新能源汽車電驅(qū)動(dòng)總成及制造技術(shù)

1

序言發(fā)展新能源汽車是我國(guó)從汽車大國(guó)邁向汽車強(qiáng)國(guó)的必由之路，新能源汽車概念最早于“863”計(jì)劃中提出。在新能源汽車發(fā)展規(guī)劃中提出了“三縱三橫”的技術(shù)研發(fā)布局，即以純電動(dòng)車、插電式混合動(dòng)力（含增程式）汽車、燃料電池汽車為“三縱”，布局整車技術(shù)創(chuàng)新鏈，強(qiáng)化整車集成控制創(chuàng)新。以動(dòng)力電池和管理系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)與電力電子、網(wǎng)聯(lián)化與智能化技術(shù)為“三橫”，構(gòu)建關(guān)鍵零部件技術(shù)供給體系，提升產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)能力。2022年中國(guó)新能源汽車持續(xù)爆發(fā)式增長(zhǎng)，全年銷量680萬(wàn)輛，市場(chǎng)滲透率25.6%。2023年預(yù)計(jì)為900萬(wàn)輛，同比增長(zhǎng)35%。我國(guó)新能源汽車市場(chǎng)培育了全球最大的電動(dòng)車市場(chǎng)，電池供應(yīng)鏈體系遠(yuǎn)遠(yuǎn)領(lǐng)先美國(guó)和歐洲，但是品牌競(jìng)爭(zhēng)力弱，尚未被全球市場(chǎng)廣泛接受。2

電驅(qū)動(dòng)總成電驅(qū)動(dòng)總成是新能源電動(dòng)車的心臟，等同于傳統(tǒng)燃油車的動(dòng)力總成——發(fā)動(dòng)機(jī)+變速器，作用是把化學(xué)能轉(zhuǎn)化成電動(dòng)車的動(dòng)能，是直接決定車輛動(dòng)力、能耗等性能的核心部件。電驅(qū)動(dòng)總成是以電動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力能源的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，包括電動(dòng)機(jī)控制器、電動(dòng)機(jī)及傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。電驅(qū)動(dòng)總成是電動(dòng)車中至關(guān)重要的機(jī)構(gòu)，直接影響到汽車壽命以及駕駛員的安全。純電動(dòng)車的電驅(qū)動(dòng)總成有四種形式，分別為傳統(tǒng)布置、電動(dòng)機(jī)&驅(qū)動(dòng)橋組合式、電動(dòng)機(jī)&驅(qū)動(dòng)橋整體式、輪邊/輪轂電動(dòng)機(jī)。四種電驅(qū)動(dòng)總成的特點(diǎn)見表1。表1

四種電驅(qū)動(dòng)總成的特點(diǎn)電動(dòng)車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是電動(dòng)車中最關(guān)鍵的系統(tǒng)，電動(dòng)車運(yùn)行性能主要決定于電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的類型和性能。電動(dòng)車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)一般由牽引電動(dòng)機(jī)、控制系統(tǒng)（包括電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器、控制器及各種傳感器）、機(jī)械減速和傳動(dòng)裝置、車輪等構(gòu)成。它有四種組合形式，分別為機(jī)械驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、機(jī)電集成化驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、機(jī)電一體化驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)及輪轂電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。四種驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的特點(diǎn)見表2，幾種典型的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)如圖1所示。表2

四種驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的特點(diǎn)圖1

典型的電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)隨著中國(guó)新能源汽車銷量的逐步增加，電動(dòng)化將催生電驅(qū)動(dòng)總成成為繼電池系統(tǒng)之后的第二個(gè)賽道，預(yù)計(jì)2025—2030年中國(guó)新能源汽車電驅(qū)動(dòng)市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到866億～1572億元。縱觀全球新能源汽車研發(fā)方向，由于受到車輛空間限制和使用環(huán)境的約束，電動(dòng)汽車對(duì)電驅(qū)動(dòng)總成提出了更高的要求：①更高的性能，低速大扭矩，寬恒功率等。②耐環(huán)境溫度更高，壽命更長(zhǎng)，噪聲更低。③耐高強(qiáng)度振動(dòng)，結(jié)構(gòu)堅(jiān)固，質(zhì)量輕，體積小。④成本低。⑤參與整車熱管理。3

