电驱多合一系统集成技术及开发流程
1、前言
新能源汽车市场已经进入后补贴时代，行业洗牌与兼并重组加速到来。这意味着车企需要承担更加沉重的财务压力，同时将面临更加激烈的行业竞争。基于此，整车厂商和供应商需要尽可能共同承担补贴退坡成本，而零部件集成化设计是促成成本下降的主要手段之一。
在这样的背景下，高度集成化的一体式电驱动系统应运而生，不仅能够实现减重降成本，而且功率密度等指标也得到有效地提升。国内外企业针对集成电驱开发技术已经开始全面发力，采用集成化电驱动系统成为纯电动乘用汽车的发展趋势。
2、纯电动汽车集成化电驱动系统概述
电驱动系统是纯电动汽车的核心，主要包含了高性能驱动电机、电力电子控制单元和减速器等部分。
随着现代汽车技术的飞速发展以及集成电路和电力电子技术的大规模应用，机电一体化的电驱动系统的优越性愈发明显，其能量密度大、效率高和成本及重量的有效降低等特点，使得电驱动集成化设计方案在纯电动或混合动力方案在乘用汽车领域得到越来越多的应用。
最初的电驱动系统不存在集成式设计方案，纯电动汽车电驱动系统由驱动电机、电控系统、减速器等部件均单独布置，之间依靠线束等连接件进行连接，从而导致当时的驱动系统十分复杂。
随着乘用车行业的发展和相关技术的积累，集成化电驱动系统逐渐成为主流，比较常见的集成化设计方案包括取消驱动电机三相高压线，将驱动电机、电控端子直连，取消水管，将电机、电控水道直连，以及驱动电机壳体和减速器壳体共用，甚至更有甚者将驱动电机与减速器和控制器壳体共用等。
这些集成设计早些年因为技术壁垒或者成熟度不够的客观因素无法实现，现阶段随着技术难点逐渐被攻克，各大整车厂商开始将电驱动系统的深度集成化设计制造作为重要发展方向。
3、电驱动系统集成化的优劣势分析
3.1集成化电驱动系统的优势
集成化设计方案可以有效地减小电驱动系统的体积、降低系统总重量、降低电驱动系统成本。电驱动系统的各个部件通过整合，整体结构趋向于紧凑，安装尺寸和所占体积得到进一步缩减；与此同时，各部件之间的连接材料因为集成化设计而大幅度减少，系统重量也得到了降低。
其次，采用集成化电驱动系统的机舱更加简洁，使得汽车各系统布局更加灵活。由于体积减小，整车的乘坐及储物空间得到最大化利用；同时汽车重量的降低在一定程度上也降低了汽车能耗、提升了续航里程。
此外，通过集成化设计，电驱动系统能够降低接口复杂度及成本。电驱动系统集成化有效地缩短了各部件之间的距离，减少了连接件及相应接口的使用，在优化了传输路径的同时也提高了系统的效率；而电驱动系统采用的连接件包含导线和管路等材料，是不可忽略的生产成本，因此减少连接材料的使用将直接促成电驱动系统成本的降低。
3.2集成化电驱动系统的劣势
电驱动系统集成化设计需要多维度开发和能力验证。其中集成系统导致各部件与空气接触面积减少，为保证各部件处于正常工作温度区间，整个散热系统需要重新设计优化。同时，NVH（噪声振动）、EMC（电磁兼容测试）、安全等性能指标的控制，以及零部件开发协同都是目前整车厂和供应商需要重点攻克的难题。
在后期用车方面，电驱动系统的集成化可能对消费者产生不良影响。一定程度上，系统的集成会导致各部件的可靠性降低，集成化电驱动系统各部件的质量控制显得尤为重要；当某个零部件出现问题需要维修或者更换总成，会导致维修时间和成本增加。
