捷豹I-PACE电机系统拆解分析报告

底盘效果图 I-PACE属于纯电四驱车型，前后驱的电驱系统零部件共用，前后驱电驱系统的区别在于前驱多了电子P挡机构以及应急解锁机构。 I-PACE由两个永磁同步电动驱动单元（EDU）驱动，它们分别位于前后轴上。每个单元都带有一个单速行星齿轮组变速器和一个以同心方式安装在电机上的开放式差速器。 每个车轮都通过一个半轴连接至变速器，因此提供了四轮驱动（AWD）能力。EDU通过每个电机提供的348N·m扭矩和147kW功率。两个电机的综合输出可提供696N·m的瞬时扭矩。每个电机分别连接到一个逆变器。 I-PACE的高压电器分配图与其他EV车的构造相似。高压冷却液加热器(PTC)单元的功率7kW，包含一个不可更换的电路保险丝。电动空调（EAC）压缩机布置在前舱中电驱系统的后方，直接挂在电机上，与电机本体硬链接，利用电驱系统的悬置系统隔振，压缩机是属于三相涡旋式压缩机，压缩机集成高压直流转三相交流的控制器。 I-PACE的“小三电”并未采用集成设计，集成式设计需要平衡性能、空间、成本、可靠性，显然I-PACE明白当前阶段消费者最关注的什么。 高压配电盒（PDU）布置在OBC的正后方，处在电池与其他高压电器中间，便于从电池处取电，并将高压电分配到其他高压器件，其保险不可更换。 PDU供电的部件及其保险丝额定值：PTC为40A，DC/DC为30A，EAC压缩机为30A。 高压电池中内置两个保险，一个用于电驱系统，一个用于高压配电盒PDU供电的辅助电路，PDU包含三个保险，分别用于保护PTC、DC/DC和EAC压缩机。 逆变器也称电力变频转换器（EPIC）。I-PACE配有两个逆变器，一个控制前电动驱动单元（EDU），另一个控制后电动驱动单元（EDU）。两个EPIC均位于对应的前后EDU的正上方前、后EPIC由动力传动系统控制模块（PCM）控制。PCM通过FlexRay与前部和后部EPIC进行通信。PCM控制EPIC以在电机与发电机之间改变EDU的操作。 当EDU作为电机运行时，HV蓄电池提供电源。EPIC通过HV三相AC电缆提供交流电（AC）。AC的相位根据来自EDU的所需扭矩以及来自3个集成EDU位置传感器的信号而发生变化。当EDU作为发电机运行以提供再生制动时，EDU向EPIC提供HV三相AC。 EPIC将AC整流为直流电（DC）并调节电压，从而为HV蓄电池充电，HV蓄电池存储电能。前部和后部EPIC连接到电力驱动冷却系统。电子驱动冷却液的流量由PCM进行控制。 逆变器控制电机的操作以响应节气门和制动输入。EDU上的唯一可维修的项目是变速器油封和半轴油封。前后EDU都连接至电动驱动冷却液回路。每个EDU都有一个用于监测单元温度的传感器，该传感器以硬接线方式连接至相关逆变器。 EDU温度数据通过FlexRay信号被发送至PCM。每个EDU都有多个通风软管连接。前EDU有两个通风软管连接，后EDU有三个通风软管连接。这些通风软管都连接至大气，以防止该单元内的压力或真空升高。 EDU由噪声、振动、不平顺性（NVH）材料进行封闭，以减少从该单元至车辆的NVH传递。前EDU NVH材料也将空调（AC）压缩机覆盖在内。后EDU NVH材料也将逆变器覆盖在内。 当转子的磁场滞后于定子的旋转磁场时，随着永久磁铁持续尝试“赶上”定子的旋转磁场，电机将会产生驱动扭矩。AC输入的正时相对于转子的位置提前，输入的提前量越大，产生的扭矩也就越大。但是，AC输入过于提前将会导致磁场脱离同步状态，电机将会停转。AC输入的正时也可以相对于转子的位置滞后。旋转磁场试图往相反的方向拉动转子，产生可调节的制动扭矩。当制动的动能转换为电能时，电机将会变为发电机。随着转子绕着定子转动，转子的磁场将会穿过定子绕组，从而感生出三相AC。转子的速度和定子线圈的磁场强度与发电机输出成正比。 每个电动驱动单元（EDU）操作的操作都由其所附的逆变器根据来自动力传动系统控制模块（PCM）的扭矩请求指令进行控制。