博格华纳李斌:博格华纳电驱动平台架构与系统解决方案

NE时代

阅读 2377   更新于 2021-06-24 09:12:03

各位来宾大家中午好,我是李斌,来自博格华纳动力驱动事业部。我今天演讲的主题是“博格华纳电驱动平台架构和系统解决方案”。

我今天演讲的内容主要分为四个方面,第一,博格华纳电驱动产品的介绍。第二,博格华纳系统集成的能力。第三,油冷系统设计。第四,NVH优化方面的一些方法介绍。

博格华纳电驱动产品和平台架构

这一页大致介绍一下博格华纳应用于电动汽车的产品,左边主要是我们电驱动的产品,右边主要是能源管理的产品,我们今天主要关注左边电驱动产品中的三合一电驱动系统。,

说起三合一,很多同仁都知道博格华纳是目前仅有的一家除了在三合一系统拥有系统集成能力之外,还拥有三个子系统包括减速箱、驱动电机以及电机控制器均可实现自研自产的能力,下面把我们驱动电机按照峰值扭矩,峰值功率以及可应用的电压平台做了梳理,蓝色框的是48V驱动电机,HVH146是我们整个高压发卡式驱动电机家族里最小个的电机,图片上所展示的HVH146还带皮带轮,是因为目前在我们工厂量产的HVH146电机主要应用场景是高压的P0电机,300V的电压平台,我们的客户是global的豪华乘用车品牌。对于HVH146来说,除了目前有所应用的P0电机外,他还是一个对于功率和扭矩需求相对较低的驱动电机的最佳选择,目标车型可以是A0级的小车。我们在三个月前刚刚被一个Global的OEM定点为一个小功率的三合一电驱动桥开发和量产供应商,驱动电机的应用正是HVH146。右边比较大个的是其他高压发卡式的驱动电机,包括HVH200和HVH220平台,最右边有HVH320, HVH410和HVH250,目前HVH250和HVH410已经量产,HVH320正在开发当中,绝大部分的客户是Global的豪华商用车品牌。除了高压发卡式的电机外,博格华纳的S-Winding电机,也就是连续绕组电机曾经获得过美国汽车新闻所颁发的PACE奖,目前这类电机主要应用在混动系统中。在控制器方面,今天展示的主要有集成DCDC的CIDD,双电机控制器以及可应用于800V平台下的碳化硅控制器。首先说说CIDD,我们第一代的CIDD早在很多年前就已经实现了量产, 在那之后的几年时间内,我们又有多个项目实现了量产。在安装方式方面也有不同的形式:可以装在机壳上,通过三相线束和电机相连,也可以是以直连的形式用铜排直接和电机busbar相连。附带高压互锁的功能安全。冷却形式是双面水冷。双电控主要还是为带双电机架构的DHT以及高集成度增程模块而开发的,目前也已经是进入了量产的阶段。安装方式和传统的单电控类似,并同样可以集成DCDC。冷却方式和工作温度与单电控类似。作为800V碳化硅控制器,我们在国内外也拿到了好几个开发项目,目前正在开发当中。工作电压范围是400到850V,同时最大输出电流能力为900A。冷却和封装形式和Si基的控制器相似,同样是双面水冷。

博格华纳的系统集成能力

大家大致介绍一下博格华纳系统集成的开发能力,图片左边代表的是目前正在量产的一些产品,当然我们量产的产品还有很多,这只是和三合一有关的一些量产的子系统相关产品。 右边是我们在明年年底或者后年年初会实现量产的产品种类。 对于目前已经量产的高速减速机有平行轴、同轴式的,扭矩容量从2700牛米,3600牛米一直到4000牛米。 对于这些不同布置形式和各种扭矩容量的减速器,博格华纳都有自己开发和生产的经验和能力。 再看左下角的HVH250电机,目前这款电机在商用车和乘用车上都有应用,也是博格华纳很早就实现量产的一款高压发卡式驱动电机,它和上半部分的减速箱集成在一起,就成为我们博格华纳第一代二合一的电驱动桥,在两年前就已经正式进入了量产,目前仍然在不断向外供货当中。 二合一配上硅基400V的控制器,可以成为三合一电驱动桥,现在很多客户对于可以适用于800V电压平台下的产品需求也是非常感兴趣的,对于我们来说仅仅开发400V下的电驱动产品是不够的,我们对于800V系统需求下的减速箱、电机以及碳化硅都做了布局,使系统产品更加符合未来的市场需求。

这里大致介绍一下博格华纳的iDM平台架构,iDM146处于A样开发阶段,客户是一个Global的乘用车OEM。iDM200是一个水冷系统,定子外径相比146更大一些,峰值和持续性能输出更有优势。而iDM220在博格华纳有多个不同的拓展平台,不同的电机叠高,不同的减速箱布置形式,不同的控制器集成位置以及和针对400V和800V不同电压平台的应用促成了其丰富的型谱。