電動(dòng)機(jī)美國(guó)汽車行業(yè)指定了電動(dòng)機(jī)發(fā)展路線圖，到2025年效率＞97%，功率密度5.7kW/kg，成本3.3$/kW。按照這樣的發(fā)展方向，今后電動(dòng)機(jī)的改進(jìn)有以下幾方面。3.1

發(fā)卡電動(dòng)機(jī)——Hair-pin扁線電動(dòng)機(jī)技術(shù)相對(duì)圓線電動(dòng)機(jī)，采用Hair-pin扁線電動(dòng)機(jī)（見圖2）可以明顯減小電動(dòng)機(jī)體積、減輕電動(dòng)機(jī)質(zhì)量、增加電動(dòng)機(jī)功率密度及轉(zhuǎn)矩密度。通常可將槽滿率提高至70%以上，超過(guò)普通繞組20%～30%，有效降低繞組電阻，從而降低銅耗，產(chǎn)生更強(qiáng)的磁場(chǎng)強(qiáng)度，提升電動(dòng)機(jī)功率密度。扁線之間接觸面積大，可提高散熱效率。繞組端部更短，可以降低電動(dòng)機(jī)端部空間用銅量15%～20%。圖2

Hair-pin扁線電動(dòng)機(jī)3.2

永磁同步電動(dòng)機(jī)永磁同步電動(dòng)機(jī)（見圖3）的優(yōu)勢(shì)是體積小、質(zhì)量小、功率密度高、運(yùn)行效率高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊、扭矩大且平順、調(diào)速性能好。劣勢(shì)是弱磁控制問(wèn)題、反電動(dòng)勢(shì)及高溫振動(dòng)環(huán)境下的退磁問(wèn)題[3]。a）永磁同步電動(dòng)機(jī)磁場(chǎng)

b）永磁同步電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)

c）永磁同步電動(dòng)機(jī)立體結(jié)構(gòu)圖3

永磁同步電動(dòng)機(jī)1—機(jī)座

2、11—軸承

3—轉(zhuǎn)子鐵芯

4—后端蓋

5—三相繞組

6—定子鐵芯

7、9—冷卻水管接頭

8—接線盒

10—前端蓋

12—軸轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與定子磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速保持同步。降低定子、轉(zhuǎn)子的鐵耗也非常重要，定子、轉(zhuǎn)子硅鋼片內(nèi)部會(huì)因?yàn)殡娏鞔艌?chǎng)等變化而產(chǎn)生渦流，為了減少這部分的渦流損耗，硅鋼片的厚度越來(lái)越薄，從0.35mm降到0.3mm以下。為了優(yōu)化電動(dòng)機(jī)內(nèi)部的磁場(chǎng)分布，提高電動(dòng)機(jī)效率，針對(duì)轉(zhuǎn)子鐵芯的磁道設(shè)計(jì)也得到越來(lái)越多的關(guān)注。3.3混合磁鐵技術(shù)混合磁鐵技術(shù)就是用燒結(jié)永磁鐵+永磁體粉末與黏合劑混合。美國(guó)LucidAir公司電動(dòng)機(jī)每英里的能耗為218W·h，特斯拉ModelS每英里能耗為250W·h，續(xù)航里程美國(guó)LucidAir公司超過(guò)特斯拉ModelS100余英里（1英里=1609.344m）?；旌洗盆F技術(shù)把一切空間利用到極致，磁鐵填滿所有的空隙。釹鐵硼燒結(jié)永磁體是難加工成異型的，就是在燒結(jié)永磁鐵的基礎(chǔ)上，將永磁體粉末與黏合劑混合，直接填滿整個(gè)空間，既解決磁鐵固定的問(wèn)題，又增加了磁通量，如圖4所示。圖4

混合磁鐵技術(shù)3.4碳纖維套筒高轉(zhuǎn)速隔磁橋的設(shè)計(jì)一直是難點(diǎn)，轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速大，離心率大，轉(zhuǎn)子邊緣的部位容易受壓破裂。如果加厚隔磁橋，會(huì)產(chǎn)生閉合磁場(chǎng)，在轉(zhuǎn)子內(nèi)部，沒有與定子磁場(chǎng)產(chǎn)生相互作用，磁場(chǎng)就會(huì)浪費(fèi)，效率被限制，產(chǎn)生鐵耗、增加發(fā)熱，高熱加劇轉(zhuǎn)子的膨脹和解體的風(fēng)險(xiǎn)。特斯拉在電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子上增加了碳纖維保護(hù)套，其核心作用是加強(qiáng)電動(dòng)機(jī)和轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，防止高速工況下永磁鐵的脫落。特斯拉碳纖維轉(zhuǎn)子如圖5所示。圖5

