140 kW高性能集成式電驅動產品開發

暴杰 趙慧超 李全 王宇 文彥東 胡學偉 郭璐璐 張穎

（1.中國第一汽車股份有限公司 新能源開發院，長春130013；2.汽車振動噪聲與安全控制綜合技術國家重點實驗室，長春130013）

主題詞：電動汽車 電驅動 三合一集成 高性能 高效率 高可靠 低成本 長壽命

縮略語

EMC Electro Magnetic Compatibility

NVH Noise Vibration Harshness

IGBT Insulated Gate Bipolar Transistor

SVPWM Space Vector Pulse Width Modulation

ASIL-C Automotive Safety Integration Level-C

CPLD Complex Programmable Logic Device

FTTI Fault Tolerance Time Interval

SPFM Single-Point Failure Metric

LFM Latent fault Metric

PMHF Probabilistic Metric for random Hardware Failure

1 引言

汽車行業已投產純電動乘用車電驅動系統多為電機、逆變器及減速器分立式設計，技術落后。其特點是：零部件數量和品種多，材料成本高（＞16 000元）；尺寸大、質量重（＞100 kg），整車搭載性差；功率密度低，高速持續行駛和超車性能弱；電驅系統峰值和工況效率低，最高效率91%，整車電耗高；EMC和NVH性能差，與用戶對安全、健康、舒適的品質追求有差距；技術同質化嚴重，整車魅點缺失，因此領先企業爭相研發新一代多合一集成結構的電驅動產品。

綜合國家政策導向、標準法規準入要求、技術趨勢研判以及整車產品戰略規劃，啟動新一代“140 kW高性能電驅動系統”產品自主開發工作。

2 高集成度低成本設計

首創電機、逆變器、減速器三合一軸向集成構型。三合一電驅動系統總重量僅78 kg，電機系統重量僅52 kg，見圖1。

圖1 三合一體集成式電驅動

2.1 總布置設計

通過將驅動電機、減速器和差速器一體化集成，非同軸結構布置，大幅減少零部件數量，縮短軸向尺寸，減少動力損失，提高傳動效率，降低總成重量，裝配容易，可維修性好。采取止口+定位銷的定位方式，殼體之間8 個M8 的螺栓連接，端面之間O 型圈密封，花鍵之間加注潤滑脂，靠O型橡膠圈密封，見圖2[1]。

將逆變器與驅動電機軸向集成，取消高壓線、連接水管、支架等，減少殼體等零件數量，降低成本，逆變器體積僅為4 L，形狀規整，布置靈活性高，適合多款車型搭載；電機端蓋和逆變器主箱體集成，涂膠的密封面數量僅為2個，殼體之間采用2個Φ6定位銷進行定位，6 個M10 的螺栓連接。主箱體即可作為電機端蓋實現支撐電機轉子總成的功能，同時又是逆變器的主箱體，安裝逆變器零部件，提供逆變器冷卻水路，同時直接將逆變器的出水口引入電機，使驅動電機與逆變器的冷卻水路集成。與分立式的設計相比，采用基于冷卻水路共用的設計，減少了冷卻水管數量和冷卻水路水阻，根據不同功能器件的冷卻需求，設計冷卻水路先經過冷卻要求較高的電容和IGBT，再進入電機螺旋水道，實現整機的熱傳導效率最大化，既降低了零件數量和成本（表1），又提高了系統效率[2]。

表1 140 kW電驅動系統成本對比

2.2 零部件設計

通過零部件的結構集成設計和硬件功能的軟件替代，實現小型化、輕量化以及成本優化。

2.2.1 金屬嵌件注塑工藝接線座設計

通過一體化注塑工藝，集成了DC母排、Y電容、Y電容接地母排、高壓互鎖線束和高壓保險部件，同時起到配電，提高所述電機逆變器EMC 性能，以及固定線束的作用。采取一體化注塑方式集成Y 電容與Y電容接地母排，通過螺栓固定保險與DC母排，通過注塑卡扣結構固定線束[3]，見圖3。

圖3 新型金屬嵌件注塑工藝接線座結構[3]

