電驅動系統的性能評價與發(fā)展趨勢

摘要：電驅動系統作為新能源汽車的主要承載件和傳動件，需要滿足結構集成化、高傳動效率以及高承載能力的要求，其性能將直接影響整車的品質和使用壽命。隨著新能源汽車產業(yè)化進程的飛速發(fā)展，電驅動系統負載強度和運轉速度不斷提升，導致齒輪嚙合沖擊下的敲擊和嘯叫噪聲及扭矩波動下的高頻電機噪聲愈發(fā)明顯。圍繞電驅動傳動部件的質量保障問題，當前行業(yè)內的研究方向正逐步聚焦于多工況條件下整機及零部件多維度的精細化性能分析領域。為探究電驅動系統性能研究的發(fā)展趨勢，系統總結了國內相關研究成果，以期為汽車電驅動系統性能評價體系構建提供參考。

關鍵詞：新能源汽車；電驅動系統；性能評價

0 前言

國家的政策扶持和推動下，新能源汽車及相關產業(yè)發(fā)展迅猛，尤其是新能源汽車整車技術包括動力電池、驅動電機系統、多能源動力總成等在內的關鍵零部件技術取得了顯著發(fā)展。有研究表明，汽車產業(yè)的汽車電動化發(fā)展正逐漸由政策驅動轉向由市場驅動［1］。

圍繞純電動客車和小型純電動汽車，我國目前已形成品種齊全、配套能力較強的產品技術鏈，然而受限于續(xù)駛里程、充電便利性等因素，載貨類卡車的電動化進程相對較慢，尤其是長途商用車其續(xù)航能力為主要技術瓶頸。在工程機械領域，高琦發(fā)［2］總結了純電驅動工程機械的行業(yè)發(fā)展現狀與關鍵技術，強調建立整車實時監(jiān)控系統、開展故障診斷研究的重要性。針對電驅傳動部件的質量保障問題，開展相關部件的性能分析已成為新能源商用車行業(yè)的研究熱點。

1 電驅動系統研究總體現狀

電驅動系統作為汽車的主要承載件和傳動件，需要滿足結構一體化和集成化、傳動效率高、承載能力強等要求，電驅動系統的質量直接關系到車輛的駕駛體驗和使用壽命［3］。電動汽車與傳統內燃機汽車在傳動系統結構及驅動方式上存在差異，傳統車橋不適用于電動汽車，因此電驅動系統的開發(fā)成為各類型汽車整車廠與零部件制造商關注的焦點。李輝等［4］從新能源汽車電驅橋專利的角度，分析了國內電驅動系統的研發(fā)結構和技術路線，為技術創(chuàng)新的研發(fā)方向及市場布局提供參考。田春林［5］分析了電動汽車的驅動方案以及電驅橋系統的常見布置形式，重點分析了商用車領域幾種典型電驅橋的應用案例。在工程車輛方面，蔣立俏等［6］開展了裝載機電驅動系統的設計與仿真研究，以保證裝載機在典型作業(yè)循環(huán)工況下的整車行駛能耗。綜上所述，隨著電驅橋技術的迅猛發(fā)展和廣泛應用，對其可靠性和性能質量的要求也在不斷提升。目前，電驅動系統所應用的車型如圖1 所示。

圍繞新能源汽車的質量保障問題，我國構建了相對完備的標準體系，涵蓋基礎通用、電動車輛整車、關鍵系統與零部件、接口與設施4 大領域，在促進電機產品技術改進，加速安全性提升以及保障有效測試等方面起到規(guī)范和引導作用［7］。然而，在電驅動系統方面，新能源汽車驅動電機轉速范圍較寬，其高負載和高轉速特性容易引發(fā)顯著的齒輪高頻嘯叫噪聲；同時，電機扭矩波動以及齒輪傳遞誤差也可能導致齒輪嚙合沖擊和敲擊噪聲，極大影響了客戶的用車體驗。隨著電驅測試需求的不斷增長，如何在多工況條件下，從電驅動系統的整機、系統到零部件等多個維度開展精細化和層級化的性能分析研究顯得尤為關鍵。

