Audi公司新型车桥电驱动装置

文章来源:EDC电驱未来 发布时间:2021-01-12
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Audi公司新型的车桥电驱动模块在电机、功率电子器件和变速器方面具有明显的通用化程度,是在Audi公司本部开发的,而生产则在匈牙利Györ的Audi发动机厂进行。

1 驱动模块概况

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图1 Audi新型全电驱动系统

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图2 电驱动模块和通用件方案

Audi公司为全新的电驱动系统(图1)开发了通用化程度较高的智能车桥驱动模块,并提供了与车桥平行和同轴的电驱动装置,其采用同款异步电动机,只是有效长度不同而已,而功率电子器件(LE)也被设计成通用件,仅在软件方面有所区别。前桥上的变速器单元、后桥变速器中各种相同的部件及应用的其他通用件(滚动轴承、密封件和转子位置传感器)构成了完整的结构模块(图2)。Audi公司以这种新型全电驱动系统将新一代改进型四轮全驱动装置投放市场。电机的快速响应特性被用于前后桥之间以进行最佳的扭矩分配,只需几毫秒就能将变化的摩擦系数反应到轮胎上。新开发的电驱动模块包括下列驱动装置:(1)APA250车桥驱动装置,与车桥平行布置,异步电机扭矩250 N·m;(2)AKA320车桥驱动装置,与车桥同轴布置,异步电机扭矩320 N·m;(3)APA320车桥驱动装置,与车桥平行布置,异步电机扭矩320 N·m;(4)ATA250车桥驱动装置,双电机与车桥同轴布置,异步电机扭矩250 N·m(双电机)。

为了开发这些驱动装置,在方案设计之初,就将常用的电动机型式,如异步电机(感应电动机(ASM))、永磁铁励磁异步电机(PSM)、外励磁异步电机(FSM)与车辆需求进行对比。其中,使用ASM的主要优点包括:无需使用稀土金属,因而不存在原材料方面的掣肘;(1)当进行“空转”运行策略时,ASM跟随车桥一起旋转时无拖曳损失;(2)前后桥上可采用相同电机的结构模块策略;(3)单体成本比PSM 和FSM低。

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图3 APA250车桥电驱动装置部件分解图

图3示出了APA250车桥电驱动装置的部件分解图。下文将详细研究功率电子器件、电机和变速器等主要部件。

2 功率电子器件

电机采用的三相交流电由安装在电机上的功率电子器件产生。功率电子器件依据车桥驱动装置的智能集成方案而定,这样设计的零部件就能应用于所有的车桥结构,而壳体和装配式模块支座则是通用的,只要根据组装的边界条件相应地在壳体左侧或右侧铣削出高压直流电的接口和电接触。图4(a)通过部件分解示出了功率电子器件。功率电子器件以150~460 V电压水平进行工作,并供应530 A或260 A有效相电流,功率密度可达到30 kW/L,保护等级相当于IP6K9K或IP67。

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图4 功率电子器件结构(a)和装配式模块支座的内部结构(b)

功率电子器件内部的3个最新一代功率模块由硅片围成1个常用的B6脉冲振动子换流器,装入模块支座。在模块支座中功率模块被双面冷却,装入时使选通电路触发器印刷电路板直接插入功率模块的接触销上并能实现电接触。两面冷却底面积较为紧凑,该部件的总高度仅82 mm。图4(b)示出了装配式模块支座的内部结构。

为节省空间,控制器印刷电路板安装在模块支座的后方,而所属的信号栓槽则位于壳体底部。这样的组装型式是通过与硬件的协调所实现的,这种硬件能够通过扁带电缆实现连接而无损信号传输或电磁兼容性(EMV)。

为了密封通往电机的接口,组合使用了新型三唇密封圈和能补偿可存在的电机公差的EMV接触环,以确保系统屏蔽和接地连接,通过组合零件实现两个要求,可以将外形尺寸、成本和复杂性减小到最低程度。

这种模块化的功率电子器件是按照量产的工业化要求设计的。从模块支座上的功率模块到功率电子器件单元形成结构模块,且通过稍微调整就能实现其他电气化设计方案。此外,功率电子器件的全自动生产可确保量产情况下,保证装配质量和可追溯性。

