Audi公司新型車橋電驅(qū)動裝置

1 驅(qū)動模塊概況

圖1 Audi新型全電驅(qū)動系統(tǒng)

圖2 電驅(qū)動模塊和通用件方案

Audi公司為全新的電驅(qū)動系統(tǒng)(圖1)開發(fā)了通用化程度較高的智能車橋驅(qū)動模塊，并提供了與車橋平行和同軸的電驅(qū)動裝置，其采用同款異步電動機(jī)，只是有效長度不同而已，而功率電子器件(LE)也被設(shè)計(jì)成通用件，僅在軟件方面有所區(qū)別。前橋上的變速器單元、后橋變速器中各種相同的部件及應(yīng)用的其他通用件(滾動軸承、密封件和轉(zhuǎn)子位置傳感器)構(gòu)成了完整的結(jié)構(gòu)模塊(圖2)。Audi公司以這種新型全電驅(qū)動系統(tǒng)將新一代改進(jìn)型四輪全驅(qū)動裝置投放市場。電機(jī)的快速響應(yīng)特性被用于前后橋之間以進(jìn)行最佳的扭矩分配，只需幾毫秒就能將變化的摩擦系數(shù)反應(yīng)到輪胎上。新開發(fā)的電驅(qū)動模塊包括下列驅(qū)動裝置：(1)APA250車橋驅(qū)動裝置，與車橋平行布置，異步電機(jī)扭矩250 N·m；(2)AKA320車橋驅(qū)動裝置，與車橋同軸布置，異步電機(jī)扭矩320 N·m；(3)APA320車橋驅(qū)動裝置，與車橋平行布置，異步電機(jī)扭矩320 N·m；(4)ATA250車橋驅(qū)動裝置，雙電機(jī)與車橋同軸布置，異步電機(jī)扭矩250 N·m(雙電機(jī))。

為了開發(fā)這些驅(qū)動裝置，在方案設(shè)計(jì)之初，就將常用的電動機(jī)型式，如異步電機(jī)(感應(yīng)電動機(jī)(ASM))、永磁鐵勵磁異步電機(jī)(PSM)、外勵磁異步電機(jī)(FSM)與車輛需求進(jìn)行對比。其中，使用ASM的主要優(yōu)點(diǎn)包括： 無需使用稀土金屬，因而不存在原材料方面的掣肘；(1)當(dāng)進(jìn)行“空轉(zhuǎn)”運(yùn)行策略時(shí)，ASM跟隨車橋一起旋轉(zhuǎn)時(shí)無拖曳損失；(2)前后橋上可采用相同電機(jī)的結(jié)構(gòu)模塊策略；(3)單體成本比PSM 和FSM低。

圖3 APA250車橋電驅(qū)動裝置部件分解圖

圖3示出了APA250車橋電驅(qū)動裝置的部件分解圖。下文將詳細(xì)研究功率電子器件、電機(jī)和變速器等主要部件。

2 功率電子器件

電機(jī)采用的三相交流電由安裝在電機(jī)上的功率電子器件產(chǎn)生。功率電子器件依據(jù)車橋驅(qū)動裝置的智能集成方案而定，這樣設(shè)計(jì)的零部件就能應(yīng)用于所有的車橋結(jié)構(gòu)，而殼體和裝配式模塊支座則是通用的，只要根據(jù)組裝的邊界條件相應(yīng)地在殼體左側(cè)或右側(cè)銑削出高壓直流電的接口和電接觸。圖4(a)通過部件分解示出了功率電子器件。功率電子器件以150～460 V電壓水平進(jìn)行工作，并供應(yīng)530 A或260 A有效相電流，功率密度可達(dá)到30 kW/L，保護(hù)等級相當(dāng)于IP6K9K或IP67。

圖4 功率電子器件結(jié)構(gòu)(a)和裝配式模塊支座的內(nèi)部結(jié)構(gòu)(b)