综合来看，电驱动系统集成化对于纯电动乘用汽车行业来说具有积极的推动作用，但是基于现阶段电动汽车供应链的技术水平，集成化过程中的设计和质量问题对于整车厂商和供应商来说仍然是巨大的挑战。
4、纯电动汽车集成化电驱动系统的应用现状
4.1二合一电驱动系统
集成化电驱动系统发展之初，结构形式较为简单，如图2所示，是将驱动电机和减速器集成在一起，形成一体式电驱动系统。从下图中可以看到，虽然该系统的连接部分比较复杂，但是至少实现了二合一的设计，缩短了各部件之间的距离。二合一这种简单的集成形式也使得电驱动系统整体结构更加紧凑。
4.2三合一电驱动系统
随着电驱动集成技术的不断演变发展，三合一电驱动系统出现。主流电驱供应商多采用三合一电驱系统，例如：将电机、电控系统和减速器集成在一起并与车桥相结合的电驱系统；或是针对中小型轿车提供的更加轻巧的三合一电驱动系统，转速可达21000 r/min，不仅性能优异，而且电能转化效率极为高效。
国内对三合一电驱动系统的研究与国外相比起步较晚。目前国内在驱动电机功率密度方面和国外产品相当，而电机控制器功率密度和国外相比有一定的差距；在最高转速方面，国外成熟电驱产品的转速已经超过16000 r/min，国内则多数在 12000 r/min 左右。
随着国内新能源技术的飞速发展，自主品牌电驱动系统也已取得较大进步。例如：某三合一电驱动系统具有高效区宽、IGBT（绝缘栅双极型晶体管）损耗小等优势，满足了不同级别轿车对加速、爬坡等动力性能的需求；某集成化电驱动系统能够实现超高的扭矩，优化后的能耗为15 kW·h/100 km，达到了业界先进水平；某集成式电驱动系统配备了铜转子感应电机、独特拓扑架构设计的电机控制器及大扭矩齿轮箱。
不同构型的电驱动系统优劣势分析如表1所示。
● 优势：
1）安装尺寸和重量较小；
2）小型化，高转速电机降低成本；
3）减小接口复杂度，提高可靠性；
4）平台化设计，降低整车开发费用和周期。
● 劣势：
1）高转速带来的NVH挑战；
2）冷却挑战和高转速对轴承的影响；
3）EMC复杂性提高；
4）跨零件开发协同难度增加。
表1 电驱系统布局对比
4.3多合一电驱动系统
三合一电驱动系统是当前的主流研究对象，但仍有一些公司对多合一集成设计进行了不同程度的尝试。
如某公司自主研发了八合一集成电驱总成，在常规三合一模块之外，还集成了五合一电驱动模块：电机控制器、车载充电器、车载电源、高压配电模块以及整车控制器。
整个系统结构更加小巧，水冷系统的工作效率也得到大幅提升，但整体结构集成后柔性化程度降低，影响机舱的总布置。
5、纯电动汽车集成化电驱系统的前沿发展趋势
5.1电机高速化
目前市场上电驱动系统的电机最高转速一般在12000r/min 左右，但是随着新技术、新材料的发展及应用，加之客户对驱动效率、加速体验的重视及追求，采用更高速的驱动电机成为集成电驱发展的必然趋势。
高转速电机能够提高功率密度，同时减小体积、降低成本，对于电动车动力性能来说优势尤为明显。现阶段有部分转速超过16000r/min 的高速电机已经面市，主要应用于中高端的纯电动车型中。
5.2多挡变速器
目前全球主流集成化电驱系统方案多采用驱动电机匹配单挡减速器的架构，其结构简单，成本较低，但在高转速情况下效率和扭矩会急速衰减，因此经济性不高。
而电驱系统的多挡化能大大提高电驱系统工作在高效率工况的概率，既能提升动力性能和又能兼顾经济性。随着将来技术成熟度的提高和成本的降低，多挡减速器必然会成为更多集成化电驱动系统的选择。