特斯拉碳纖維轉(zhuǎn)子3.5油冷卻隨著電動(dòng)機(jī)功率密度和轉(zhuǎn)速的不斷提升，以及集成化使單體部件體積逐漸縮小，傳統(tǒng)電動(dòng)機(jī)的風(fēng)冷或者外殼水冷方式已經(jīng)無(wú)法滿足散熱需求，油冷電動(dòng)機(jī)技術(shù)路線逐漸興起。冷卻油可直接與電動(dòng)機(jī)發(fā)熱部件接觸，散熱效率高于傳統(tǒng)的水冷和風(fēng)冷，且油介質(zhì)具有絕緣性好、介質(zhì)常數(shù)高、凝固點(diǎn)低和沸點(diǎn)高等優(yōu)勢(shì)，可提升電動(dòng)機(jī)的效率密度。對(duì)原有的熱管理系統(tǒng)進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，將電動(dòng)機(jī)腔體和減速器打通，然后通過(guò)電子油泵或機(jī)械設(shè)計(jì)，使減振器內(nèi)部原有的冷卻潤(rùn)滑油能夠進(jìn)入到電動(dòng)機(jī)內(nèi)腔，實(shí)現(xiàn)定子、轉(zhuǎn)子的物理降溫。另外對(duì)油品的性能和清潔度有更高的要求。扁線油冷電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子如圖6所示。a）轉(zhuǎn)子外部冷卻示意

b）轉(zhuǎn)子芯部冷卻示意

c）定子噴淋冷卻示意

d）定子槽內(nèi)冷卻示意圖6

扁線油冷電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子4

二級(jí)變速器電動(dòng)車電動(dòng)機(jī)的工作范圍廣，轉(zhuǎn)速一般在0～20000r/min，甚至可以達(dá)到30000r/min。相對(duì)來(lái)說(shuō)，中低轉(zhuǎn)速的情況下，電動(dòng)機(jī)的扭矩非常足，工作效率相對(duì)較高；在高速的情況下，電動(dòng)機(jī)的效率和扭矩則會(huì)急速下降。而二級(jí)變速器的作用就是使電動(dòng)機(jī)盡量工作在高效率的轉(zhuǎn)速區(qū)間，從而降低損耗，提高續(xù)航里程，可節(jié)省的電量高達(dá)13%。二級(jí)變速器的電動(dòng)機(jī)效率如圖7所示。圖7

二級(jí)變速器的電動(dòng)機(jī)效率5

高壓化美國(guó)汽車行業(yè)三電控制器發(fā)展路線圖中提出，到2025年電控效率＞98%，密度100kW/L，成本2.7$/kW。對(duì)于電動(dòng)車來(lái)說(shuō)，高壓化可大大減少同等功率需求條件下電驅(qū)動(dòng)總成內(nèi)組的損耗，提高系統(tǒng)效率，繼而可進(jìn)一步減少達(dá)成同樣續(xù)航里程條件下的電池電量。減少電池成本的同時(shí)降低整車質(zhì)量。另外，高壓化還能提高充電效率。因此，提高電動(dòng)車整車電壓至800V，甚至1000V是行業(yè)的發(fā)展方向。例如保時(shí)捷Taycan是首款800V高壓平臺(tái)的量產(chǎn)車型，同等功率下，當(dāng)電壓從400V提升到800V時(shí)，工作電流將降低一半，進(jìn)而線束體積、功率損耗均有下降。與奧迪e-tron400V電壓平臺(tái)對(duì)比，系統(tǒng)能耗損失降低5%，續(xù)航里程增加10%，質(zhì)量減少20%，系統(tǒng)尺寸優(yōu)化30%，其中電動(dòng)機(jī)尺寸可優(yōu)化35%。6

電驅(qū)動(dòng)總成制造技術(shù)電驅(qū)動(dòng)總成不斷發(fā)展，其新的制造技術(shù)主要圍繞輕量化、高速化、低噪聲及一體化。6.1

