QDSJ308 电驱动功率密度和热管理

电驱动功率密度提升路径 提高电驱动功率密度的几个主要途径： （1）提高电机转速，把电机设计成高速电机； （2）提高电机的转矩密度，同样可以提高电机的功率密度； （3）开发扁线电机：相比传统的圆线电机，扁线电机的槽满率更高，更高槽满率意味着空间相同的前提下，可以放更多的铜线，产生更大的磁场，提升电机的功率密度； （4）开发轴向磁通电机：由于具有轴向的磁通方向，其结构不同于普通的径向电机，它具有体积小、高功率密度、优良散热等特点。 但是驱动电机功率密度提升也面临诸如电机的高效问题、散热问题、转子强度问题、轴承问题、振动噪音等等问题。 主流电驱动功率密度现状 如图1所示，从分布曲线可以看出，特斯拉Model Y车型的电驱动系统是行业内的佼佼者，该产品的轻量化、润滑系统及悬架等结构都给大家带来了很多、很好的产品技术参考和启迪。 如图3所示，国外的电驱动系统往往会有很多鲜明的特征，如特斯拉Model 3电驱动产品的润滑系统、驱动电机定子组件的润滑方式及定子组件的回油方式，都给行业的技术进步起到了推进作用。 要实现电驱动系统功率密度的提高，就必须对驱动电机的冷却方式实现更优的设计，技术发展趋势要求提高冷却效率。因此选择油冷直接冷却，或者选择外壳水冷却等复合冷却方式是倒逼之下的选择。 功率密度提升对电驱动产品的影响 从产品扭矩密度的提升来说，首先，实现了用更少材料输出更多动力的可能性，但对行业的供应商体系提出了更高的要求； 其次，也实现车辆的轻量化，带来车辆更大的续航里程，也便于车辆前舱的布置，实现更紧凑化的设计及模块化设计的思路；最后，因功率密度提升带来产业链的升级，同时供应链成本会有相应约5%～10%左右的降低。电驱动系统功率密度的提升，可实现产品体积和重量降低、输出功率及扭矩提升，进而会带来车辆动力响应性提升、续航里程延长。 功率密度提升的主要难点和攻关方向 如表1所示，针对同一种产品设计，应该罗列多种组合，谋求最优的设计思路，以实现我们所追求的设计性能。 电驱动系统包括驱动电机、减速器、电机控制器等。电驱动系统集成有利于提高系统可靠性，降低成本和节省空间，是新能源汽车动力系统发展的必然趋势。电驱动集成可分为机械部件的集成、控制模块的集成、机械部件和控制模块的集成三种模式。机械部件的集成有利于节省空间，降低重量。相比传统分体式结构，精进电机某款减速器、驱动电机集成化产品在轴向和宽度方向缩小约90mm和20mm，质量减少4kg。 机械部件与控制模块的集成大幅降本增效。如博世的e-axle将驱动电机、逆变器及减速器合而为一，大幅简化冷却管路和功率驱动线缆，降低成本的同时体积也降低20%，如图5所示。 如图6所示的结构，驱动电机的外壳采用蜂窝状设计结构，该方案的特点可增加驱动电机的定子与壳体换热效率，同时增加换热面积，提高其冷却效率，隆起的蜂窝就像一个个加强筋，此类型结构可在一定程度上降低壳体重量的同时，也能提高壳体刚性。 电驱动系统热管理 目前永磁驱动电机占新能源电动汽车装机量的90%以上，但永磁驱动电机的性能随着运行温度上升而衰减。 因此为了防止驱动电机里面永磁体的不可逆退磁，总是期望有一个低温的转子组件的工作环境，低工作温度是延长永磁和绝缘材料的最佳策略。驱动电机的功率极限能力往往受电机的温升极限限制，因此提高驱动电机冷却散热能力能立竿见影的提高功率密度。 优化的热管理设计可以大幅提高驱动电机的额定功率，并能增加其在峰值功率水平下的运行时间，同时几乎不增加制造成本。所以优化的热管理设计可以在驱动电机性能、效率、成本和驱动电机尺寸之间形成更加优化的均衡。水冷却技术是目前主流的散热方式，但其无法直接冷却热源（驱动电机端部绕组与转子组件内部、绕组处的热量需经过槽内绝缘层、驱动电机定子才能传递至外壳被水带走，传递路径长，散热效率低，且各部件之间的配合公差更是影响了传递路径的热阻大小）。