Audi公司首次自行开发了在控制器印刷电路板上运行的电机调节功能,这可以实现零部件设计、功能开发和车辆的最大集成化。这种调节功能可实现每秒10 000次的高动态输入传感器数据和为电机调节新的电流值,并可在动态运行工况点最大程度利用其工作能力。

一些车辆功能如减振和车轮打滑调节功能等直接集成在功率电子器件中,无需总线通信就能实现无滞后干预,例如,可明显改善在结冰打滑路面上的加速性。这种设计的优点是能在开发过程中获得更直接的性能匹配及车辆上最佳的协调行驶性能。此外,对于控制而言,这些硬件基于相电流的扭矩监控能力,具有自动安全完整性等级(ASIL-D级)。

3 电机

电驱动装置中应用了具有分开式绕组和铝制短路转子的异步电机,根据布置和应用情况所组成的电机具有两种不同的有效长度和相应的匝数,因此功率范围能达到90~140 kW(峰值)。

4 电机定子结构

电机的定子(图5)由具有48槽的高导磁率硅钢叠片铁芯组成,并采用“Glulock HT”的创新压合方法紧密的结合在一起,其中单片厚度约0.35 mm的薄钢片借助于特殊的胶黏剂直接在冲压模中叠加压合成叠片铁芯。

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图5 具有黏合叠片铁芯和分开嵌入式绕组的电机定子结构

圆导线嵌入定子槽中形成绕组,并采用创新工艺,在绕组端部高度非常小的情况下达到了超过47%的较高铜充填系数。紧凑的绕组端部有利于减小外形尺寸,并对发电机的功率密度产生有利的效果。为了获得可靠的绕组结构,应用了具有较少缺陷和高绝缘性能的漆包铜线,并在环氧树脂基面上再用浸渍液浸透,因此在整个使用寿命期内确保了较高的击穿强度和抗局部放电性能。整个电机系统达到了H级绝缘等级,并按相应的运行温度进行设计。

5 电机转子结构

电机转子(图6)使用了与定子一样的硅钢片,由具有58槽的冲模压制叠片铁芯和高纯度压铸的铝短路鼠笼(具有99.75%的良好导电率)组成。铝短路鼠笼的风扇叶片压铸为一体,能使转子实现良好的对流散热。虽然转子的圆周速度超过120 m/s且纯铝具有较低的强度,但仍采用无吸收高离心力装备的短路环结构型式。转子的最高运行温度被限制在180 ℃。

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图6 具有冲模压制叠片铁芯、铸铝短路鼠笼和用于优化散热的风扇叶片的转子结构

6 电动机转子模拟

PSM转子采用相对较简单的2D叠片铁芯断面模拟就能精确的预测其强度,相比ASM转子因采用叠片铁芯、纯铝的复式铸造工艺,以及仿真转子负荷建模其成本明显较高。在借助于有限元法(FEM)建立模拟模型时必须考虑到以下3种特殊情况:

(1)叠片铁芯具有非线性和各向异性的刚度特性,即叠片铁芯在径向会呈现出与均质钢一样的刚度。当然,由于叠加在一起的薄钢片的压合及存在微米级的空气隙,在轴向压力下会呈现出强烈非线性的渐进式应力应变曲线。为了模拟这种特性,已开发了一种根据使用情况设置的建模方法,可单独描述转子中的每一片薄钢片,从而考察叠片铁芯总的轴向刚度。

(2)必须考虑到铸造工艺的影响,因为ASM转子鼠笼被铸入叠片铁芯中,因此有必要在所有的步骤中模拟制造工艺,以便描述内应力状况。需要将叠片铁芯轴向装入铸模中,然后浇铸铝并在熔液凝固后马上查明铸入的叠片铁芯的温度。之后浇铸好的叠片铁芯在铸模中冷却,这样铝短路鼠笼就在轴向与叠片铁芯结合在一起,在冷却过程中铝也紧紧嵌入在单片薄钢片之间的转子槽中。即打开铸模,将镶入的叠片铁芯取出,这样铝短路鼠笼就在张应力作用下牢靠地固定着,将浇铸好的叠片铁芯一直冷却到室温。这样就得到了浇铸好的带有冻结内应力状态的转子(带有短路鼠笼的叠片铁芯)。专门开发的接触规范在模型中已考虑到了。