2.2.2 轉子永磁體溫度在線監測

提出了一種永磁同步電機轉子溫度在線估算方法。在不大幅增加硬件成本的基礎上，使用軟件算法估算永磁同步電機轉子溫度。通過檢測永磁同步電機的三相電流、線電壓、轉子位置及速度、定子溫度等變量，可實現對永磁同步電機轉子溫度的實時監控。利用轉子磁鏈與溫度的對應關系計算出永磁同步電機轉子的實際溫度，可以利用轉子溫度對電機轉矩輸出進行補償，同時可以監控電機的退磁情況，在電機有退磁風險時減小電機的輸出功率以保護永磁同步電機永磁體，也為其他需要永磁同步電機轉子永磁體溫度的功能或設備提供溫度數據減少使用溫度傳感器觀測永磁同步電機轉子永磁體帶來的成本的增加及故障率的增加，見圖[4]4。

圖4 轉子永磁體溫度在線監測[4]

其中Tr 為轉子溫度，Ud 為d 軸電壓指令，Uq 為q軸電壓指令，ω為電機轉子電角速度，Ts 為電機定子繞組溫度，id 為電機d軸電流，iq 為電機q軸電流，Δφd為Tn 下d 軸磁鏈值的誤差，Δφq為Tn 下q 軸磁鏈值的誤差。

3 高性能設計

電機峰值功率輸出140 kW，恒功率輸出范圍覆蓋4 092～9 000 r/min，局部轉速點峰值功率輸出能力高達160 kW。以保守140 kW 輸出功率計算，電機有效比功率高達4.1 kW/kg。標稱350 V電壓下，電機系統輸出外特性見圖5。

圖5 電機系統輸出外特性

3.1 高磁阻永磁同步電機性能設計

永磁同步電機設計為8極48槽，殼體設計為螺旋式水道，鐵芯采用0.3 mm高磁感低鐵損硅鋼片沖壓鉚接以降低損耗，定子分布繞組開發耐電暈漆包圓線工藝，轉子基于N42UH高矯頑力釹鐵硼永磁材料V型布置，實現磁阻轉矩占比52%的較高電磁性能。軸端選用低摩擦深溝球軸承，輕質鋁合金板（動平衡G2.5級），鐵芯和動平衡板通過螺母鎖緊，實現12 000 r/min高速機械性能。

3.2 高功率密度逆變器設計

通過設計新型功率電子器件和開發先進電機控制策略，實現逆變器體積為4 L，功率密度達35 kW/L。

3.2.1 新型硅基逆導IGBT

基于新一代車規級IGBT 高功率模塊（富士M653）進行應用技術開發，性能更強，成本更低，安全可靠。采用更高工作結溫175 ℃、適度升壓、逆導芯片、低損耗芯片、芯片集成溫度和電流傳感器（更加智能安全）、低成本散熱器（封閉內置翅片鋁散熱器）等技術，提高輸出能力的同時體積大幅縮小，并可實現更低成本。

3.2.2 超薄膜母線電容定制

定制開發2.7 μm 薄膜母線電容，500 Vdc/500 uF直流母線電容集成母排，體積較上一代縮小10%，功率密度更高，逆變器內部空間利用率大幅提升，見圖6。

圖6 超薄膜母線電容定制技術

3.2.3 電壓矢量過調制

為了進一步增加施加于電機的脈寬調制電壓的基波，創新地提出了電壓矢量過調制控制技術。該技術將SVPWM 的運行范圍擴展到六邊形區域，直流母線電壓利用率同時由1 提升到1.15（結合電壓矢量控制），也就是在母線電壓不變的情況下，電機系統的轉矩和功率輸出能力較之前大幅提高，提升了整個電機系統的功率密度，見圖7。

圖7 電壓矢量控制技術

4 高效率設計

通過綜合采用電磁設計優化、低損耗電工材料、控制策略優化方法，降低系統損耗。其中在電磁設計上，采用分布式短距繞組可有效降低端部高度，使其在低速高扭區間有效降低銅損，結合最優極槽比和轉子斜極設計減小諧波磁場，同步降低雜散損耗，同時采用EV專用高效硅鋼，有效降低高頻鐵損，最終在常規測試條件下，電機系統效率最高達到95.4%（圖8），電驅動系統效率最高達到93%（圖9）。