功率電子器件內(nèi)部的3個(gè)最新一代功率模塊由硅片圍成1個(gè)常用的B6脈沖振動子換流器，裝入模塊支座。在模塊支座中功率模塊被雙面冷卻，裝入時(shí)使選通電路觸發(fā)器印刷電路板直接插入功率模塊的接觸銷上并能實(shí)現(xiàn)電接觸。兩面冷卻底面積較為緊湊，該部件的總高度僅82 mm。圖4(b)示出了裝配式模塊支座的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

為節(jié)省空間，控制器印刷電路板安裝在模塊支座的后方，而所屬的信號栓槽則位于殼體底部。這樣的組裝型式是通過與硬件的協(xié)調(diào)所實(shí)現(xiàn)的，這種硬件能夠通過扁帶電纜實(shí)現(xiàn)連接而無損信號傳輸或電磁兼容性(EMV)。

為了密封通往電機(jī)的接口，組合使用了新型三唇密封圈和能補(bǔ)償可存在的電機(jī)公差的EMV接觸環(huán)，以確保系統(tǒng)屏蔽和接地連接，通過組合零件實(shí)現(xiàn)兩個(gè)要求，可以將外形尺寸、成本和復(fù)雜性減小到最低程度。

這種模塊化的功率電子器件是按照量產(chǎn)的工業(yè)化要求設(shè)計(jì)的。從模塊支座上的功率模塊到功率電子器件單元形成結(jié)構(gòu)模塊，且通過稍微調(diào)整就能實(shí)現(xiàn)其他電氣化設(shè)計(jì)方案。此外，功率電子器件的全自動生產(chǎn)可確保量產(chǎn)情況下，保證裝配質(zhì)量和可追溯性。

Audi公司首次自行開發(fā)了在控制器印刷電路板上運(yùn)行的電機(jī)調(diào)節(jié)功能，這可以實(shí)現(xiàn)零部件設(shè)計(jì)、功能開發(fā)和車輛的最大集成化。這種調(diào)節(jié)功能可實(shí)現(xiàn)每秒10 000次的高動態(tài)輸入傳感器數(shù)據(jù)和為電機(jī)調(diào)節(jié)新的電流值，并可在動態(tài)運(yùn)行工況點(diǎn)最大程度利用其工作能力。

一些車輛功能如減振和車輪打滑調(diào)節(jié)功能等直接集成在功率電子器件中，無需總線通信就能實(shí)現(xiàn)無滯后干預(yù)，例如，可明顯改善在結(jié)冰打滑路面上的加速性。這種設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)是能在開發(fā)過程中獲得更直接的性能匹配及車輛上最佳的協(xié)調(diào)行駛性能。此外，對于控制而言，這些硬件基于相電流的扭矩監(jiān)控能力，具有自動安全完整性等級(ASIL-D級)。

3 電機(jī)

電驅(qū)動裝置中應(yīng)用了具有分開式繞組和鋁制短路轉(zhuǎn)子的異步電機(jī)，根據(jù)布置和應(yīng)用情況所組成的電機(jī)具有兩種不同的有效長度和相應(yīng)的匝數(shù)，因此功率范圍能達(dá)到90～140 kW(峰值)。

4 電機(jī)定子結(jié)構(gòu)

電機(jī)的定子(圖5)由具有48槽的高導(dǎo)磁率硅鋼疊片鐵芯組成，并采用“Glulock HT”的創(chuàng)新壓合方法緊密的結(jié)合在一起，其中單片厚度約0.35 mm的薄鋼片借助于特殊的膠黏劑直接在沖壓模中疊加壓合成疊片鐵芯。

圖5 具有黏合疊片鐵芯和分開嵌入式繞組的電機(jī)定子結(jié)構(gòu)

