博格华纳李斌:电驱动系统开发与集成解决方案

NE时代新能源

阅读 1873    更新于2022-09-30 13:29:00

2022年9月21-22日,由NE时代主办,巨力自动化总冠名,巨一动力、中车时代电气、华域电动、上海电驱动战略合作,华为数字能源、智新科技生态合作的“2022(第二届)全球xEV驱动系统技术暨产业大会”在上海嘉定圆满召开。

在22日的分论坛上,博格华纳电驱动系统开发高级经理李斌分享的是电驱动系统开发与集成解决方案。针对电驱动和能源管理,博格华纳拥有丰富的产品线和扎实的理论研究,更有创新的思路。

以下为现场实录:

今天给大家演讲的主题是“博格华纳电驱动系统开发与集成解决方案”。

内容主要分为三大块内容,第一,博格华纳电驱动产品的介绍。第二,博格华纳系统集成能力的展示。第三,结合一些案例给大家介绍一下博格华纳在整个系统开发过程当中遇到过哪些问题,哪些称之为800V或者高速驱动桥设计方面的亮点。

第一页,左边这块主要是和我们电驱动相关的产品,右边这块主要是和能源管理相关的产品,今天我们话题主要结合在左边这块。从上往下驱动电机、电机控制器、减速箱,既有单档又有两档,还有多模离合器在两档中的应用,下面就是我们今天要介绍的重点,三合一的电驱动桥,最后是我们在一些扭矩管理器方面的应用,包括断开机构、扭矩矢量分配方面的系统集成产品。

这里以三合一系列的产品为例,BW充分执行local for local的原则,从三个子系统的开发,整个三合一电驱动桥的集成,再到供应商的sourcing, 工业化方案的布置与设计到最后实现量产,全部由国内的团队主导和执行,本土化的垂直整合真正做到了产品开发和量产导入的高效性。

这里展示了我们在驱动电机和三合一驱动模块的产品型谱,驱动电机主要两大类,主要分为波绕组,也就是连续绕组电机以及hairpin电机。SW130,正在开发当中,客户是一个全球豪华车乘用车品牌;270已经量产一段时间了。目前我们正在开发过程当中,三合一电驱动桥里面的驱动电机有146、220,这里既有400V又有800V的应用。在介绍三合一电驱动桥型谱之前给大家明确一下,146、180、220代表的不是电机的功率,而是整个定子的外径。三合一电驱动桥命名规则很大程度上还是和电机共平台的,我们沿用了驱动电机平台的定义来定义三合一电驱动桥平台。有IDM 146、180、220,220应用的型谱更多一些,既有400V又有800V,复合冷却、单独水冷、单独油冷。作为电驱控制器来说,我们都是本土化开发、本土化功率器件封装、本土化电机控制器总成组装,从很多年前我们量产的第一代CIDD到运用于双电机混动DHT的双电控再到运用于纯电车型的单电控,这些产品全都是我们国内的工程团队主导产品开发并最终完成工业化量产。

下面看一下减速器产品,一类是平行轴的异轴式,当中这个是平行轴同轴式的,右边是行星排式同轴减速箱的,第一类和第三类目前都在量产当中,第二类是我们的平台设计。总体而言各有各的特点,相对来说平行轴式的结构比较简单,成本比较低,可制造性比较高。行星齿轮式的结构复杂一些,好处是空间可以做得非常紧凑,空间利用率很高,本身体积也很小。

这里给大家展示一下博格华纳对于整个系统开发过程当中针对于不同子系统有哪些初步的方案设计和方案优化的思路。

首先看一下驱动电机方面,以初始的系统spec.作为输入,我们要考虑多维度设计参数和物理特性, 他们会展示出不同的性能表现并最终输出方案的评估结果,比如和电磁方案相关的winding pattern设计,转子结构以及磁铁的排布形式,机械强度,电机的热负荷和冷却形式,NVH相关的探究,最终都会以不同维度的参数来反应出方案设计的合理性,比如电机的输出性能,尺寸,重量,成本以及工业化可行性评估等。力争做到合理的方案,优异的性能以及可接受的成本始终是我们不断进行优化的驱动力。

