TMC2023：电驱桥16项关键技术解读

驱动视界 2023-07-16

电驱桥16项关键技术解读。

电驱桥客户诉求：低购置成本、低运营成本、运载能力强、舒适度高、低故障率。

电驱桥关键技术：集成化、高效率、轻量化、低噪音、高可靠性等。

电驱桥发展趋势：

（1）集成化：多合一总成集成、控制器集成；

（2）高效化：高速扁线油冷电机、热管理、多挡位、SiC控制器应用；

（3）高可靠性：载荷谱采集、陶瓷球轴承、高可靠油封；

（4）低成本：平台化规模化应用减重、国产化芯片应用；

（5）智能安全：设计理念满足ECE标准。

1、电驱桥关键技术-高集成化

欧美市场一般不会接受驾驶室后背电池，全都是底置，如果没有集成化电驱桥，底置是很难做到500～600度电的。

（1）高集成设计：轻量化、小型化、高扭矩密度；

（2）拓扑复用：升压充电、电机加热（乘用车的先进技术覆盖到商用车）；

（3）系统优化：高效率、低噪声、低成本。

2、电驱桥关键技术-高效率

商用车是生产工具，高效率意味着生产成本的降低。

从具体技术层面来说，电机设计、齿轮设计、轴承选型以及电机和变速器的匹配以及冷却/润滑设计要实现高效率。

（1）高效电机：基于磁场和温度场，采用扁线电机、超薄硅钢片、低摩擦轴承；

（2）高效电控：基于电路和控制，采用SiC芯片和烧结封装工艺，进行高频动态载波控制；

（3）高效传动：基于结构设计和流体分析，采用低粘度油品、进行低滑移率齿轮设计、采用低搅油损失润滑导油结构；

（4）高效系统设计：基于综合寻优的目标，进行多部件综合寻优的设计，进行遗传迭代和分布式计算的开发。

3、电驱桥关键技术-高转速

商用车的驱动电机转速不断提高，初代重卡电机转速约在2000～3000rpm，比亚迪新规划的电机已经接近2万转，高速电机可以体积做小、效率做高、重量做轻。

（1）电磁方面：电频率VS铁损、转子强度、新材料/新工艺；

（2）机械方面：高转速轴承、高转速油封、动平衡、更高的工艺装配要求；

（3）控制方面：开关频率增加导致IGBT损耗增加，SiC器件应用（效率可以提升2%～3%）、DSP升级、算法更新。

4、电驱桥关键技术-高功率密度

对于双电机构型来说，提高功率密度的结构，其中之一可行的方案，可以通过功率分流来实现，功率分流结构能够显著提高功率密度，比较典型的结构就是双中间轴，包括行星齿轮系统，甚至还有的产品用了差动结构，更复杂，但是提高功率密度的效果更明显，而相应带来的问题是制造和维修的成本更高。

（1）簧下重量对整车的操控性、舒适性影响相对簧上质量影响非常大，而电驱桥是簧下质量最主要的贡献者之一；

（2）对电驱桥而言，质量越大，质心的偏心距越大，由路面传过来的冲击载荷对电驱桥的冲击越大，会导致电驱桥疲劳失效，电驱桥壳体破裂导致漏油是常见的问题；

（3）对重卡电驱桥来说，变速器重量较大，偏置距影响大，针对冲击载荷影响大，最好采用双中间轴和行星轮结构，甚至差动行星轮结构实现功率分流，最大限度提高功率密度，同时要考虑制造和维修成本。

（4）为了满足紧凑空间内的零部件强度要求，需要应用显著提高功率密度的设计。

5、电驱桥关键技术-轻量化

重卡集成电驱桥的重量都接近1吨，对乘坐舒适性和操控稳定性都是新的挑战，轻量化显得尤为重要。

轻量化程度需要考虑材料成本、生产成本等方面，涉及到零件性能、周期、品质、制造、成本等重要因素，需优化合理匹配，寻找轻量化与成本控制均衡的区间，用最小的成本、重量和工艺投入换来最优的安全、NVH、耐久等性能表现，主要从材料、工艺和结构三方面进行提升。