以800V的电驱三合一为例,有了800V整车电压平台的加持,三合一油冷电驱动桥最大轮边扭矩输出能力达到5000Nm以上,峰值功率250千瓦以上。

对于博格华纳来说,我们有着极具市场竞争力的子零部件,在系统集成方面,我们同样有着卓越的工程能力和平台产品。这里给大家大致介绍一下我们的系统优化的思路。首先以系统需求作为输入,以初始的系统spec.作为输入,在电机端,我们要考虑多维度的方案和对应性能输出,比如电磁方案,磁铁排布,冷却润滑和NVH表现等,无论对电机这四个因素改变哪一个或者改变多个,对于电机的整个工程方案有可能都会发生比较大的变化。针对每一种方案,都会有不同的体现形式,比如成本,重量,惯量以及尺寸。如何做到方案的合理性,性能的优异性以及成本的可接受度是我们不断进行优化的驱动力。在控制器方面,关键参数仍然是电压,电流,调制和控制方法以及开关频率,基于电压和电流需求方面的损耗仿真,以及基于损耗和生热进行相应的温度仿真从而估算产品的寿命,最终需要评估的是控制器功率模块的尺寸以及薄膜电容的选型。在减速箱方面,需要的输入是速比,载荷谱,输入扭矩,转速等信息,通过FEA模型计算各个零部件的在各种条件下的应力分布并校核其可靠性,计算它的应力是不是在使用应力范围之内。流体以及润滑仿真需要确保减速箱核心零部件是不是得到充分润滑,NVH仿真同样是减速箱CAE分析工作中的重点。

最终将子系统的性能表现反映到整车上的是整体的能耗,损耗,系统NVH表现,热管理等等。

系统优化过程当中需要重点关注的是成本,效率和NVH表现。为了达到性能优异性、成本性价比最大化、方案合理性目的,我大致整理了一些参数,对于三合一来说,我们需要做到的是在满足客户系统性能输出的前提下,尽量做到子零部件方案设计的合理性和系统的性价比最大化,涉及到的关键参数有电机的电磁方案参数,减速箱的方案和布置形式,齿比的选择以及控制的相电流输出能力等,对于系统优化的目的即做到结构紧凑并降低成本的同时,满足系统的效率,NVH和基本性能表现。那么其实在进行这些参数优化的同时,也会有一些相互制约的因素,比如整车的电压平台,对于电驱动桥输出端最高转速的要求,在不同电压平台和转速范围内的持续性能要求,尤其是在相对较高转速下的持续功率输出要求,控制器的峰值和持续电流输出能力,谐波含量要求等。

对于传动系统,博格华纳积累了很丰富的工程开发的经验。这里大致梳理了一下我们的核心技术点,可靠性、寿命计算、润滑仿真包括导油槽的设计,还有通过仿真来确认减速箱的需要润滑油的量,不能太多也不能太少,太少润滑就不充分了,太多会影响系统的效率对于三合一来说如果也是油冷系统,电机则必须是油冷的,将这个减速箱和电机的油冷系统结合在一起,是考验工程部门系统集成能力的,博格华纳在这方面有着丰富的经验。第二,效率计算方面会涉及到轴承的选型,减速箱油量的需求,包括拖曳和搅油损失评估以及齿轴的排布和设计等。在NVH方面,我们同时考虑瞬态和稳态的问题可能性,降低系统的间隙,并对齿轮进行参数优化设计,进一步提升重合度并降低高速的啸叫,对齿轮进行微观修形并降低传递误差。对减速箱的接口设计,应该尽量做到和整车良好的匹配度以及结构紧凑。针对不同客户的需求,我们也可以集成自主开发的电子驻车机构。

博格华纳的电驱动桥油冷系统的开发能力

这里展示的是我们的一整套油冷系统设计的步骤。作为一个三合一的电驱动桥来说,博格华纳的开发流程如下:首先,和开发其他的产品和系统一样,我们需要客户给到我们这边整个系统级别的设计需求输入以及空间尺寸的要求。第二,在还没有明确定义系统的冷却方案之前需要确认油品的选择,对于油冷系统来说油品很重要,这些性能参数,比如密度,静动态粘度,比热容等,对于后续的CFD仿真起着重要的作用。此外,需要大致草拟一个冷却的方案,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,冷却油如何进入电机,是主动喷射还是引流的形式,电机的冷却油道和减速箱的冷却是否需要集成等等,这些都是需要事先有所了解和判断的。第三,当有了大致的方案和油品确定以后,在一些特定工况下,比如持续工况、峰值工况或者其他严苛工况下,基于系统的性能输出来分解到子零部件的工况要求,从而计算在不同的条件下,各个子零部件存在的发热量,最后得出他们的冷却需求。