在控制器方面,作为方案的初步评估以及平台功率模块的选型,需要有一些关键参数作为前期方案评估的输入,比如电压,电流,电压利用率,开关频率以及工作和冷却环境等,对于在特定的工作电压,电流和开关频率下进行开关和导通损耗的仿真,以及基于损耗仿真,前置工况,工作环境和冷却条件下,我们依托于可靠和成熟的温度模型来评估设计可靠性,最后在硬件选型方面,同时配合机械设计的空间实际情况来进行比如说功率模块,母线电容和其他电气元件的选型,这些工作完成以后成为后续进一步进行我们电气以及机械设计的前提。

再看一下减速箱方面的设计思路,在减速箱方面,需要常见输入就是速比,中心距,载荷谱,即输入扭矩和转速等信息,通过FEA来计算各个子零部件在极限工况条件下的应力分布并评估强度方面可靠性,通过循环载荷来计算关键零部件的损伤度和疲劳可靠性。通过流体以及润滑仿真来估算传动效率和用油量以及通过结构模态,齿轮模型和尺寸链的校核来评估NVH相关的性能表现,涉及到齿轮的激励,模态的共振,以及由于传动系的间隙引起的一些瞬态NVH问题。我们在驻车系统和脱开机构方面也有非常成熟的应用,作为一个add-on的子系统添加到减速箱上。

这里也是再次梳理了系统层级的模块化开发的概念,这里所需要强调的是,在三合一的系统结成开发过程当中,我们会把整个集成工作归类会不同的系统feature, 而众多的系统feature会归结为一些重要的物理因素,如流体,热,电气,电磁,机械等,最终将子系统的性能表现反映到整车上,可以是是整个三合一系统效率,即整车在特定循环载荷下的续航里程,由于考量的维度是整车,所以三合一的系统效率,就不再是整个效率map的平均数了,而是基于特定车型,在特定驾驶循环下对应载荷点的加权平均效率了。其次动力性的表现可以是百公里加速能力,热管理方面可以体现为连续坡起能力或者是在持续的前置工况进行急加速的能力。NVH和控制策略也同样将体现在终端用户的体验和驾驶感上。

这个热管理开发流程也是我们博格华纳进行整个油冷系统开发过程当中自己不断摸索不断总结出来的流程。首先,我们需要根据客户的性能要求和电机的平台特性初步定义一个系统冷却的方案,即整个电机有哪些部位需要冷却的,比如说定子,是只有端部冷却还是定子表面也需要冷却,转子是否冷却,冷却油如何进入定子和转子,是主动喷射还是通过油道的形式将润滑油引入需要被冷却的零件内部,减速箱是否也需要主动润滑,减速箱与电机的油道电机的冷却油道如果并行设计与集成等等,这些都是需要事先有所定义的。基于三合一系统的性能输出来breakdown到子零部件的工况要求,比如说为了在某个恶劣工况下,需要计算出各个子零部件在此系统工况的条件下,基于自身的热负荷所存在的发热量,以及他们在一定的前置工况和工作环境下对于冷却的需求。在零部件的三维设计过程当中,我们除了要关注冷却油路的走向,还要重点关于其包络和接口设计需要满足客户的整车空间和接口定义。然后,再进行冷却油路径上的相关子零部件细化设计。油冷组件的选型和开发是与整个系统的热负荷,发热量以及具体的油路设计是紧密相关的。前两个因素相对来说非常容易理解,但同样不容忽视的是,整个油路的压降以及冷却油基于发热体之间的接触面积大小和均匀性也同样决定了整个系统的冷却效率,因为对于油冷的三合一来说,毕竟无法做到每条油路都能独立地控制冷却油流量,只能通过油路结构的合理设计来保证每个发热源的即油冷组件功率的大小,比如电子油泵和热交换器,他们均和系统成本甚至低压能耗有关有关。在这里需要额外指出的一点是,针对于冷却油品的选择也非常关键,因为针对于油冷电驱,冷却油的作用不仅仅在于润滑齿轮,还需要冷却电机,兼容性对于电机的性能和绝缘寿命的影响,黏度对于压降和效率的影响,比热容和热传导系数对于冷却能力方面的影响等等,都起着非常关键的作用。在设计细化后,我们会进行系统的CFD仿真以及三合一层级的系统热测,目的是进行流量和温度场基于仿真和实测结果的对比,并最终对于温度模型进行标定,为下一步的系统优化以及热管理方面的控制策略软件开发建立平台。