圓導(dǎo)線嵌入定子槽中形成繞組，并采用創(chuàng)新工藝，在繞組端部高度非常小的情況下達(dá)到了超過47%的較高銅充填系數(shù)。緊湊的繞組端部有利于減小外形尺寸，并對發(fā)電機(jī)的功率密度產(chǎn)生有利的效果。為了獲得可靠的繞組結(jié)構(gòu)，應(yīng)用了具有較少缺陷和高絕緣性能的漆包銅線，并在環(huán)氧樹脂基面上再用浸漬液浸透，因此在整個(gè)使用壽命期內(nèi)確保了較高的擊穿強(qiáng)度和抗局部放電性能。整個(gè)電機(jī)系統(tǒng)達(dá)到了H級絕緣等級，并按相應(yīng)的運(yùn)行溫度進(jìn)行設(shè)計(jì)。

5 電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)

電機(jī)轉(zhuǎn)子(圖6)使用了與定子一樣的硅鋼片，由具有58槽的沖模壓制疊片鐵芯和高純度壓鑄的鋁短路鼠籠(具有99.75%的良好導(dǎo)電率)組成。鋁短路鼠籠的風(fēng)扇葉片壓鑄為一體，能使轉(zhuǎn)子實(shí)現(xiàn)良好的對流散熱。雖然轉(zhuǎn)子的圓周速度超過120 m/s且純鋁具有較低的強(qiáng)度，但仍采用無吸收高離心力裝備的短路環(huán)結(jié)構(gòu)型式。轉(zhuǎn)子的最高運(yùn)行溫度被限制在180 ℃。

圖6 具有沖模壓制疊片鐵芯、鑄鋁短路鼠籠和用于優(yōu)化散熱的風(fēng)扇葉片的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)

6 電動機(jī)轉(zhuǎn)子模擬

PSM轉(zhuǎn)子采用相對較簡單的2D疊片鐵芯斷面模擬就能精確的預(yù)測其強(qiáng)度，相比ASM轉(zhuǎn)子因采用疊片鐵芯、純鋁的復(fù)式鑄造工藝，以及仿真轉(zhuǎn)子負(fù)荷建模其成本明顯較高。在借助于有限元法(FEM)建立模擬模型時(shí)必須考慮到以下3種特殊情況：

(1)疊片鐵芯具有非線性和各向異性的剛度特性，即疊片鐵芯在徑向會呈現(xiàn)出與均質(zhì)鋼一樣的剛度。當(dāng)然，由于疊加在一起的薄鋼片的壓合及存在微米級的空氣隙，在軸向壓力下會呈現(xiàn)出強(qiáng)烈非線性的漸進(jìn)式應(yīng)力應(yīng)變曲線。為了模擬這種特性，已開發(fā)了一種根據(jù)使用情況設(shè)置的建模方法，可單獨(dú)描述轉(zhuǎn)子中的每一片薄鋼片，從而考察疊片鐵芯總的軸向剛度。

(2)必須考慮到鑄造工藝的影響，因?yàn)锳SM轉(zhuǎn)子鼠籠被鑄入疊片鐵芯中，因此有必要在所有的步驟中模擬制造工藝，以便描述內(nèi)應(yīng)力狀況。需要將疊片鐵芯軸向裝入鑄模中，然后澆鑄鋁并在熔液凝固后馬上查明鑄入的疊片鐵芯的溫度。之后澆鑄好的疊片鐵芯在鑄模中冷卻，這樣鋁短路鼠籠就在軸向與疊片鐵芯結(jié)合在一起，在冷卻過程中鋁也緊緊嵌入在單片薄鋼片之間的轉(zhuǎn)子槽中。即打開鑄模，將鑲?cè)氲寞B片鐵芯取出，這樣鋁短路鼠籠就在張應(yīng)力作用下牢靠地固定著，將澆鑄好的疊片鐵芯一直冷卻到室溫。這樣就得到了澆鑄好的帶有凍結(jié)內(nèi)應(yīng)力狀態(tài)的轉(zhuǎn)子(帶有短路鼠籠的疊片鐵芯)。專門開發(fā)的接觸規(guī)范在模型中已考慮到了。