油路系统的设计并不是独立存在的,而是始终是和其他产品的设计同时开展的,随着整个系统的三维设计过程当中,应该着重关注冷却油路会经过的那些子零部件的包络和接口设计并和客户的整车空间和接口进行确认,进行三维数模细化设计过程当中需要把油道、油路设计特征考虑进数模,和这个并行进行的可能是其他一些辅件的选型,比如油泵的选型等等。有详细的数模后,才可以做一些仿真工作,包括CFD仿真和压降仿真等等。等到这些仿真完成后要做对比,观察目前的系统设计是否可以提供到子系统所需要的冷却量。如何符合预期,我们可以继续进行下一步的开发工作,包括控制器在热管理方面的控制策略并进行A样件的搭建和冷却性能调试,并对油道的流量进行仿真和实测的对比。如若符合预期则进行系统的性能测试,如有需要,则对系统的冷却需求进行微调和修正从而进入到下一阶段的开发中。对于一个油冷三合一来说,一般分两个回路,一个是油路,油底壳上来的油,经过热交换器,在进入到电机和减速箱之前,需要被进入热交换器的冷却水进行充分冷却;其次就是水路,它在经过对控制器的冷却以及热交换器对于油品的冷却后,到整车的水循环中。这里大致介绍一下整个系统的压降分析,通过油泵,冷却油会进入到集油池,上面有众多的引流,使润滑油进入到不同的零部件,包括电机,并针对对于核心零部件的核心位置进行一些冷却。对于整个三合一来说我们总共有超过20个不同的油道,这里展示的仅仅是其中一个油道的压降分析,我们做的工作远远不止这些,这里只是抛砖引玉。

这是热仿真的线路图,我们还要考虑一些特征来防止上集油池可能会遇到紊流现象,右边那幅图是我们定子的端部,并对其做了温度的仿真,再到整个定子、电机,这里贴了一些温度仿真的照片。

博格华纳的NVH的优化能力

在NVH板块,和油路系统的开发类似。首先需要客户的的需求输入,对于NVH的期望目标是怎么样的。对于NVH来说主要就是瞬态和稳态不同种类的噪音区分对待。对于一些会涉及到NVH问题表现的子零部件,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经验,在进行设计的时候会充分利用这些经验教训,优化零部件的设计,比如齿轮设计,轴承选型,电磁方案设计,控制器的开关频率等。当子零部件的设计成型后,可以有现成的数模进行NVH仿真,比如传递误差,动态啮合力,电磁径向力,扭矩波动,模态分析,声学分析,累积公差分析等,在设计符合预期的情况下,我们可以考虑对样件进行测试,比如模态测试,振动和声压级测试并对实测数据和仿真数据进行对比分析。最后要进行的工作就是在整车上通过主观评价,并以当前状态的件进行EOL工况和阀值的定义,确保量产件的一致性。

接下来介绍电驱动桥端的噪音是怎么一步一步传递到整车的。仿真之后我们可以得到一些特有阶次的声压级,当然,我们需要在半消音室内对于被测件进行NVH测试,并对于NVH仿真模型进行标定,基于标定完的模型,我们可以模拟出10厘米处相同阶次的声压级,此外,我们可以基于整车进行近场的声压级测试,并再次对NVH仿真模型进行标定。最后通过声音传递路径的函数得到理论上这个噪音在整车里面的表现形式。当然了,整车里面会有各种其他的背景声,可以单独在车内驾驶室里采集背景声,把背景声和三合一总成固定阶次的声压级做结合,最后得到整车里面噪音的音频。

最后给大家介绍一下博格华纳本土团队在以往项目里面遇到的问题和解决问题的一些案例。第一个案例是关于齿轮的啸叫,我们优化了齿轮的参数,适度提高重合度,降低传递误差,并对齿轮进行微观修形。对比优化之前和之后的传递误差后,我们发现优化之后,齿轮的传递误差有了明显的改善。在相同的激励条件下,一级齿轮和二级齿轮在WOT工况下一倍频的振动和声压级也得到了明显的改善。第二类问题是关于高速的轰鸣,虽然没有齿轮啸叫那样刺耳,但是仍然让人觉得不适。首先是客户端的测试车上发现了问题,我们NVH的同事采集到实车数据,并对问题件进行了一些交叉测试,但是没有复现问题。然后,我们把可疑件上面的零部件进行了拆解和尺寸测量,也没有发现问题。最后按照理论分析,首先分析采集到的数据,并确认这是输入轴的一阶噪音,我们根据经验推测很有可能是和同轴度、装配等因素相关,单独分析每个零部件并不一定能看出问题,通过CAE的仿真分析,我们确认了一些在径向支撑刚度上可能的不足之处并进行了设计优化,增加了径向支撑的刚度,使这个问题得到解决。最后一个案例是关于模态分析的,有些零部件或者每个零部件在不同的形态下都有不同的模态,当固有频率和电机的固有阶次在特定转速范围内形成耦合时,有可能会形成共振,红色曲线是之前的设计,在某些转速段下会发生共振,红框范围内转子分总成的模态频率和电机特有阶次在某些转速段发生了共振,我们提高了分总成模态,尽量避开那个范围,同时对电机的转子做了斜极设计,大家知道电机本身的径向电磁力引起的NVH是不可避免的,但是基于转子斜级设计可以使电子径向力的激励变小,并对最终的NVH产生明显的积极影响。

最后,博格华纳正“蓄势·前行,加速引领电动出行时代”,谢谢大家!

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