润滑油冷却的优势在于绝缘性能良好，润滑油的沸点比水高、凝点比水低，低温下不会结冰、高温下不易沸腾。不同构型流道换热效率对比如表2所示。 圆周式水道是比较流行和平衡的选择，流道数目一般在3-6之间为宜。实际情况是，因设计简单，制造容易，散热性又能刚好满足需求，国内驱动电机厂中螺旋式水道应用的更多。 如图7所示的结构，方案1为内部增加冷却水管，方案2为内部增加油冷器，方案3为增加外部油冷器，从图中可以看出，与方案1相比，集成式的热交换器配置(方案3)能够在不增加泵送功率的情况下降低油底壳温度10℃。一个热交换器(方案2)，可以更有效地降低油底壳的温度，由于更高的压降，需要额外的0.27W的泵功率。最终选择的配置(方案3)允许干式运行的驱动电机和润滑油飞溅润滑减速器，避免了额外需要的水泵造成的损失。 电驱动系统-减速器热管理 如图8，驱动电机的转子轴与输入轴的支撑方式采用三轴承方案，以及电机轴采用空心薄壁结构，可降低材料的使用量与更高的传递效率。 如图9所示，减速器内腔设计有干式油底壳，此方案可降低动态油液高度，同时可实现搅油功率的进一步降低，实现更合理的润滑油量。 驱动电机绕组的结构优化 扁线驱动电机与圆线驱动电机的区别在于铜线的成形方式，扁线有利于电机槽满率的提升，一般圆线驱动电机的槽满率为40%左右，而扁线驱动电机的槽满率能达到70%以上。 槽满率的提升意味着在空间不变的前提下（因为圆线横切面无法适应圆线之间的空隙，造成了结构空间的浪费），可以填充更多的铜线，产生更强的磁场强度，提升驱动电机的功率密度，如图10所示。 扁线之间的接触面积更大，相比于圆线驱动电机，导热性能更好，温升更低。有数据显示，相同功率的扁线驱动电机的温升比圆线驱动电机低10%左右。另外，扁线驱动电机的端部绕组结构可以进一步缩短，可以通过节省端部铜材的方式提升铜线利用率，从而达到降低成本的目的。如图11所示，因扁线驱动电机槽满率的提高，可实现其高效工作区间相比圆线驱动电机更高。 如图12所示，可以将润滑油引导至驱动电机的定子绕组（两端）与转子轴内孔，通过转子轴的旋转，将润滑油分散甩出，降低驱动电机端面绕组与转子轴内部磁体温度，进一步提高整体功率密度。 多电机系统、减速器多挡化 驱动电机运行工况复杂，不能一直在驱动电机高效区运转。 为最大程度利用驱动电机高效区，除提升驱动电机本身的效率外，还可通过多驱动电机系统与减速器多挡化等方法来实现。 （1）多电机驱动系统 如图13所示，多电机驱动系统可实现运行时驱动系统高效化。 在实际车辆行驶工况中，有高速、有低速、有重载、有轻载，驱动电机只能在特定条件下高效运行，很难做到全工作状态高效。为实现运行高效化，可通过多驱动电机系统、磁通可变驱动电机等实现。目前，磁通可变驱动电机还处于研究阶段，车企可以选择多电机驱动系统实现运行高效的目的。现阶段多驱动电机车型主要搭载双驱动电机，少部分搭载三驱动电机。多电机驱动系统将多台驱动电机通过机械耦合的方式实现，等效驱动电机的高效区域大幅度拓宽。 （2）减速器多挡化 目前市场上的纯电动汽车驱动系统配套的单挡位减速器具有结构简单、体积小、重量轻以及成本低等优点，同时也存在爬坡能力受限、高速区加速性能弱和经济性差、最高车速偏低等缺点，挡位是为整车进行功率管理所设置。 驱动电机配套多挡减速器有利于提高整车动力性和经济性。为达到相同的性能，同车型相比，匹配多挡相比单挡的成本是降低的。 国内外多挡位减速器起步时间相差不大。 2010年开始相继推出了新能源汽车用多挡位变速箱，并于2014年宝马i8量产混动车上搭载GKN的两挡自动减速器，如图14所示。 润滑油 电驱动以及混动变速箱中有齿轮、湿式离合器等传动部件，变速箱用油作为热传递介质的同时，也起到控制摩擦副的表面温度、防止烧结、冷却、磨损和清洁的作用，其中润滑油的导热系数（指所能散发的热量）与比热容（指单位质量的某种物质升高（或下降）单位温度所吸收（或放出）的热量）及品质系数对电驱系统的功率密度提升有较大帮助，如图15所示。 