逆变器根据需要在电机和发电机两个角色之间切换EDU的操作。当EDU作为电机工作时，逆变器接收来自HV蓄电池的直流（DC）电源，然后将其转换为三相交流电（AC）。高压AC被施加到电机中的三相定子绕组。来自旋转分解器环位置传感器的数据用于控制HV三相AC的相位。根据来自PCM的扭矩请求指令，逆变器确定施加到EDU上的HV三相AC的相位（如同步电机操作部分中所述）。逆变器和PCM通过FlexRay总线网络进行通信。 当处于再生制动模式时，EDU产生三相AC以供应至逆变器步电机操作部分中所述）。逆变器会将AC整流为DC并调节电压，以便向高压蓄电池充电。逆变器控制在再生制动期间回收的电能以及对前后轮施加的制动效果。PCM通过FlexRay总线网络将来自每个EDU的所需制动力数据发送至逆变器。 注意：超速时，驾驶员可以从触摸屏菜单中选择两种再生制动力模式：高（最高为0.2g制动力）和低（最高为0.07g制动力）。这就允许驾驶员控制松开加速器踏板时产生的负扭矩量。在驾驶时可以选择这些模式，并且可以在两者之间平稳过渡。例如，当车辆滑行下坡且未踩下加速器踏板时，驾驶员可以选择高水平再生制动，以便更多地控制车辆下坡速度 I-PACE除了“小三电”未集成，电驱系统(EDU)中，同样未采用当前流行的3in1构型，毕竟当前阶段相比电机和减速器，IPU的故障率和技术迭代要大得多，采用电机与减速器的二合一，IPU单独布置，对OEM在当前阶段是更合适的选择。但对Tier1来说，3in1才是最终出路。 IPU与电池之间高压线的插接件是快插，便于总装拆装，IPU与电机之间的三相线外部包裹有一个橡胶套，保护三相线。 电机与减速器EDU二合一集成系统外包裹声学包，外挂的EAC压缩机也包裹了同样材料的声学包，整体吸隔声材料包裹面积较大。 电驱系统得益于同轴布置，整个EDU二合一的Z向高度带上外围声学包只有321mm，使得前舱中电驱系统的正上方可以布置下OBC、DC/DC、IPU以及PTC高压器件。 EUD二合一整体结构分为两壳、一端盖和一盖板，其中两壳为电机和减速器外壳体，一端盖为电机后端盖，一盖板为电机后盖板。 I-PACE的EDU进出水管均采用快插接头，安装维修方便。 EDU中减速器为双联行星排结构，与舍弗勒为奥迪E-tron设计的后驱减速器类似，该行星排结构中的行星架同样集成了差速器壳体的结构功能，不同点是I-PACE的差速器属于锥齿轮差速器，Y向尺寸与重量相比E-tron要大一些。 扁线水冷电机，电机水道与机壳集成式设计，低压铸造一体式成型，水道为螺旋水道。 减速器油冷，但是在减速器外壳同样集成了冷却水道，增强减速器内部冷却效果，电机外壳处的水管为进水管，减速器外壳的水管为出水管，电机壳与减速器壳体之间的水道通过金属管连通。冷却水首先经过电机外壳冷却定子后，通过导水管再进入到减速器壳体，冷却减速器壳体和润滑油。 前后驱EDU零部件共用，最大化降低开发成本和系统风险，前驱多了一套电子驻车机构，并配备了拉线机械索式应急解锁结构。 单个EDU二合一电机的最大输出功率147kW，轮端最大输出扭矩3145Nm，轮端最高输出转速1438rpm，使得四驱版I-PACE达到百公里加速时间4.8s，最高车速200km/h，整车的动力性属于EV车型中的上层。 EDU二合一的总重也只有76kg，系统的功率密度达到1.93kW/kg，也是比较高的，加上其同轴布置的结构紧凑性（Z向321mm，带上声学包、水管和悬置支架等附件的Y向680mm，Y向真实长度520mm），使得EDU二合一系统性能比较有优势。 由于外壳体采用低压铸造铝成型，EDU二合一的外观看起来不像欧系产品那样美观，减速机构采用双联行星排与锥齿轮差速器集成式总成，行星架与差壳总成采用铸造成型，同样不如德系精致。但这些都不影响AAM这套EDU二合一的高效、紧凑和可靠。 