2 電驅動系統性能評價技術

新能源汽車在研發(fā)中通常根據測試分析結果來驗證和補充其理論設計環(huán)節(jié)，以識別并解決設計與制造過程的瓶頸問題，從而改進設計加工中的缺陷，降低新能源汽車新技術的研發(fā)成本。其中，電驅動系統的綜合評價指標主要包括工作溫升、效率、轉矩、轉速等，具體評價指標見表1。隨著汽車技術的不斷突破，實用性能和安全性能的差距逐漸縮小，噪聲-振動-聲振粗糙度（NVH）指標在汽車性能研究領域的重要性逐漸凸顯［8］。作為衡量新能源汽車品質和性能的關鍵指標，NVH 性能影響了汽車產品和品牌的競爭力。因此，本文在關注實用性能的同時，將重點分析針對車輛NVH 性能的相關研究。

2. 1 總成系統

電驅動系統主要由電機和減速器組成，國內已有學者針對電機、減速器以及其他部件的性能問題進行了大量的分析研究，然而研究中通常將各部件分開考察而非將電驅動系統視為整體進行性能分析，因此，無法較好地對應整機試驗結果。針對集中驅動式電動車，方源等［9］開展了動力總成的振動噪聲整車試驗研究，識別各主要激勵源對振動噪聲的貢獻程度，并從心理聲學角度分析動力總成的聲品質特性。于蓬等［10］開展了純電動車的整車振動試驗，分析激勵階次、傳遞路徑等振動特性，并與傳統內燃機車輛進行比對，匯總并分析了新能源汽車動力總成傳動系統的常見振動問題。

基于電驅動系統的特性分析，國內學者針對性能評價方法進行了深入研究。周鵬［11］提出了一種基于層次分析的電驅動系統性能評價方法，選取峰值功率溫升、額定功率下最高工作效率、傳動比密度等評價指標并計算相應指標權重，通過設計試驗平臺和測控系統，驗證電驅動系統性能評價方法的可行性。曹志強［12］開展了電驅動總成的噪聲測試工作，通過分析穩(wěn)態(tài)工況與瞬態(tài)工況下的噪聲階次成分，并結合等級評分法，實現噪聲煩躁度的主觀評價與客觀聲品質評價。陳柯序等［13］通過開展動力傳動系統效率試驗獲得電機和變速器的效率數據，并在此基礎上構建神經網絡表征輸入轉矩、輸入轉速、潤滑油溫度、檔位等因素對動力傳動系統效率的影響規(guī)律。俞正才［14］分別采用層次分析法和模糊綜合評價法對NVH 影響因素進行賦權和排序，得到定性和定量分析結果以提升電驅動系統的NVH 性能。雷鳴亞等［15］基于商用車的相關標準，介紹了電驅動系統下線檢測環(huán)節(jié)中的4 項關鍵檢測內容，包括氣密性、總成運轉、NVH 和制動防抱死系統（ABS）方面，并指出仍需開展大量工作以形成電驅動系統檢測的標準規(guī)范。以上研究主要從檢測指標和數據模型等方面對電驅動系統相關性能狀態(tài)進行評價，涵蓋了加減速與穩(wěn)態(tài)轉速等不同工況，相較于單一工況條件相關研究的工作內容更加精細化。

基于仿真和試驗方法的NVH 性能評價研究，包括有限元法、邊界元法和統計能量法等。吳光強等［16］對汽車傳動系統的NVH 相關問題和研究路線進行概述，分析現有主流仿真研究方法的優(yōu)缺點，并簡要介紹了試驗數據處理方面的常用技術。針對純電動客車傳動系統，曾夢媛［17］提出一種基于試驗的振動源及振動傳遞特性研究方法，對特定運行工況下的車內地板、動力總成、電驅動系統和車身進行測試分析，以解決純電動客車的NVH 問題。通過總成系統的集成化性能研究，可以有效地構建整機評價機制，直觀概括地識別整機狀態(tài)，便仍難以對故障源進行精確定位和定量評估。