IGBT等功率器件温升 逆变器的最大功率电流由半导体功率芯片的温度上限决定。 通过提高功率模块基片的散热性能，降低了芯片的温升，提高了芯片的最大电流值。电源模块基片具有散热、绝缘、固定芯片、导电等功能。其热辐射性能影响芯片的温升。 当汽车处于运动状态时，芯片的温度会急剧上升，如图16所示。 如上图所示，H公司与T公司的最大区别在于功率元件的冷却方法。H公司采用了传统的单面冷却，与此相对，T公司则采用了双面冷却；H公司采用C-Cu，是一种由多孔碳基体浸渍铜制成的复合材料。它的导热系数与Cu相当，热膨胀系数与Si相当。通过将较厚的C-Cu层直接置于芯片下方，既减少了焊接部分的应力，又实现了高热容量。 电驱动产品后续的技术发展方向 基于现有车辆的陆续上市与升级，从中可以发现，双电机的矢量扭矩管理、电驱动产品的高压或升压模块、驱动电机油冷方案，三电系统的整体润滑冷却方案都会慢慢成为市场的发展趋势。 电驱动热管理概述 电动车冷却系统包括：电控，电机，变速器，电池，电子水泵，电子风扇，蒸发器等等，是整车热管理系统集大成者，电驱动冷却系统更多是指电控，电机，变速器三大部件，所以，我们这里重点介绍这些相关的冷却系统的基本轮廓结构，一般知识与组成。 这是冷却系统原理图，蓝色线路，是驱动系统冷却路线 电驱动冷却系统分类 电驱动冷却系统分类，可以按照几种情况来划分，集中常见类型：1）BEV电动车基本是变速器油冷，电机电控水冷集成在一起的概念。比如奥迪Etron。2）BEV电动车变速器，电机，电控采用油冷集成三合一概念，比如：日电产三合一冷却系统：3）混动系统，变速器，电机油冷集成系统，电控水冷，比如丰田Prius。本田IMMD等等。 4）AVL变速器，电机，电控，分成2路，分别独立油冷系统。 5）自然冷却，在大功率驱动系统中不常见，主要是低速电动车，或者A00级别，功率峰值40kW以下，价格压力很大的车型，会考虑自然冷却。系统效率不高，90%左右，能耗较大。ZD2，五菱Mini，E100等等。 6）强制风冷，特指电机本身带有风扇冷却的系统，这类产品几乎很少见了，考虑风阻损失，与风扇冷却结余来的功率，差别不大，并且，考虑噪音增加，系统NVH因素，在大功率驱动电机中，逐渐边缘化。Volvo早期车型。 电驱动冷却方案 1、纯电水冷电机方案 电机电控水冷集成在一起，如奥迪Etron前驱动电机电控冷却路线： 电控—>轴—>前端轴承—>定子水道—>后端轴承 后驱动电机电控冷却路线：电控—>后端轴承—>定子水道—>前端轴承—>轴，与前驱动系统正好反向流动。 变速箱冷却系统：独立与电机电控，红色代表油冷路线。 2、三合一油冷方案 BEV电动车变速器，电机，电控采用油冷集成三合一概念，比如：日电产三合一在广汽Aion S上批量装配。 2条路冷却系统： ➢低速阶段：EOP驱动冷却液ATF直接淋溅到定子绕组上冷却。 ➢中高速阶段：冷却油进入转子轴在离心力作用下，冷却磁钢，同时，飞溅到定子绕组内圈部分。 ➢高负载阶段，2路冷却系统一起工作，快速冷却磁钢，绕组。这是电机最热的部分。 2路冷却油都回流到三合一底部油箱，与变速器冷却油汇合在一起。 ⚫电控冷却可以有2个方案： 方案A：控制器水冷，需要增加一个水泵和一个油冷器（下图1）；方案B：控制器油冷，需要油泵，此种方案不多，因为冷却油流动性没有水快，粘度与阻力较大，需要很大泵压（下图2）。 混动电动车冷却系统，变速器，电机油冷集成系统，电控水冷，比如丰田Prius。变速器油冷系统路线图（下图）展示，与电机减速齿轮的接口关系。 下图“红色箭头线”展示了冷却油从变速器到电机空心轴，冷却润滑两端轴承的过程。 下图“黑色箭头线”展示了油泵驱动冷却油穿过空心轴冷却磁钢的过程；并联路线，冷却油直接喷淋定子绕组线圈，进行线圈冷却的过程。 第四代PCU的IGBT双边冷却，提高冷却效率。 ⚫AVL变速器