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

1 市場狀況

近年來德國降低CO2排放的發(fā)展進程基本處于停滯狀態(tài)，從2009年起CO2當量大約為每年1億t，因而超過了德國聯(lián)邦政府所規(guī)定的2020年目標值的20%。為了能實現(xiàn)未來轎車市場的CO2排放目標，無論是純電動車還是混合動力車和可再生燃料的高增長率是必不可少的，因此在這期間公司車隊的電氣化將是大勢所趨，在不同市場上都能不同程度地觀察到該類趨勢。圖1示出了全球市場預測，它們是在預測的2030年2 000萬輛電動車銷售量中增長最快的車型等級段，其中中國市場以每年幾乎1 000萬輛的汽車保有量占據(jù)了最高的份額。

目前，電動車大多被視為常規(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力車型和純電動車型，因此電驅(qū)動裝置與蓄電池系統(tǒng)必須充分適應車輛的邊界條件，此時即以電驅(qū)動裝置替代傳統(tǒng)內(nèi)燃機驅(qū)動裝置，因此應盡可能在發(fā)動機艙內(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車而設計的情況下發(fā)動機艙會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，動力驅(qū)動裝置僅僅只是一個次要角色。如果期望獲得一個緊湊設計的方案，那么其可通過橫向裝配方式安裝到一個或兩個車橋上，在這樣的情況下具有較小結(jié)構(gòu)高度和功能強勁的緊湊型電驅(qū)動裝置是頗受歡迎的，特別是用于汽車尾部地板下的安裝型式。圖2示出了幾代電動車結(jié)構(gòu)的演變。

圖12030年的轎車動力傳動系統(tǒng)

圖2 幾代電動車結(jié)構(gòu)的演變

2 動力驅(qū)動單元的結(jié)構(gòu)

開發(fā)新型高集成度電驅(qū)動單元（圖3）的最主要目標是：（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）具有可擴展性；（7）具有非常良好的噪聲-振動-平順性（NVH）特性。

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

圖3 新型高集成度電驅(qū)動單元

在方案設計階段已對各種各樣的不同結(jié)構(gòu)和配置進行了對比和評價，其中總高度和較高的NVH要求對共軸設計方案的選擇起著決定性的作用。減速齒輪傳動機構(gòu)選用了行星變速器，并被集成在電機轉(zhuǎn)子中。為了體現(xiàn)出所需的動力性能需要具備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。在轎車應用領域，因所需的電驅(qū)動持續(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)動獨特的扭矩特性曲線所決定的，在其所介紹的應用場合就是因配置了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的齒輪組，除了緊湊的結(jié)構(gòu)形式之外，還提供了在聲學方面的技術(shù)優(yōu)勢。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)型式中基礎激振就相對較小，有助于在整個系統(tǒng)層面上獲得有利的噪聲特性。

這種齒輪組通過兩個齒輪平面組成，而且被設計成無空心齒輪的行星齒輪組，其中公共行星齒輪架被用作電機的輸入端，而一個較大的中心齒輪被用作驅(qū)動端，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)就能實現(xiàn)較高的固定傳動比，而省去空心齒輪又能降低制造成本，因為空心齒輪是行星齒輪組中最為昂貴的零件，且采用無空心齒輪結(jié)構(gòu)型式就能將齒輪組裝入電機轉(zhuǎn)子的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)的一個缺點是在較高的傳動比情況下將會使無功功率有所增加從而對齒輪組效率產(chǎn)生不利的影響，但是在總傳動比為7.2時所選擇的齒輪組設計的無功功率尚可被接受。

停車鎖被設計成軸向停車鎖，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執(zhí)行器，該執(zhí)行器通過一個斜坡來得以實現(xiàn)，其將伺服馬達的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換成軸向運動。其動作被設計成將空檔和停車這兩個對安全性至關(guān)重要的狀態(tài)，并置于執(zhí)行器運動的終端位置，從而通過受監(jiān)控的起動就能使機械式終端擋塊始終可靠地達到這些狀態(tài)，其中距離測量仍通過電執(zhí)行器軸上的增量計數(shù)來進行，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)費用。圖4示出了齒輪組的杠桿圖和3D視圖。

