组件对扭矩精度的影响。必须估计相对于工作点的预期偏差，这将有可能采用必要的有针对性的对策。

图14典型电机中扭矩产生误差的传播

四、总结与展望

由于电气化动力总成的种类越来越多，因此电驱动需要新的解决方案。舍弗勒通过其可扩展的电驱动技术平台找到了解决多样化与标准化之间的平衡问题的方法。

该平台既包括电动机，也包括电力电子设备以及用于驱动控制的硬件/软件。根据不同的应用（具有高压和低压技术的P2混合模块，P4轴驱动器），已经证明有针对性的方法能够涵盖非常广泛的应用范围。

该平台中使用的技术符合对效率，功率密度和可伸缩性的最高要求。它以模块化的方式开发，因此可以无缝集成来自第三方提供商的硬件和软件。

未来的电驱动特点是电气，电子和机械元件的高集成化一体化。如果舍弗勒技术平台提供的机会得到持续利用，则有可能在系统级别获得重大改进。例如，上文提到的轴驱动器的当前开发阶段开始时，其总重量减少了15公斤，最大扭矩增加了一倍，现在可提供60秒而不是10秒的最大扭矩（图15），而额定功率也从60kW增至145kW，翻了一番还多。

图15 2011年和2017年电动车轴驱动器比较

参考文献：

[1] Englisch, A.; Pfund, Th.: Schaeffler E-Mobility – With Creativity and System Competence in the Field of Endless Opportunities. 11. Schaeffler Kolloquium, Baden-Baden, 2018

[2] Reitz, D.: One Idea, Many Applications – Further Development of the Schaeffler Hybrid Module. 10. Schaeffler Kolloquium, Baden-Baden, 2014