（1）轻量化设计：尺寸优化、形貌优化、结构优化；

（2）轻量化材料：高强度钢材、铝合金、镁合金、非金属材料、复合材料；

（3）轻量化制造：热成型、激光拼焊、辊压成型、液压成型等。

6、电驱桥关键技术-高可靠性

（1）可靠性工作：

用户使用工况数据反馈进行耐久工况定义；

整车总成耐久路试验证优化总成结构设计；

台架总成耐久试验验证进行总成耐久仿真校核。

（2）高集成带来电控/电机/变速箱/车桥多元化试验内容的设计融合；

（3）深度平台化带来不同车型复合型使用需求的设计兼容；

（4）更小的设计余量，对生产制造环节的一致性管控带来挑战；

（5）量身定制化的设计，需大量准确的用户使用工况数据支撑。

7、电驱桥关键技术-高性能材料

（1）高转速、高绝缘、高耐温轴承：电机高速化、高压化发展引发轴承磨损与轴电流腐蚀问题；轴承需具备高转速、高绝缘、高耐温特性；重点攻关高强度保持器技术和绝缘技术；

（2）长寿命高绝缘电磁线：高比功率、高压、高速化对绕组绝缘和散热提出更高要求；绕组需具备高PDIV、耐电晕、高导热特性；重点攻关高耐电晕电磁线漆膜、高导热灌封胶/浸渍漆技术，优化绝缘体系结构；

（3）高性能硅钢片：对驱动高转速、大扭矩、高效率提出更高要求；硅钢片需具备高强度、高磁极化强度、低铁损硅钢片；重点攻关合金冶炼和轧制技术。

8、良好的冷却/润滑能力

（1）为了减小电驱桥空间尺寸和重量，可采用全油冷电机和变速器共壳体集成方案；

（2）电驱桥电机功率大、发热大，变速器结构复杂，如何在紧凑空间内布置所需的油泵、滤清器和散热器等部件，如何进行油路设计，实现良好的大功率电机冷却和变速器润滑，都是巨大挑战。

9、电驱桥关键技术-NVH

相对于传统变速箱或者驱动桥，新能源商用车因为没有发动机的噪音掩盖，齿轮的噪音会相对比较突出；另外在反拖的过程中，倒车齿面的载荷会比较大，这个时候对倒车齿面的噪音也是一个挑战。电机转速越来越高，频率范围越来越广，在高频段容易导致电机和齿轮的啸叫。

另外，如果是双电机中央驱动构型，两条独立的动力路线在最后一级逐渐合流，最后两个小齿轮合流到一个大齿轮，如何实现均载？这是一个问题。

（1）噪声源：多参数化建模、电磁路设计、电机模态、空间阶次、谐波控制、齿轴设计、齿轴修型、接触印记、箱体模态、传递误差；

（2）声传导：振动响应、声辐射。特别是客车，因为卡车不太敏感，而客车产品的声音控制有一定的瓶颈，可以通过一些声音的传导控制。例如悬架，做二次隔震，噪音可以降低10个分贝。

（3）电驱桥NVH具体设计要求举例：

避频设计：避开电机极对数主要阶次8及其倍数，偏差不小于5%，以及轴承的避频；

齿轮重合度和转速相关，3～3.5；

齿轮滑移率＜1.5；齿轮啮合错位量＜70μm（ref）；

传递误差相对传统变速箱大大压缩；

齿轮波纹度的控制，鬼阶次；

安装定位的控制，1、2阶次

10、电驱桥关键技术-行星齿轮系统

（1）行星轮为动轴传动，相对定轴传动，行星轮可以实现更大的速比；行星轮通过多中间轴实现功率分流，从而得到更高的功率/扭矩密度，因此行星轮系统结构紧凑、体积小、重量轻；

（2）行星轮承受扭矩高，为了追求轻量化，行星轮个数多且变形大，行星轮不均载程度增加，因此易出现行星轮和行星轮轴失效；

（3）行星轮所有啮合同阶次，激励和噪音叠加，且随行星架旋转，易出现NVH问题；

（4）行星轮系统体积小、承载能力高的优点，根源是加强了行星轮的承载能力，但随着行星齿轮数量的增加，行星轮之间均载难度越来越大；

（5）电驱桥行星轮结构紧凑、承受扭矩高，齿轮和轴承容易失效，提高行星轮均载是关键，提高行星轮均载的方法：减小制造误差、采用太阳轮和齿圈浮动、提高各构件柔度实现柔性变形、采用柔性销等。

11、电驱桥关键技术-共油设计

为了提高电机效率、降低电驱桥重量及成本，重卡电驱桥会倾向采用高速油冷扁线电机，采用高度集成化设计方案，电机定转子内置进入桥壳，与变速箱部分共用润滑油。

全集成式共油设计：系统整体共用一套润滑系统，且内部所有油路连通；目前，欧洲开发的新一代产品几乎都采用共油设计，且寿命要求40～50万公里不换油，免维护、可靠性要求高，动力性要求更高，高度集成、电动换挡、高NVH要求。润滑系统设计难度较高，且无太多成熟设计经验和标准润滑油品供参考。