2. 2 減速器

減速器是電驅動系統的重要組成部分，其性能及壽命對汽車的可靠性和安全性具有重要影響。考慮到速度和效率方面的限制，未來減速器將從固定傳動比向兩檔/多檔傳動比方向發(fā)展，以提升車輛的動力性能和續(xù)航里程［18］。齒輪作為減速器的主要傳動零部件，其性能好壞和壽命決定了減速器的運行狀態(tài)。在齒輪疲勞壽命方面，夏志成［19］根據名義應力法及疲勞累積損傷理論，針對長期處于隨機載荷作用下的主減速器開展齒輪的疲勞壽命研究。皮旭明等［20］分析了純電動汽車減速器的常見故障，涉及驅動電機外特性曲線、驅動電機與減速器連接方式等，并基于仿真與試驗分析，設計了一套提高減速器可靠性的方法。

齒輪系統的動力和NVH 特性直接影響整車性能，降低齒輪傳動系統內部激勵可以有效改善振動和噪聲，提高電動汽車的NVH 性能。侯利國［21］應用階次跟蹤進行電驅動系統NVH 問題定位及振動噪聲激勵源識別，并開展關鍵零部件的仿真模態(tài)分析以及基于表面振速法的噪聲輻射快速仿真分析，以實現電驅動系統NVH 激勵源的多目標優(yōu)化。周長波［22］則基于整體式輕型電驅橋MASTA 模型優(yōu)化齒輪修形方案，仿真得到齒輪錯位量、齒面接觸應力與分布位置以及峰-峰傳動誤差值，并驗證了與實際結果的關聯性。針對減速器傳遞誤差、接觸斑點、軸承座動剛度和模態(tài)等評估指標，上述分析有利于判斷傳動系統零部件之間的耦合作用對于減速器性能的影響規(guī)律，但并未聚焦零部件本身設計與加工等原因導致的故障本質。

2. 3 齒輪

傳動誤差作為評價齒輪嚙合質量的重要參數，是影響齒輪系統振動與噪聲的重要激勵源。隨著齒輪制造水平的不斷提高，國內學者針對齒輪嘯叫和傳遞誤差問題開展了大量研究工作。齒輪修形及參數優(yōu)化工作能夠有效減小齒輪傳遞誤差，被廣泛用于燃油、新能源汽車的變速箱與減速箱的降噪減振，以改善齒輪傳動的平穩(wěn)性［23］。扈建龍［24］研究了基于微觀修形的齒輪傳動系統振動噪聲抑制方法，并建立一種用于電驅動系統振動噪聲臺架試驗的汽車傳動系統公共控制平臺，用于驗證在恒定轉速、恒定轉矩加速、空載滑行、饋電滑行、下線檢測等不同工況下振動噪聲抑制方法的有效性。陳士剛［25］則根據整車系統振動噪聲的試驗測試，探究高頻嘯叫的溯源問題，并從齒輪齒向及齒形參數方面減小齒輪傳遞誤差，以實現電驅動系統的振動噪聲優(yōu)化。

3 結論

新能源汽車的整車動力性、經濟性和舒適性能與電驅動系統疲勞強度、性能參數等關鍵指標密不可分。因此，建立一套不同測試對象共享的動力總成驅動試驗平臺與性能評價方法，對于電動汽車理論技術的發(fā)展，以及技術成果推廣應用具有深遠的影響。結合現狀可知，當下電驅動系統性能研究聚焦于多工況條件下從整機到零部件的多維度精細化性能分析領域。未來電驅動系統的發(fā)展趨勢將更加集成精細化、智能化和多層級化。

（1） 集成精細化。在新能源汽車動力性、經濟性等發(fā)展需求下，電驅動系統呈現出集成化、高速化及高效率的技術趨勢，從而帶來更加精細化的性能評價要求。

（2） 智能化。隨著智能化控制與識別技術的發(fā)展，需要針對驅動電機以及整車的工作性能進行及時準確的分析反饋，并根據自身動力需求進行能源結構調整和動能切換。同時，隨著計算機視覺等技術的成熟，大數據下的智能診斷將成為未來的發(fā)展方向。

（3） 多層級化。通過先進測試技術和檢測設備，采集新能源汽車驅動系統的關鍵零部件數據，并進行數據的管理和實時分析，從整車、系統和零部件等多維度考慮，實現全局到細節(jié)的數據處理和綜合分析評價。

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