圖8 電機系統效率MAP

圖9 電驅動系統效率MAP

為了有效降低逆變器損耗，創新地提出了一種全域變載頻控制策略（圖10），該策略在中低速及堵轉工況可自適應降低頻率，減少IGBT開關損耗；在高速工況下，也根據電機轉速有規律的改變控制頻率，降低IGBT 損耗。通過應用變頻控制策略，IGBT 損耗較之前降低了20%，高速區系統效率提高2%，可等效降低電池容量，延長電動車的續航里程。

5 高安全可靠設計

通過硬件架構及其原理設計，應用軟件控制策略開發技術創新、電工材料選型優化方法實現更高安全等級、更可靠耐久、更具魯棒穩定性的性能。

圖10 全域變載頻控制效率提升

5.1 ASIL-C安全等級硬件架構

基于系統功能需求，通過危害分析和風險評估的方式，將避免非預期的扭矩輸出定義為ASIL-C等級的安全目標，圍繞此安全目標進行功能安全架構分析及設計，根據安全機制及關斷回路的設計，并創新地應用英飛凌先進的Tricore 多核處理器，結合CPLD 復雜可編程邏輯器件，來處理故障邏輯的硬件系統架構，系統FTTI 可達到10 ms 以內，故障時能夠快速進入安全狀態；并且為了提高系統的診斷覆蓋率，創造性地設計了傳感器信號的診斷電路，使得系統的單點故障度量SPFM≥97%，LFM≥80%，PMHF＜10-7h-1(100 fit)，集成電源管理及安全監控模塊的電路實現技術，控制電路安全可靠。采用下一代高集成度電機旋變位置處理芯片應用技術，電機位置檢測精度進一步提升[5-7]。

驅動單元硬件隔離電源采用獨立變壓器，降低電源之間的相互耦合；設計有源嵌位和推挽驅動電路，提高IGBT 驅動可靠性；采用ADI 驅動芯片ADuM4138，集成了軟關斷、短路保護、IGBT溫度檢測、電源管理、米勒箝位功能，同時內部集成了推挽電路。

5.2 完善的軟件故障診斷及其保護功能

5.2.1 自適應IGBT過溫保護

發明的自適應IGBT 溫度降額方法，通過軟件多滯環設計，實現不同溫度下的IGBT 保護，提升IGBT使用壽命。具有實施性好、溫度保護效果好及輸出扭矩變化平穩的優點，能在降額保護的同時防止車輛抖動[8]，見圖11。

圖11 自適應IGBT過溫保護策略[8]

5.2.2 傳動系沖擊主動抑制電機控制

提出了一種用于減少傳動系統沖擊的整車鐵軌路（減速帶）極限工況電機降額控制策略。車輛急加速通過減速帶或鐵軌路時，會出現車輪及傳動系統劇烈扭轉振動，振動對減速器有強烈沖擊可減少減速器使用壽命甚至直接損壞減速器。為此開發了一種鐵軌路工況電機降額控制策略，該策略能夠準確地識別出伴隨劇烈轉速波動的加速通過減速帶及鐵軌路工況，并及時減小電機轉矩輸出，防止因為電機大轉矩在劇烈轉速波動情況下對傳動系統（特別是減速器）的沖擊，有效延長傳動系統使用壽命[9]，見圖12。

圖12 傳動沖擊主動抑制控制策略[9]

5.2.3 初始位置角的存儲及其保護

提出一種完整的車用永磁同步電機初始位置角度的讀取和可靠存儲方法。通過內部和外部存儲單元雙備份校驗機制，多種失效分解處理。實現電機關鍵數據可靠存儲。解決電機中存儲的初始位置角度數據容易丟失的問題，實現對初始位置角度數據有效存儲及保護的效果，保證電機在整個生命周期中初始位置角度的正確性[10]，見圖13。