(3)借助FEM計(jì)算疊片鐵芯與軸的橫向壓配合連接，為了可靠地傳遞疊片鐵芯與轉(zhuǎn)子軸之間的扭矩，必須以相應(yīng)的過盈量進(jìn)行結(jié)合裝配，并且應(yīng)在考慮到疊片鐵芯與軸之間的最大瞬時(shí)溫度差及最大離心力情況下確定所必需的過盈量。

7 電動機(jī)技術(shù)參數(shù)

表1歸納了電動機(jī)的技術(shù)參數(shù)。功率和扭矩與有效工作部件的熱負(fù)荷密切相關(guān)，因而良好的冷卻系統(tǒng)對此能產(chǎn)生有利的影響。圖7示出了3種最常用的設(shè)計(jì)點(diǎn)，其中可區(qū)分為增強(qiáng)功率(10 s，可短時(shí)間發(fā)出的功率)、峰值功率(60 s，可多次重復(fù)發(fā)出的功率)，以及持續(xù)功率(可持久發(fā)出的功率)。

8 車橋變速器

Audi公司的全電驅(qū)動裝置在前后橋上各有1臺電機(jī)，分別通過各自的車橋變速器將其驅(qū)動力傳遞到車輪上。即使結(jié)構(gòu)型式(與軸線平行/同軸)不同，但是2種變速器都必須滿足相同的要求，這是由車型方案預(yù)先規(guī)定的。

表1 電機(jī)技術(shù)參數(shù)

圖7 APA250(a)和AKA320(b)電驅(qū)動裝置增力功率、峰值功率和持續(xù)功率的功率和扭矩特性曲線

汽車的電動化在幾乎所有的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)均可提供非常大的加速潛力，在緊湊的結(jié)構(gòu)空間中以高效率、低噪聲確保扭矩轉(zhuǎn)換(減速比約9∶1)。因此，對車橋變速器的主要要求包括：良好的聲學(xué)性能、高效率、高功率密度和較低的質(zhì)量。

APA250車橋變速器(圖8)采用與車橋平行布置的兩級傳動比方案解決了這種目標(biāo)沖突。第一級傳動級被設(shè)計(jì)成行星齒輪級，其中3個(gè)行星齒輪和1個(gè)徑向空心的齒環(huán)改變了扭矩和轉(zhuǎn)速。中心齒套通過插接嚙合與電動機(jī)轉(zhuǎn)子軸連結(jié)，中心齒套軸的電動機(jī)側(cè)由轉(zhuǎn)子軸的固定軸承支承，對面?zhèn)扔?個(gè)4點(diǎn)軸承軸向?qū)?，而在徑向方向上軸端則能在規(guī)定的自由度范圍內(nèi)對中，這樣就能在所有的運(yùn)行狀況中對周圍嚙合實(shí)現(xiàn)最佳對中。

圖8 AKA320(a)和APA250(b)電驅(qū)動裝置的車橋變速器

在第一級行星齒輪支座上壓裝了1個(gè)圓柱齒輪,與差動器支座外嚙合,這樣總傳動比為9.2。在差動器中使用了1種輕型結(jié)構(gòu)行星齒輪變速器，能在較小的結(jié)構(gòu)空間中通過插入的2根法蘭軸將車橋扭矩分配到2個(gè)車輪上。

機(jī)油潤滑方案利用了圓柱齒輪級的供油效果，與流動優(yōu)化的機(jī)油塑料管回路相結(jié)合可以省略附加的機(jī)油泵。變速器通過由車輛行駛中產(chǎn)生的空氣對流及水冷卻的電機(jī)軸承蓋進(jìn)行散熱，因而無需單獨(dú)的機(jī)油冷卻器。