前面我也有提到电驱冷却油在整个系统开发过程中的重要性。在这其中,油品兼容性是最基本,但也是最重要的评估项,在进行油品兼容性验证过程中,我们需要从几个维度来定义我们的验证环境,首先是产品的种类,这里面主要包括了在冷却油路径上的产品,比如密封原件,油冷相关的组件以及电机的关键零部件。其次,是测试时间和环境,最后是评价指标,包括零部件和系统层级的评价指标,这里面包括零部件单体的物理特性以及三合一系统层级的可靠性和性能方面的表现。

刚刚讨论了和系统热管理以及润滑油相关话题,这里我们也引出一个和温度相关的耐久可靠性话题,比如定义高温耐久测试的工况,这里简略地介绍下我们对于这个话题的分析和理解,关于整车的应用工况,无外乎两个渠道,第一个是从客户这边过来的官方需求,第二个是我们自己根据经验假设的,并最终和客户达成一致的理解。基于系统的温度模型和设计寿命,我们可以估算出在整个生命周期内,关键零部件工作温度的百分比分布。但是很显然的是,对于高温耐久测试来说,它不可能完全按照实际的产品生命周期来进行, 它一定是一个在满足了一定前提条件下的加速老化过程, 这里面的核心就是基于Arrhennius的物理模型而得出的加速因子。除了一些比如活化能之类的常数之外,这里面最重要的输入就是前面所提到的由三合一温度模型基于整车路谱所得出的温度普,以及高温耐久测试中所定义的工作温度,由此我们可以得到温度普中不同温度下对应的加速因子,最终得出总的耐久时长。这里是我们某一个项目里面的温度分布情况,分别代表了客户端以及我们高温耐久过程中的温度分布情况。

还有轴电流的话题,800V由于更高转速的应用以及引入碳化硅功率模块和开关频率进一步的提高,轴电流的话题是不可忽视的。首先从原理来说,轴电压既有容性电压,由PWM控制产生的共模电压在轴承两端形成的共模电压分量,在相对较大的压摆率下,对于轴承中的寄生电容不断进行高频率的充放电,当轴承两端的电压超过在一定的环境条件下和工况下,油膜本身的击穿电压,这个时候就会引起局部放电从而产生高温灼伤轴承内外圈以及钢珠。另外一方面,由于定子硅钢片,绕组以及壳体之前的寄生电容的存在,导致高du/dt下高频的共模电流经过绕组,定子再到壳体并流出,在这个过程中,由于共模电流产生交变的共模磁通进而感应出高频的环路轴电流,并经过轴承和转子。解决措施从原理上面来说,主要还是分为两大类,即使轴承做成绝缘的,或者是使轴电流的路径绕开轴承,也就是我们常说的绝缘轴承或者是导电装置。那么,此类措施的效果究竟如何,其实还是可以通过轴电压的实测来进行探究的,这也是博格华纳在开发三合一系统中的必要环节,即在不同的设计组合下实测和比较实际的轴电压大小。