執(zhí)行器馬達及與其嚙合的扇形齒輪的旋轉(zhuǎn)通過一個滑槽轉(zhuǎn)換成操縱套筒的軸向運動，該套筒再操縱空檔-驅(qū)動檔換檔套筒（N-D）和停車鎖殼體，視操縱的方向而定其間還連接著一個預壓彈簧。停車鎖殼體將常規(guī)的拉拔停車鎖的錐體和止動爪功能合并成一個零件。

空檔-驅(qū)動擋換擋套筒（N-D）由執(zhí)行器直接（對預壓彈簧無影響）從空檔移向驅(qū)動擋，而在相反方向上則正好相反。首先直接依據(jù)停車終端位置來設計停車鎖，然后從空檔終端位置方向上的驅(qū)動擋中間位置通過預壓彈簧來進行擋位設計，兩種功能由同一個彈簧來實現(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 電機和逆變器

電機和逆變器的價值約占電驅(qū)動單元總價值的2/3，并且由其引起了約80%的損失，因而相應重要的是盡可能好地優(yōu)化這些部件。重要的優(yōu)化標準是效率高、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。

鑒于對效率方面較高的要求，因而選擇了永磁式同步電機，該類電機不僅絕對效率高，而且在實際運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輪組集成在電機轉(zhuǎn)子中，其直徑/長度比相對較大，這樣又能得到有利的扭矩/電流比，而且直接對逆變器的成本也會產(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力性能，而且對汽車上的調(diào)節(jié)系統(tǒng)所產(chǎn)生的影響也較小。

由于結(jié)構(gòu)長度較短，電機定子通過單齒技術(shù)進行設計，這種技術(shù)除了具有較高的銅填充系數(shù)和相對較大的鐵芯有效長度之外還能以低成本實現(xiàn)大量生產(chǎn)。

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

良好的NVH特性是市場對未來電驅(qū)動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，能主動地在一定范圍內(nèi)通過針對性地控制噪聲，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)設計和冷卻

電驅(qū)動橋被設計成全集成式模塊化單元，并具備齒輪組、差速器和電機共同的內(nèi)部機油循環(huán)回路，這種潤滑劑必須滿足多種多樣的要求而不僅僅是潤滑和冷卻作用，特別是例如較高的溫度穩(wěn)定性和化學耐抗性、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，由一個外部水套冷卻和一個內(nèi)部機油循環(huán)回路組成（圖6）。外部冷卻循環(huán)回路通常被設計成常規(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)部機油循環(huán)回路。這種解決方案的缺點是用于電動或機械傳動的機油泵往往需要較高的能量。

為了規(guī)避這種缺點，已安裝了一種由一個電動離心泵組成的離心甩油冷卻裝置，電動離心泵將從水套旁邊經(jīng)過的機油導入中心軸，同時由此實現(xiàn)了一種較為簡單的熱交換器。離心泵的優(yōu)點,除了結(jié)構(gòu)簡單及廉價的制造成本之外，其能量需求也較低，最多僅20 W，輸送機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)的機油用于確保齒輪組的潤滑。流出的機油會聚到轉(zhuǎn)子外齒輪處，并被導入疊片鐵心下方以用于冷卻，機油在疊片鐵心的兩端分別進入支承環(huán)，然后通過孔針對線圈頭部產(chǎn)生作用，因此即使離心泵電功率消耗較少，仍能使整個系統(tǒng)達到有效的冷卻，因為電機轉(zhuǎn)子本身也起到了泵油的作用。機油流量能通過可控的離心泵實現(xiàn)按需調(diào)整。

圖6 機油和冷卻水循環(huán)回路

6 結(jié)論

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