从电机特性曲线图看出I-PACE电机的恒功率区间是比较宽的，定转子结构和电磁方案应该是经过仔细设计和仿真的。 AAM为I-PACE在电机外壳下方设置了一个蓄油池，目的是在车辆处于极限工况时，能够补充减速器润滑油，防止轴承出现润滑不足导致失效，正常工况下蓄油池储油，降低搅油损失，毕竟该同轴电驱的减速器内腔体较小。蓄油池的功能类似于水利工程的水库。 电机外壳集成了冷却水道，水道呈螺旋状，采用的工艺是低压浇铸，一体成型，因此机壳外部有多个砂芯出孔，最后采用堵盖封堵。 电机后端盖与电机外壳之间通过O型圈密封，后端盖通过4颗螺栓连接到电机壳上，有定位销定位，电机的后轴承安装在后端盖上。 电机后端盖上安装有两个定位环，用于后盖板安装到后端盖时的位置定位。 由于输入输出同轴布置，电机轴为空心轴，半轴需要穿过电机轴伸入到减速器的差速器半轴轮处。 位于电机后端的半轴处加装了支撑轴承，为开式深沟球轴承，因此需要油润滑，为了解决该轴承润滑问题，AAM将减速器内腔体的润滑油通过油道引入电机壳，电机壳再引入到后端盖，最后进入到后盖板，完全借助减速器行星排的飞溅润滑，经过如此长的油道，在整车姿态下，电机壳体的油道还有落差，润滑油需要填满油道后才能进入后盖板，润滑有一定难度。半轴轴承的回油道通过半轴与电机轴之间的空腔回流到减速器腔体，如此形成一个润滑闭环。 电机轴前轴承为开式深沟球轴承，通过减速器内部的润滑油润滑，厂家为KOYO，后轴承为闭式深沟球轴承，脂润滑，厂家也为KOYO。 电机后端盖上压装有金属轴承衬套，与电机后轴承配合，防止铝质端盖与轴承外圈长期配合出现圆周蠕动，引发轴承失效。 在电机后轴承与旋变转子之间加装了碳刷导体环，碳刷与导体环接触，释放轴电流，减小轴电流导致轴承失效的风险。 为了实现半轴轴承润滑油的回油，AAM在该半轴轴承的两端加了两个油封，分别用来隔绝外界与轴承、轴承与电机腔。 电机旋变定子安装在后端盖上，螺栓固定，圆柱销转角定位，保证初始转角精度，旋变低压插接件单独出线，位于电机后端盖上方。 装在电机轴上的太阳轮作为减速器的动力输入端通过花键与电机轴连接，轴向通过卡环限位。电机前轴承的后端安装有油封，用于密封电机腔体与减速器腔体。归纳，I-PACE的EDU二合一系统共含有四个油封，其中两个油封用在带半轴润滑轴承的那一端，一个用在另一个半轴密封，一个用在EDU内部，用于电机与减速器密封隔绝。 电机侧的半轴穿过电机轴，整体长度较长，达到375mm，因此需要增加一个支撑才能连接车轮，AAM为I-PACE在半轴末端设计了一个球轴承作为支撑，开式深沟球轴承，AAM为此专门在后盖板上设计了油道和油口，布置见后盖板标注图。后盖板上安装有一根导油管，导油管两端安装有O型圈，导油管从后端盖引导润滑油进入后盖板，直至润滑半轴轴承。 电机后盖板通过7颗螺栓固定在后端盖上，二者通过安装在后盖板上的密封圈密封，密封圈带有凸起，防止安装后盖板时密封圈脱落。后盖板上安装有两个油封，两油封之间安装的是半轴支撑轴承，两油封的作用是隔绝半轴轴承的润滑油，防止润滑油进入电机腔和外界。 电机工作温度为-40℃~150℃，在多次急加速冲击工况中，电磁效率仍然可以达到97%。 恒扭矩输出区间，电机产生的热损失完全利用定子水套冷却就可以满足热平衡，不需要转子额外的水冷或油冷。即使在45℃的环境温度下，定子与壳体的配合位置不会出现明显变化，仍然可以完美贴合，实现正常热传导。 电 机 转 子 永 磁 铁 布 置 为4对 级，外 径Φ136.6mm，有 效 长 度165.1mm，空心转子轴直径为Φ50mm。两端硅钢叠片的压板为铝质压板，惯量和质量小，考虑到强度要求，压板厚度稍厚。 电机后盖板上布置有一个通气塞，用于电机内部换气，布置位置属于常见方案。 I-PACE中IPU与电机之间的三相线外部包裹橡胶保护套，三相线公头插入电机侧后，通过自带盖板用四颗螺栓压紧。 三相线各自自带一个密封圈，每个密封圈为三唇口密封，增强密封效果，同时每根三相线带有一个弹簧状的接