一體化壓鑄三電系統(tǒng)通常占新能源汽車質(zhì)量的30%～40%，因此三電系統(tǒng)是新能源汽車輕量化的主要方向。與傳統(tǒng)汽車相比，新能源汽車三電系統(tǒng)將導(dǎo)致整車質(zhì)量增加，三電系統(tǒng)會(huì)額外增加200～300kg的質(zhì)量。新能源汽車動(dòng)力總成系統(tǒng)比傳統(tǒng)燃油車重1.5～4.0倍。目前三電系統(tǒng)的電子殼體、電動(dòng)機(jī)殼體、電控殼體、電池構(gòu)件及電池箱都在使用鋁壓鑄產(chǎn)品，雙電動(dòng)機(jī)桶和電控殼體如圖8、圖9所示。圖8

雙電動(dòng)機(jī)桶

圖9

電控殼體6.2強(qiáng)力珩齒由于電動(dòng)車中電動(dòng)機(jī)要求更高的轉(zhuǎn)速——15000～30000r/min，更嚴(yán)苛的噪聲限制NVH（噪聲、振動(dòng)與聲振粗糙度），更高精度的動(dòng)力齒輪要求——4～5級(jí)，更高的波紋度和表面粗糙度，更高的幾何公差來(lái)降低不穩(wěn)定性，所以要采用強(qiáng)力珩齒工藝。強(qiáng)力珩齒工藝的特點(diǎn)是機(jī)床對(duì)于磨齒具有更小的退刀間隙，齒面加工為魚刺紋，區(qū)別于傳統(tǒng)磨齒的直線型紋路，此外具有更好的NVH特性，降低噪聲，適合高速旋轉(zhuǎn)的電動(dòng)機(jī)軸。6.3行星齒輪錐齒輪結(jié)構(gòu)跟傳統(tǒng)的差速器差別很大，采用行星齒輪可實(shí)現(xiàn)小型化，多個(gè)外部齒輪繞著中間齒輪旋轉(zhuǎn)，行星齒輪承載能力大、體積小，多個(gè)行星齒輪相互配合作用，每個(gè)齒輪傳動(dòng)之間的效率損失只有3%，幾乎無(wú)反沖。行星齒輪如圖10所示。行星齒輪加工工藝流程為：鍛造→車削→強(qiáng)力刮削→熱處理→磨孔珩孔→平面磨→珩齒→清洗。圖10行星齒輪6.4切削技術(shù)電動(dòng)機(jī)是新能源汽車的核心部件，其制造要求高精度、高效率和高可靠性，特別是切削精度直接影響汽車的質(zhì)量。很多刀具企業(yè)針對(duì)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)殼可提供整體解決方案，例如森泰英格的鏜刀（見圖11）采用合金鋼整體輕量化設(shè)計(jì)，刀體質(zhì)量控制在18kg以內(nèi)，多臺(tái)階PCD導(dǎo)條式可調(diào)鏜鉸刀，多切削刃，內(nèi)冷設(shè)計(jì)。相較于單刃鏜刀，可提高效率6倍以上。另外森泰英格自主研發(fā)的可轉(zhuǎn)位強(qiáng)力車齒刀（見圖12），采用高剛性精密定位接口技術(shù)和復(fù)合基多熵納米涂層技術(shù)，刀片耐磨性更好，壽命更長(zhǎng)。圖11

鏜刀

圖12

車齒刀電動(dòng)機(jī)軸花鍵的加工方法有很多，以往主要采用車削、銑削、滾切和磨削等加工方法。滾軋刀通過(guò)數(shù)控機(jī)床進(jìn)給的優(yōu)點(diǎn)是刀具可以在任意位置切入工件，而不像傳統(tǒng)的搓齒工藝工件成形圈數(shù)受齒條長(zhǎng)度限制。如圖13所示為恒鋒工具股份有限公司開發(fā)的滾軋刀。

圖13

滾軋刀隨著電驅(qū)動(dòng)的一體化，電動(dòng)機(jī)軸最受青睞的加工方式還是冷擠壓成形工藝，冷擠壓的工件尺寸準(zhǔn)確、強(qiáng)度高。從生產(chǎn)廠家角度講，冷擠壓工藝節(jié)約材料，生產(chǎn)效率高，適用面廣。7

結(jié)束語(yǔ)目前驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)呈多樣化發(fā)展，美國(guó)傾向采用交流感應(yīng)電流電動(dòng)機(jī)，優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠、質(zhì)量輕，但控制技術(shù)較復(fù)雜。日本采用永磁直流電動(dòng)機(jī)，優(yōu)點(diǎn)是效率高、