AKA320電驅(qū)動裝置實(shí)現(xiàn)了與車橋同軸的變速器結(jié)構(gòu)型式(圖8)。壓裝在轉(zhuǎn)子軸上的中心齒套與1個(gè)階梯式雙行星齒輪嚙合，并與1個(gè)浮動支承在殼體中的齒環(huán)聯(lián)合使總傳動比達(dá)到9.08。同樣，行星齒輪支座與1個(gè)行星齒輪差動器相組合，這樣就能夠通過將差動器平衡齒輪靈巧地嵌裝在階梯式雙行星齒輪的中部空間，以獲得最大的組裝緊湊性，再通過2根插入的法蘭軸驅(qū)動車輪，因同軸布置在面向電機(jī)的一側(cè)，這兩根軸由轉(zhuǎn)子軸穿過插入。車橋變速器的技術(shù)參數(shù)列于表2。

表2 車橋變速器技術(shù)參數(shù)

9 車橋電驅(qū)動裝置的冷卻和散熱

電機(jī)的高效冷卻對于達(dá)到較高的功率密度起著重要作用，因?yàn)榭臻g結(jié)構(gòu)和質(zhì)量對于汽車應(yīng)用場合同樣具有決定性的意義，在電驅(qū)動情況下必須考慮到高效和高集成度的冷卻方案，然而在這方面對部件的要求與內(nèi)燃機(jī)所提出的要求有所不同(表3)。首先，冷卻對電機(jī)的持續(xù)功率的影響非常強(qiáng)烈，雖然較小的熱流量對熱交換產(chǎn)生的影響并不大，但是由各向異性的導(dǎo)熱率、接觸散熱及空氣和水的對流區(qū)域所產(chǎn)生的復(fù)雜組合也對熱交換產(chǎn)生影響，此外因轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)速度非常高，根據(jù)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的不同，轉(zhuǎn)子內(nèi)冷卻強(qiáng)烈地影響到冷卻液壓力和流動擾動。

借助于很多復(fù)雜的模擬已為電機(jī)開發(fā)出了非常有效的散熱方案，其中在相關(guān)模型的共軛熱傳遞(CHT)模擬中，不僅模擬了冷卻介質(zhì)和空氣的流動，而且也模擬了整個(gè)電機(jī)的結(jié)構(gòu)。分別試驗(yàn)了水和機(jī)油作為冷卻介質(zhì)的冷卻方案，并且持續(xù)不斷地優(yōu)化帶有轉(zhuǎn)子內(nèi)冷卻的水冷卻的方案。

表3 對內(nèi)燃機(jī)和電機(jī)冷卻/散熱的要求

10 冷卻方案

車橋電驅(qū)動裝置使用了一種由水冷卻和對流冷卻組合而成的創(chuàng)新方案。原則上，冷卻方案可分成4個(gè)區(qū)域(圖9)：功率電子器件的冷卻、傳統(tǒng)的電機(jī)定子周邊冷卻、軸承蓋冷卻(轉(zhuǎn)子的變速器油冷卻和對流冷卻)及轉(zhuǎn)子內(nèi)冷卻。

圖9 APA250和AKA320車橋電驅(qū)動裝置的冷卻方案

冷卻液流入驅(qū)動裝置之前，先流經(jīng)功率電子器件，因?yàn)榘雽?dǎo)體預(yù)先規(guī)定了容許的最高冷卻液溫度。在銅繞組中產(chǎn)生的熱量(電阻損失)將由絕緣系統(tǒng)和疊片鐵芯通過定子支座散發(fā)到冷卻水套中去，其中冷卻介質(zhì)通過定子與殼體之間的環(huán)形冷卻通道流動。

電機(jī)的軸承蓋也采用了水冷方式，從而有效降低了轉(zhuǎn)子軸承及工作空間和變速器的壁面溫度。此外，類似于內(nèi)部通風(fēng)的制動盤，軸承蓋在轉(zhuǎn)子范圍內(nèi)具有散熱片結(jié)構(gòu)。由轉(zhuǎn)子風(fēng)扇葉片產(chǎn)生的定向空氣通過這種散熱體，使轉(zhuǎn)子短路環(huán)非常有效地散熱，并使定子繞組端部也得到了良好的對流冷卻。

