电动汽车用三合一电驱动系统设计与验证

本文基于一款新能源乘用车驱动体系高度集成化的开发需求，研发了一款三合一电驱动体系，论述了该驱动体系的布局计划及电气原理，先容了体系冷却计划，并针对体系的散热机能进行热仿真阐发研讨，末了制造样机进行台架测试，测试成果注解，本文设计的三合一电驱动体系具有优越的输出机能。

1. 布局设计与电气原理

1.1 集成布局设计

如图1所示，电机、节制器、减速器组成了三合一电驱动体系总成开发的症结技术。驱动电机的焦点布局由定、转子组件组成，症结资料包含铁心资料、永磁体、电磁线、高速轴承和地位传感器等；节制器的焦点布局由半导体功率器件、直流支持电容、集成电路芯片及软件架构等组成；减/变速器症结技术主要包含齿轮及轴系、密封与润滑、聚散器、执行机构、驻车体系等。

图1 三合一电驱动体系症结零部件

电驱动体系的技术指标：峰值功率55 kW，峰值转矩150 N-m，最高转速10 000 r/min。本文设计的三合一电驱动体系整体布局如图2所示，驱动电机前端与减速器衔接固定，电机节制器安装于电机与减速器的上方，此计划集成度高，整体体积较小。同时，冷却技术作为三合一电驱动体系开发的焦点，本文将节制器冷却液出口与电机冷却液进口集成设计，实现了节制器散热水道与电机冷却水道的一体化设计，使得整个产物本钱更低、散热后果更好。

图2 三合一电驱动体系布局示意图

1.2 IGBT模块选型

节制器布局如图3所示，IGBT作为焦点功率器件，其症结节制要素包含参数及靠得住性要求、过流和短路掩护、过电压掩护等。是以，IGBT选型要综合斟酌其自身的输出效力、节制器运行峰值电压及驱动电机最年夜反电动势等前提。依据技术指标进行计算评估，节制器连续事情电流需到达210 A，故选用斯达HP1 IGBT模块(型号：GD400FFX65P3S)。

图3 电机节制器布局示意图

1.3 电机定、转子布局设计

为满意技术指标的要求，定、转子布局必要颠末重复的设计、仿真阐发与校核。终极颠末计算阐发肯定铁心规格：外径180 mm，长度125 mm。电机机壳采纳低压锻造成型，机壳内部自带螺旋式冷却水道。驱动电机定、转子布局如图4所示。

图4 驱动电机定、转子布局示意图

2. 冷却体系设计

分歧于分体式电驱动体系，三合一电驱动体系集成度更高，热量集中，体系的冷却设计是三合一产物开发进程中的症结一环。本文的三合一电驱动体系冷却水道布局如图5(a)所示，电机机壳设计有螺旋布局水道，这种布局可以低落流阻，加强对绕组的冷却后果。电控冷却水道出口与电机冷却水道进口集成设计;节制器水道布局如图5(b)所示，水道内设计云朵状翅片布局以增年夜该部门的散热面积，增强对IGBT的冷却后果。事情时，冷却液起首由整车冷却体系进入电机节制器，对电机节制器进行冷却散热后再流入电机，对电机进行冷却，终极冷却液从电机出水口流出，完成对体系的冷却散热。

(a) 体系冷却水道布局示意图

(b) 电机节制器冷却布局示意图

图5 驱动体系冷却体系布局示意

斟酌到电机峰值功率只有55 kW，且机壳内螺旋式冷却水道连续对本体冷却散热，依据履历断定电机事情进程中不会呈现过温状态，是以，峰值工况下的IGBT温升便作为权衡体系热靠得住性的根据。本文重点针对峰值工况下IGBT的温升进行了有限元热仿真阐发，以探测IGBT芯片的温度散布，仿真成果如图6所示。IGBT芯片最高温度均衡在148.4 ℃，低于IGBT的历久耐温要求(150 ℃)，可以满意产物使用要求。

图6 峰值工况下IGBT温度散布

3. 三合一体系硬件设计

三合一电驱动体系的电气原理如图7所示，节制体系在12 V电源收集下事情，经由过程CAN收集与整车进行通信，节制器功率部门的逆变单位可以或许将直流电转化为交流电并输入至永磁同步电念头，节制器成熟的底层设置装备摆设和软件算法以及各采样电路、掩护电路，可以确保电机节制器稳固事情。

三合一电驱动体系的PCB由节制板和驱动板构成，驱动单位和节制单位之间经由过程线束通信，避免高下压之间的滋扰。PCB电路通常集成有通信电路、温度采样电路、电压采样电路、相电流采样电路、转子地位检测电路、电源转换电路、驱动电路以及各掩护功效电路等，这些电路组合在一路配合确保整个三合一电驱动体系的正常事情。

图7 三合一电驱动体系电气原理框图

4. 样机机能试验验证

为了进一步研讨三合一电驱动体系的输出机能，制造样机并对体系的输出特征、效力以及温升进行测试，测试台架如图8所示。

图8 三合一电驱动体系台架测试图

4.1 体系机能测试

在290 V电压工况下，分离对样机进行体系输出外特征、体系效力、体系温升的测试。

体系输出特征如图9所示，三合一电驱动体系在电动和发电工况下均可以稳固输出峰值功率55kW和峰值转矩150N-m。三合一电驱动效力测试成果，如图10所示，电动工况下，体系最高效力为95.5%，节制器最高效力为98%，电机最高效力为97.5%；发电工况下，体系最高效力为94.5%，节制器最高效力为97.5%，电机最高效力为97.5%。颠末软件计算，体系效力年夜于80%的面积占比81.0876%，节制器效力年夜于80%的面积占比93.1055%，电机效力年夜于80%的面积占比91.172 7%。

(a) 290 V电动工况下电机输出转矩曲线

(b) 290 V发电工况下电机输出转矩曲线

(c) 290 V电动工况下电机输出功率曲线

(d) 290 V发电工况下电机输出功率曲线

图9 体系输出特征曲线

(a) 290 V体系效力

(b) 290 V节制器效力

(c) 290 V电机效力

图10 体系效力MAP图

4.2 温升测试

为肯定节制器IGBT在峰值工况下的真实温升，对样机做温升试验。节制器入水口水温65 ℃，流量8 L/min，峰值工况下的体系温升曲线如图11所示。从图11中可看出，峰值工况下IGBT内检测到的最高温度稳固在89℃左右，推算芯片温度在115 ℃以下，满意使用要求；电机在60 s光阴内到达最高温度130 ℃左右，满意磁钢使用要求。

图11 峰值工况下体系温升曲线

5. 结语

本文针对某款新能源车的开发需求，设计了一款三合一电驱动体系，具体先容了产物的布局设计、电气原理以及冷却体系计划，并对体系的冷却机能做了热仿真阐发研讨。末了，制造样机进行台架测试，测试成果注解，本文的三合一电驱动体系具有优越的输出机能。

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