关于NVH的开发流程,从最开始我们拿到客户的系统级别的NVH性能,我们会把它拆解到各个子零部件,我们基于现有的一些产品开发的经验对于方案做一个初步评估,看一下是否能满足客户的需求,如果不能满足哪些是我们需要进行潜在的设计优化。进入真正的开发过程,除了定义基本的NVH测试工况,基于测试结果来标定NVH仿真模型,对比台架和整车驾驶舱内的声压级在同等工况下的变化趋势之外,更重要的还是基于可靠的仿真模型来进行方案优化的效果评估,我们毕竟不可能对于每一种优化方案都制作样件来进行台架和整车测试。对于一些涉及NVH的关键技术,我们基于以往的项目,本地的工程团队已经累积了非常充分的工程能力,比如齿轮设计,电磁方案设计,结构模态优化,RPWM控制,主动减振等等。其带来的NVH相关物理特性的分析都可以完全由本地工程团队来完成,包括传递误差及其在不同偏心量下的影响,累积公差带来的瞬态噪音问题, 电磁激励引起的扭矩波动,模态分析,声学分析等,在设计和客观数据评价基本符合预期的情况下,最后还需要通过整车上的主观评价来锁定设计方案。在工业化的筹备过程中,如何保证总成的一致性并做好可靠的追踪对于NVH来说仍然是个重要的话题。定义合适的EOL工况和相应阀值,以动态的方式关注被评价参数与物料批次之间的关系,争取做到尽早识别风险,以确保量产件的一致性良好。

刚刚说了很多产品开发过程当中的理论,用几个例子和大家稍微介绍一下。第一个,这里应该是一级减速齿轮一倍频的啸叫问题,一部分是由激励导致的自身产生的啸叫声,另外一部分是激励导致其他结构件产生的共振。从减小激励源头入手,通过齿轮微观修形来降低传递误差,并降低齿轮自身的啸叫。同时,优化结构,提高模态,降低由齿轮激烈引起的共振。

第二个系统结构方面引起的边频问题。类似的问题较难通过零部件换装或者是交叉测试来逐个排除可疑项,因为这类问题经常和偏心甚至是安装相关,我们通过CAE团队的介入寻找整个结构和装配过程当中哪些是我们的薄弱点,并针对性地增加刚度支撑,同时进行关键齿存的公差控制,最后解决这类问题。

在介绍边频和齿轮之后,也介绍下由控制器开关频率导致的高频噪音问题。对于800V系统来说,高速化肯定是最明显的技术趋势之一,随着转速应用不断升高以及SiC模块应用所带来更高的开关频率可能性,控制器开关频率所导致的伞状阶次噪音的影响也是不可忽视。由于控制器的载波频率通过脉宽调制技术受到正弦波的调制,所以随着转速的升高,其阶次特征是以非零点阶次为起点,经过正弦波频率变化的调制,从而向着基本载波频率的两边散射出去的。而这些阶次的能量会随着转速上升和齿轮或者是电机的主阶次进行相交,从而引起系统的共振。理论上解决途径还是两个,即通过优化其他零部件降低借此耦合的几率,但是很显然,电机和减速箱都有其特征阶次,不可能完全避开。第二个途径就是从控制的角度入手,弱化主阶次的能量。这里,我们是通过RPWM来弱化控制器的载波频率引起的噪音能量,降低自身噪音的同时也弱化了和其他零部件阶次耦合的负面影响。

前面说的几个主要还是以稳态的噪音为主,最后这个是和瞬态有关的,大家从事DHT或者传统的变速箱比如DCT和现在的纯电减速箱,都可能会遇到这类问题,大家对于这类问题的称呼不一样。比如,TTN,rattle, Tip-in/Tip-out等等,但无外乎都是和齿轮敲击有关的瞬态噪音问题。解决方案有三个。第一,对于我们扭矩链上的零部件逐个优化,比如我们减小齿侧的间隙,但是难度很大,因为涉及到的零部件很多,会对我们供应商造成很大的困扰,而且将来生产的一致性也不一定可以得到很好地保证。第二,和客户达成一致,使得扭矩穿越0点的时候把扭矩的爬升率降得低一些,尽可能降低由于扭矩的突变引起震荡的风险。但是MCU的扭矩需求还是受制于整车和VCU上层的扭矩控制策略,降低扭矩爬上率会影响整车的动力性以及油门踏板的响应度,最终反映到整车的驾驶感上。于是我们选择了第三个解决思路,依托于本土强大的系统控制团队的能力,我们开发出了一套主动减振的软件策略,可以根据不同的硬件状态和油门开度进行主动调整,进而彻底解决这类问题。

这些是我今天想和大家分享的,谢谢。

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