(3)借助FEM计算叠片铁芯与轴的横向压配合连接,为了可靠地传递叠片铁芯与转子轴之间的扭矩,必须以相应的过盈量进行结合装配,并且应在考虑到叠片铁芯与轴之间的最大瞬时温度差及最大离心力情况下确定所必需的过盈量。

7 电动机技术参数

表1归纳了电动机的技术参数。功率和扭矩与有效工作部件的热负荷密切相关,因而良好的冷却系统对此能产生有利的影响。图7示出了3种最常用的设计点,其中可区分为增强功率(10 s,可短时间发出的功率)、峰值功率(60 s,可多次重复发出的功率),以及持续功率(可持久发出的功率)。

8 车桥变速器

Audi公司的全电驱动装置在前后桥上各有1台电机,分别通过各自的车桥变速器将其驱动力传递到车轮上。即使结构型式(与轴线平行/同轴)不同,但是2种变速器都必须满足相同的要求,这是由车型方案预先规定的。

表1 电机技术参数

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图7 APA250(a)和AKA320(b)电驱动装置增力功率、峰值功率和持续功率的功率和扭矩特性曲线

汽车的电动化在几乎所有的转速范围内均可提供非常大的加速潜力,在紧凑的结构空间中以高效率、低噪声确保扭矩转换(减速比约9∶1)。因此,对车桥变速器的主要要求包括:良好的声学性能、高效率、高功率密度和较低的质量。

APA250车桥变速器(图8)采用与车桥平行布置的两级传动比方案解决了这种目标冲突。第一级传动级被设计成行星齿轮级,其中3个行星齿轮和1个径向空心的齿环改变了扭矩和转速。中心齿套通过插接啮合与电动机转子轴连结,中心齿套轴的电动机侧由转子轴的固定轴承支承,对面侧由1个4点轴承轴向导向,而在径向方向上轴端则能在规定的自由度范围内对中,这样就能在所有的运行状况中对周围啮合实现最佳对中。

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图8 AKA320(a)和APA250(b)电驱动装置的车桥变速器

在第一级行星齿轮支座上压装了1个圆柱齿轮,与差动器支座外啮合,这样总传动比为9.2。在差动器中使用了1种轻型结构行星齿轮变速器,能在较小的结构空间中通过插入的2根法兰轴将车桥扭矩分配到2个车轮上。

机油润滑方案利用了圆柱齿轮级的供油效果,与流动优化的机油塑料管回路相结合可以省略附加的机油泵。变速器通过由车辆行驶中产生的空气对流及水冷却的电机轴承盖进行散热,因而无需单独的机油冷却器。

AKA320电驱动装置实现了与车桥同轴的变速器结构型式(图8)。压装在转子轴上的中心齿套与1个阶梯式双行星齿轮啮合,并与1个浮动支承在壳体中的齿环联合使总传动比达到9.08。同样,行星齿轮支座与1个行星齿轮差动器相组合,这样就能够通过将差动器平衡齿轮灵巧地嵌装在阶梯式双行星齿轮的中部空间,以获得最大的组装紧凑性,再通过2根插入的法兰轴驱动车轮,因同轴布置在面向电机的一侧,这两根轴由转子轴穿过插入。车桥变速器的技术参数列于表2。

表2 车桥变速器技术参数

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9 车桥电驱动装置的冷却和散热

电机的高效冷却对于达到较高的功率密度起着重要作用,因为空间结构和质量对于汽车应用场合同样具有决定性的意义,在电驱动情况下必须考虑到高效和高集成度的冷却方案,然而在这方面对部件的要求与内燃机所提出的要求有所不同(表3)。首先,冷却对电机的持续功率的影响非常强烈,虽然较小的热流量对热交换产生的影响并不大,但是由各向异性的导热率、接触散热及空气和水的对流区域所产生的复杂组合也对热交换产生影响,此外因转子的旋转速度非常高,根据转子转速的不同,转子内冷却强烈地影响到冷却液压力和流动扰动。