僅采用對流冷卻依然微不足道，為了滿足電機(jī)較高的持續(xù)功率要求，在所有的電驅(qū)動裝置中都應(yīng)用了轉(zhuǎn)子內(nèi)冷卻(RIK)，采取這種方法將轉(zhuǎn)子中產(chǎn)生的熱量(電阻損失和交變磁化損失)通過熱交換直接散發(fā)到冷卻液中去，此外轉(zhuǎn)子內(nèi)冷卻使得軸承內(nèi)外環(huán)的溫度更為均勻，從而能使轉(zhuǎn)子軸承間隙保持得較小，這對噪聲和軸承可靠性都有好處。

在轉(zhuǎn)子內(nèi)冷卻的情況下，轉(zhuǎn)子軸內(nèi)部空間是冷卻循環(huán)回路的組成部分，必須被冷卻液完全充滿，其中的挑戰(zhàn)在于冷卻液導(dǎo)入旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子軸(最大轉(zhuǎn)速15 000 r/min)及其密封，可通過采用由碳化硅(陶瓷)制成的無磨損密封圈的滑動環(huán)密封來解決問題。可通過一個(gè)不旋轉(zhuǎn)的固定長管將冷卻液導(dǎo)入轉(zhuǎn)子，冷卻液從這個(gè)管子回轉(zhuǎn)流經(jīng)轉(zhuǎn)子軸直至出口。車橋電驅(qū)動裝置采用這種冷卻方案使得工作部件具有非常有效的冷卻效果且具有可重復(fù)性、持續(xù)功率和耐久性。圖10示出了有無轉(zhuǎn)子內(nèi)冷卻的APA250電驅(qū)動裝置的模擬溫度實(shí)例。通過上文所介紹的殼體冷卻水套及帶入軸承蓋中用于轉(zhuǎn)子的對流冷卻使電機(jī)得到了良好的散熱(由轉(zhuǎn)子端部上的風(fēng)扇葉片產(chǎn)生的空氣流通)，變速器側(cè)的軸承蓋冷卻同時(shí)也承擔(dān)了變速器油的冷卻。

從圖10中就能清晰地看到，轉(zhuǎn)子內(nèi)冷卻對于降低電機(jī)特別是轉(zhuǎn)子的溫度非常有效。

11 結(jié)論

Audi公司新型的車橋電驅(qū)動模塊在電機(jī)、功率電子器件和變速器方面具有明顯的通用化程度，是在Audi公司本部開發(fā)的，而生產(chǎn)則在匈牙利Gy?r的Audi發(fā)動機(jī)廠進(jìn)行。為了優(yōu)化汽車的組裝，不僅使用了與車橋平行的電驅(qū)動裝置，而且也裝備了與車橋同軸的電驅(qū)動裝置。Audi公司并為具有吸引繞組和鋁短路環(huán)的異步電機(jī)提供了兩種長度方案(功率范圍為90～140 kW)，因具備超負(fù)荷能力而容許短暫的附加功率增量。在緊湊的車橋變速器(總傳動比為9∶1)情況下，關(guān)注的重點(diǎn)在于大功率密度、高效率、輕質(zhì)量和良好的聲學(xué)性能。帶有轉(zhuǎn)子內(nèi)冷卻的冷卻方案獲得了更高的持續(xù)功率、可重復(fù)性和耐久性。同樣，Audi公司自行開發(fā)的電機(jī)調(diào)節(jié)功能可獲得較好的動態(tài)驅(qū)動調(diào)節(jié)效果，特別是在轉(zhuǎn)差率極限方面。

圖10 有和無轉(zhuǎn)子內(nèi)冷卻的APA250電驅(qū)動裝置的CHT模擬