共油设计开发难点：

（1）润滑油选择：电机冷却普遍选用粘度较低的润滑油，而变速箱部分主要选用重载润滑油，为了解决此矛盾，传统的电机冷却油及传统重卡桥润滑油均不适用，需重新开发润滑油。

（2）润滑冷却系统设计：为了提高油品保养里程及降低润滑油清洁度，变速箱部分采用强制润滑方案，增加了润滑油路设计复杂性，需进行CFD仿真、温升及润滑台架验证。

非共油设计：电机和变速器为两套独立的润滑系统，且使用的润滑油牌号不同；目前国内主流产品仍然采用非共油设计，但共油设计的趋势已经在重载电驱桥新产品中逐步体现；非共油润滑系统设计难度相对较低，已有相对成熟的设计与油品应用选型经验，且已经过市场检验。

12、电驱桥关键技术-轴电流

（1）共模电压：电机转子轴对地电压；差模电压：电机转子轴两端电压；

（2）轴承电腐蚀主要原因：磁阻不均衡、变频器逆变供电、外界高压电场导致的静电感应等；

（3）解决方案：

左端导电环+右端导电环；

左端绝缘轴承+右端导电环（导电棒）；

左端绝缘轴承+右端绝缘轴承带导电环；

左端导电环+右端绝缘轴承（不能消除差模电压）；

左端陶瓷球轴承+右端陶瓷球轴承（不能消除共模电压）。

13、电驱桥关键技术-电换挡系统

考虑到换挡响应速度及控制精度，普遍采用电换挡方式；无论中央驱动的EAMT变速箱还是电驱桥，狗齿成了大多数换挡系统的设计方案，但是狗齿因其结构特点会存在顶齿风险，延长了换挡时间，所以齿形的选择需要重点关注。

14、电驱桥关键技术-柔性设计

通常来说，我们想提高功率密度、为了提高结构强度，但我们不能通过把各分系统和零部件进行机械加强来进行提高，比如说：轴径大一点、粗一点；齿轮设计得强壮一点，这样当然可以提高可靠性，但是反之，带来功率密度不够的问题。

另外还有NVH的问题，刚性增强以后，同样的齿轮激励或者电机激励，通过传递路径到桥壳上，最终导致桥壳的震动相应会放大。

如果能用一个柔性系统，既可以提高产品的功率密度，又可以减少冲击载荷，包括震动激励对系统的影响，是一举多得。

这就是柔性设计，对柔性系统的设计来讲，对分析的准确性和精度要求非常高，需要有高效精确的计算工具实现柔性系统的设计。

15、电驱桥关键技术-电驱桥布置形式和桥壳设计

对电驱桥来说，整体式桥壳相对可靠，因为传统冲焊、铸钢或者铸铁桥壳的承载能力比较强，相对来说可靠性比较高、维护成本比较低。但是从技术发展的角度，为了尽可能提高功率密度，最好还是用分段式的方案，因为如果分段式方案做得好的话，优化的潜力比较大，可以最大化实现高功率密度、高可靠性，主要的缺点是连接的强度如果设计得不好，或者分析得不够准确的话，是一个潜在的失效问题。

（1）整体式桥壳（单电机）：优势是易于制造并且维护成本低，劣势是偏载问题严重、失效概率高且功率密度偏低，需要在电驱桥设计中着重解决由电机偏载带来的冲击载荷问题。

（2）整体式桥壳（双电机对称布置）：优势是维护成本低且易于制造，可以实现换挡动力不中断；劣势是包络空间有限，布局结构受限；需要重点解决空间寻优。

（3）分段集成式桥壳：优势是功率密度高、可以基于经典的双中间轴均载结构；劣势是分段桥壳需要全新设计，强度/成本/重量是难点。

分段式桥壳承载：分段式桥壳设计，其结构可以更好地进行齿轮箱部分的设计，桥包可以使用铝壳体降低整桥重量，但承载存在一定风险，主要采用CAE仿真及台架试验进行校核验证；

路谱采集：与传统桥相比，电驱桥由于其重量变化，所承受载荷也存在一定的变化，目前主要采用路谱采集的方式转化为仿真输入进行校核。

（4）分布式驱动：优势是容易实现模块化设计，应用场景广泛；劣势是制造成本高；重点需要解决结构紧凑问题、行星齿轮系统布置问题和电子差速控制问题。

16、电驱桥关键技术-方案设计

（1）输入参数和约束

封装尺寸：输入输出位置、封装尺寸限制、悬置位置、润滑系统、换挡系统；

设计目标：齿轮、轴承、轴、连接与密封件；

载荷：载荷谱、滥用工况、外部负载、运行速度；

假设：材料、齿轮等级和光洁度、润滑剂、转子/平衡、错位量。