借助于很多复杂的模拟已为电机开发出了非常有效的散热方案,其中在相关模型的共轭热传递(CHT)模拟中,不仅模拟了冷却介质和空气的流动,而且也模拟了整个电机的结构。分别试验了水和机油作为冷却介质的冷却方案,并且持续不断地优化带有转子内冷却的水冷却的方案。

表3 对内燃机和电机冷却/散热的要求

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10 冷却方案

车桥电驱动装置使用了一种由水冷却和对流冷却组合而成的创新方案。原则上,冷却方案可分成4个区域(图9):功率电子器件的冷却、传统的电机定子周边冷却、轴承盖冷却(转子的变速器油冷却和对流冷却)及转子内冷却。

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图9 APA250和AKA320车桥电驱动装置的冷却方案

冷却液流入驱动装置之前,先流经功率电子器件,因为半导体预先规定了容许的最高冷却液温度。在铜绕组中产生的热量(电阻损失)将由绝缘系统和叠片铁芯通过定子支座散发到冷却水套中去,其中冷却介质通过定子与壳体之间的环形冷却通道流动。

电机的轴承盖也采用了水冷方式,从而有效降低了转子轴承及工作空间和变速器的壁面温度。此外,类似于内部通风的制动盘,轴承盖在转子范围内具有散热片结构。由转子风扇叶片产生的定向空气通过这种散热体,使转子短路环非常有效地散热,并使定子绕组端部也得到了良好的对流冷却。

仅采用对流冷却依然微不足道,为了满足电机较高的持续功率要求,在所有的电驱动装置中都应用了转子内冷却(RIK),采取这种方法将转子中产生的热量(电阻损失和交变磁化损失)通过热交换直接散发到冷却液中去,此外转子内冷却使得轴承内外环的温度更为均匀,从而能使转子轴承间隙保持得较小,这对噪声和轴承可靠性都有好处。

在转子内冷却的情况下,转子轴内部空间是冷却循环回路的组成部分,必须被冷却液完全充满,其中的挑战在于冷却液导入旋转的转子轴(最大转速15 000 r/min)及其密封,可通过采用由碳化硅(陶瓷)制成的无磨损密封圈的滑动环密封来解决问题。可通过一个不旋转的固定长管将冷却液导入转子,冷却液从这个管子回转流经转子轴直至出口。车桥电驱动装置采用这种冷却方案使得工作部件具有非常有效的冷却效果且具有可重复性、持续功率和耐久性。图10示出了有无转子内冷却的APA250电驱动装置的模拟温度实例。通过上文所介绍的壳体冷却水套及带入轴承盖中用于转子的对流冷却使电机得到了良好的散热(由转子端部上的风扇叶片产生的空气流通),变速器侧的轴承盖冷却同时也承担了变速器油的冷却。

从图10中就能清晰地看到,转子内冷却对于降低电机特别是转子的温度非常有效。

11 结论

Audi公司新型的车桥电驱动模块在电机、功率电子器件和变速器方面具有明显的通用化程度,是在Audi公司本部开发的,而生产则在匈牙利Györ的Audi发动机厂进行。为了优化汽车的组装,不仅使用了与车桥平行的电驱动装置,而且也装备了与车桥同轴的电驱动装置。Audi公司并为具有吸引绕组和铝短路环的异步电机提供了两种长度方案(功率范围为90~140 kW),因具备超负荷能力而容许短暂的附加功率增量。在紧凑的车桥变速器(总传动比为9∶1)情况下,关注的重点在于大功率密度、高效率、轻质量和良好的声学性能。带有转子内冷却的冷却方案获得了更高的持续功率、可重复性和耐久性。同样,Audi公司自行开发的电机调节功能可获得较好的动态驱动调节效果,特别是在转差率极限方面。

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图10 有和无转子内冷却的APA250电驱动装置的CHT模拟


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