5.2.4 高精度位置傳感器誤差補償

由于永磁同步電機所用轉子位置傳感器因生產、安裝、環境變化等多種原因存在精度偏差，該精度偏差會導致電機出現異常電流波動，影響電機控制的穩定性（以及功率輸出能力）、降低電機效率及NVH 性能。為此開發了一種轉子位置精度補償方法，通過軟件算法識別轉子位置精度偏差并對偏差進行有效補償，提升了轉子位置傳感器的精度。改善電機電流波動情況，提升了電機運行的穩定性、效率及NVH性能[11]，見圖14。

圖13 初始位置角的存儲及其保護策略[10]

圖14 高精度位置傳感器誤差補償策略[11]

5.2.5 同步PWM調制

能夠在過調制PWM 控制中，將施加于交流電機的脈沖寬度調制電壓的基波幅值穩定控制為與相電壓指令振幅相同。該方法對每個相電壓指令周期的三角波載波個數進行控制，即同步數進行控制。同步數根據電機轉速進行確定。通過應用同步控制策略，NVH 性能得到極大優化。提高弱磁區電壓利用率，高轉速大功率控制的穩定性也得到了很大提升。見圖15。

圖15 同步PWM調制

6 整車抖動抑制電機控制

由于齒輪傳動間隙的存在及整車傳統系統的扭轉特性，在駕駛過程中輕踩輕松油門（Tip-in/Tip-out）整車會出現抖動現象，影響整車駕乘感受。為解決該問題，開發了電機防抖控制策略。該控制策略能夠有效地檢測到因齒輪傳動間隙和傳動系扭轉特性而出現的電機轉速抖動，并通過相關算法識別抖動情況，輸出反相轉矩抑制抖動發生。實車試驗證明，該算法能夠有效地抑制抖動發生，明顯提升整車駕乘感受[12]。

開發的參數自適應分工況防抖限幅算法（見圖16），可以對坡道起車、低速Tip-in/Tip-out、平路電爬三種工況進行全覆蓋。經過NVH測試，其主要振動X方向降低為原來的30%，已在X40EV、E-HS9等實車上應用。

圖16 電機主動防抖控制策略

7 自動化標定測試

7.1 系統自動下線測試

根據外部傳感器信號（電流傳感器、角度傳感器等），通過控制一體化電驅動系統輸出指定扭矩，進而判斷一體化電驅動系統能否滿足整機下線條件[13]。

主要功能包括：

（1）扭矩的閉環控制功能，可針對扭矩指令進行閉環控制，保證電機的實際扭矩與指令扭矩在誤差允許范圍內；

（2）轉子位置自動標定功能，可自動進行轉子位置標定，并將標定結果以CAN信號的形式輸出；

（3）轉子位置初始角自動存儲功能，將自動標定得到的結果存儲在EEP芯片中；

（4）診斷功能，在下線過程中，若系統出現故障，可根據故障的嚴重程度，采取有效的故障處理方法。

7.2 轉子位置自動標定

基于轉子電角度與空間電壓矢量的相對關系，提出了初始角智能標定方法。該方法在僅高壓供電情況下，根據外部傳感信號（電流、角度等），通過控制電機位置，判斷位置傳感器的安裝偏差，自動完成初始角標定，無需臺架資源和人為干預，測試結果穩定，測試完成之后，初始角可自動存儲，避免人為記錄誤差。與傳統方法相比，無需測功機和示波器等設備儀器資源，測量精度由電角度±5°提升到±1°，測試節拍由300 s 縮短至20 s 內，大幅提高了生產效率[14],見圖17。

圖17 轉子位置自動標定[14]

8 結束語

未來的電驅動系統在創新發展需求驅動下將逐步由早期的物理集成向深度的電子電氣功能集成，同時高功率密度、高效率、低振動噪聲是車用驅動電機的重點發展方向。

本文重點介紹了三合一電驅動系統產品開發領域的最新成果，深刻總結了所突破的創新技術原理，未來將繼續通過設計優化提升系統集成深度、降低整機損耗，結合電磁性能及結構模態優化提升NVH指標要求，為國內電驅動業務發展貢獻具有競爭力的產品。