5.3平台化设计
汽车产业是典型的规模经济产业，汽车产品平台化设计能够有效地降低研发成本，缩短上市周期。根据不同转矩、功率需求以及不同级别的车型，可以规划不同的系列化平台电驱动产品。
通过平台化设计集成电驱动系统，可以降低各部件的采购成本实现技术经验共享。纯电动乘用汽车市场需要在短时间内产生规模效应、增量降本，因此集成化电驱动系统向平台化设计发展是大势所趋。
5.4 NVH设计
没有内燃机噪声掩盖齿轮噪音，电动车对齿轮噪音容忍度更低；
驱动电机本身会产生激励导致噪音；
在反拖充电过程中，反齿面会完全受载；
潜在的齿轮啸叫风险，这是在高转速以及对应的频率范围内，轮齿啮合频率激励所导致的；
高转速导致高频啸叫，人耳朵对2-5kHz的声音很敏感；
需对系统模态响应进行精细控制以避免共振。
5.5功率密度提升和性能要求的提高
高功率密度可提高整车续航里程，需减小电驱传动系统空间尺寸和重量；
反拖充电时反齿面载荷增加；高速旋转下发生齿轮胶合失效的风险增加；
高转速下，由于动态效应（共振）导致载荷增加的风险；
轴承和齿轮都很有可能需要更高的精度等级，但对应的就是更高的成本。
6、多合一电驱动系统开发流程
6.1总体布局
电驱动模块的特性是部件间多物理相互作用的结果。有关设计过程的知识通常分布在单个组件的开发部分，或划分为经典模块领域，如机械、电气、磁性、热学或噪声、振动、NVH)，这使整体设计方案的优化变得复杂。
因此，设计过程主要是按顺序和迭代完成的，这就延长了电驱动系统的开发周期，并使找到最佳整体驱动系统设计方案变得更加困难。例如，驱动电机的尺寸和成本可以通过提高电机转速来降低，但这需要更高的齿轮比，因此在传动方面需要额外的努力。
系统设计方案策略代表了车辆层面上传动系统的设计过程。这里需要考虑各阶段的设计过程。第一阶段是一个粗略的设计，结果是对相关配置进行预过滤。根据驱动要求(图3(项目1至3))，测试各种比例组件参数组合。确定相关配置的组件的基本参数(功率、扭矩等)。
6.2电驱系统方案设计流程
整体概念布局、设计和评估是实现上述系统方法所必需的。该过程的目的是确定最有前途前瞻性、技术指标竞争性的传动概念，同时保持使用寿命和噪声要求。必须确定与车辆相关的传动特性，如尺寸、质量、惯性、成本和损失。
图4显示了集成电驱系统设计过程的简化流程图。从整车水平的粗略设计中得到的电驱系统的基本要求(齿轮数、总传动比、最大扭矩和最大速度)可用作输入，如图4 (A项)。与电驱系统使用寿命相关的载荷集合是通过车辆层面的仿真模型，从定义的驾驶循环序列中确定的。
如果没有指定齿轮拓扑，则执行拓扑选择，如图2(项目B)。通过拓扑选择，可以确定所有传动系统组件的速度和扭矩。在接下来的步骤中图4 (C项)，进行齿轮刚性和承载能力验证。一个有优势的宏观几何参数被选择以进行下一步的分析。根据齿轮几何，齿轮力和所有轴/轴承系统可以计算和设计，如图4(项目D)。
6.2.1轴齿设计流程
图5显示了齿轮设计的过程。对于每个齿轮副，除了输入数据，如目标齿轮比、输入扭矩和速度，还定义了额外的边界条件，如图5(项目1)。这包括宏观几何参数的设计空间(范围和步长)(例如普通模块、螺旋运行角或压力角)，以及最小安全系数或允许的中心距离的参数。在下一步中，前面定义的值将完全阶乘组合在一起，如图5(项目2)，并计算所有进一步的几何属性。现在可以确定得到的传动装置性能，如图5(项目3)所示。根据受力和几何数据，根据ISO 6336计算出了轮齿的安全系数。所有不满足最小值和最大值要求的变量将被连续删除。
6.2.2轴系设计
本设计步骤的目标是满足基本要求的轴-轴承系统。其结果应能够对建设的可行性进行评估，并进行大规模和成本评估。此外，必须选择满足使用寿命要求的轴承进行精确的损耗计算。
图6显示了基本的设计过程。轴承布置(例如定位/非定位)和相应的轴承类型。明确轴承-轴计算相关的载荷谱，图6(项目1)。轴承的反作用力以及轴系的扭转和弯矩剖面是根据使用预定义齿轮数据的几何布置计算出来的，图6(项目2)基于这些信息，创建了一个初始轴系概念，图6(项目3)。根据使用寿命要求和轴轮廓边界选择合适的轴承。由于轴承影响轴系长度，这个过程必须基于总体布局要求进行技术迭代且不能违背现有的加工水平及零部件成本，直到找到一个有效的组合。图6(项目3和4)。
6.2.3壳体设计
由于壳体对电驱系统的成本、重量和安装空间有很大的影响，因此在概念阶段需要考虑悬置、刚度、装配、间隙等问题。通常初版的壳体模型不能提供较为准确的结果。因此，一种基于内部轮廓形状设计的外壳(特征形状)基本形成。图7显示了壳体的设计过程。首先，壳体轮廓的形状(包括必要的壁厚)是基于内部几何图，图7(项目1和2)。这确保了外壳壁厚是尽可能均匀的。概念的体积和质量现在可以从内部和外部轮廓网格计算。安装和肋的质量是按百分比增加考虑的。详细的几何设计(例如轴的刚度与轴承座的刚度)对壳体质量/体积的影响被认为是很小的。
图7 壳体设计流程
6.2.4结构设计校核内容
润滑系统设计：轴系油路方向、壳体油路方向、油孔大小、轴承润滑油路方向、驱动电机油路方向与回油路径、油量分布设计、润滑油匹配、润滑油油量匹配等；
轴系校核计算：轴系刚度、轴系强度、齿轮重合度计算、侧隙设计、轴承的安全系数、齿轮副接触斑点、修形设计、调整垫片计算；
差速器计算：半轴与行星齿轮的侧隙、差速器螺栓计算、差速器效率、半轴花键强度计算、差速器系统强度；
驱动电机计算：转子轴强度、动平衡计算、极限转速计算、散热效率计算、定子与壳体压装力计算；
驻车机构计算：驻车强度、驻车车速、溜坡距离。
6.2.5 NVH技术及其他
1）传动系统匹配；
2）齿轮宏观参数设计分析；
3）轴承选型设计；
4）传动效率；
5）NVH适应性匹配；
6）结构拓扑优化；
7）声场仿真；
8）流体动力学仿真；
9）温度场仿真；
10）变速器啸叫噪声；
11）电驱系统敲击噪音；
12）驱动电机啸叫噪声、微观参数设计；
13）系统刚度设计；
14）壳体强度模态；
15）齿轮传递误差；
16）齿轮容差设计；
17）悬置动刚度设计；
18）驻车异响。
6.2.6 电机设计
基于电驱系统的布局图及对驱动电机的要求（扭矩、转速、冷却、电压、润滑或水道设计、电流等参数）进行初版校核转子轴强度与刚度，转子与定子径向间隙和轴向定位等计算，如图8、图9、图10所示。
表10 驱动电机分析技术
6.3电驱系统试验验证内容
1）系统变形试验
2）换气系统试验
3）动态密封试验
4）温升试验
5）高速试验
6）疲劳寿命试验
7）静扭强度试验
8）盐雾试验
9）润滑验证
10）齿轮接触斑点
11）冷却水道的流阻测试
12）电机控制器电磁兼容测试
参考资料：
1.电驱搭载信息来源自巨一公司产品介绍；
2.电驱桥设计流程来源自《KIA介绍》。