本文基于一款新能源乘用車驅動系統(tǒng)高度集成化的開發(fā)需求，研發(fā)了一款三合一電驅動系統(tǒng)，闡述了該驅動系統(tǒng)的結構方案及電氣原理，介紹了系統(tǒng)冷卻方案，并針對系統(tǒng)的散熱性能進行熱仿真分析研究，最后制作樣機進行臺架測試，測試結果表明，本文設計的三合一電驅動系統(tǒng)具有良好的輸出性能。

1 結構設計與電氣原理

1.1 集成結構設計

如圖1所示，電機、控制器、減速器構成了三合一電驅動系統(tǒng)總成開發(fā)的關鍵技術。驅動電機的核心結構由定、轉子組件構成，關鍵材料包括鐵心材料、永磁體、電磁線、高速軸承和位置傳感器等；控制器的核心結構由半導體功率器件、直流支撐電容、集成電路芯片及軟件架構等構成；減/變速器關鍵技術主要包括齒輪及軸系、密封與潤滑、離合器、執(zhí)行機構、駐車系統(tǒng)等。

圖1 三合一電驅動系統(tǒng)關鍵零部件 電驅動系統(tǒng)的技術指標：峰值功率55 kW，峰值轉矩150 N·m，最高轉速10 000 r/min。本文設計的三合一電驅動系統(tǒng)整體結構如圖2所示，驅動電機前端與減速器連接固定，電機控制器安裝于電機與減速器的上方，此方案集成度高，整體體積較小。同時，冷卻技術作為三合一電驅動系統(tǒng)開發(fā)的核心，本文將控制器冷卻液出口與電機冷卻液入口集成設計，實現(xiàn)了控制器散熱水道與電機冷卻水道的一體化設計，使得整個產(chǎn)品成本更低、散熱效果更好。

圖2 三合一電驅動系統(tǒng)結構示意圖

1.2 IGBT模塊選型

控制器結構如圖3所示，IGBT作為核心功率器件，其關鍵控制要素包括參數(shù)及可靠性要求、過流和短路保護、過電壓保護等。因此，IGBT選型要綜合考慮其自身的輸出效率、控制器運行峰值電壓及驅動電機最大反電動勢等條件。根據(jù)技術指標進行計算評估，控制器持續(xù)工作電流需達到210 A，故選用斯達HP1 IGBT模塊(型號：GD400FFX65P3S)。

圖3 電機控制器結構示意圖

1.3 電機定、轉子結構設計

為滿足技術指標的要求，定、轉子結構需要經(jīng)過反復的設計、仿真分析與校核。最終經(jīng)過計算分析確定鐵心規(guī)格：外徑180 mm，長度125 mm。電機機殼采用低壓鑄造成型，機殼內(nèi)部自帶螺旋式冷卻水道。驅動電機定、轉子結構如圖4所示。

圖4 驅動電機定、轉子結構示意圖

2 冷卻系統(tǒng)設計 不同于分體式電驅動系統(tǒng)，三合一電驅動系統(tǒng)集成度更高，熱量集中，系統(tǒng)的冷卻設計是三合一產(chǎn)品開發(fā)過程中的關鍵一環(huán)。本文的三合一電驅動系統(tǒng)冷卻水道結構如圖5(a)所示，電機機殼設計有螺旋結構水道，這種結構可以降低流阻，增強對繞組的冷卻效果。電控冷卻水道出口與電機冷卻水道入口集成設計;控制器水道結構如圖5(b)所示，水道內(nèi)設計云朵狀翅片結構以增大該部分的散熱面積，加強對IGBT的冷卻效果。工作時，冷卻液首先由整車冷卻系統(tǒng)進入電機控制器，對電機控制器進行冷卻散熱后再流入電機，對電機進行冷卻，最終冷卻液從電機出水口流出，完成對系統(tǒng)的冷卻散熱。

(a) 系統(tǒng)冷卻水道結構示意圖

(b) 電機控制器冷卻結構示意圖 圖5 驅動系統(tǒng)冷卻系統(tǒng)結構示意 考慮到電機峰值功率只有55 kW，且機殼內(nèi)螺旋式冷卻水道持續(xù)對本體冷卻散熱，根據(jù)經(jīng)驗判斷電機工作過程中不會出現(xiàn)過溫狀況，因此，峰值工況下的IGBT溫升便作為衡量系統(tǒng)熱可靠性的依據(jù)。本文重點針對峰值工況下IGBT的溫升進行了有限元熱仿真分析，以探測IGBT芯片的溫度分布，仿真結果如圖6所示。IGBT芯片最高溫度平衡在148.4 ℃，低于IGBT的長期耐溫要求(150 ℃)，可以滿足產(chǎn)品使用要求。

圖6 峰值工況下IGBT溫度分布

3 三合一系統(tǒng)硬件設計 三合一電驅動系統(tǒng)的電氣原理如圖7所示，控制系統(tǒng)在12 V電源網(wǎng)絡下工作，通過CAN網(wǎng)絡與整車進行通訊，控制器功率部分的逆變單元能夠將直流電轉化為交流電并輸入至永磁同步電動機，控制器成熟的底層配置和軟件算法以及各采樣電路、保護電路，可以確保電機控制器穩(wěn)定工作。 三合一電驅動系統(tǒng)的PCB由控制板和驅動板組成，驅動單元和控制單元之間通過線束通訊，避免高低壓之間的干擾。PCB電路通常集成有通訊電路、溫度采樣電路、電壓采樣電路、相電流采樣電路、轉子位置檢測電路、電源轉換電路、驅動電路以及各保護功能電路等，這些電路組合在一起共同確保整個三合一電驅動系統(tǒng)的正常工作。

圖7 三合一電驅動系統(tǒng)電氣原理框圖

4 樣機性能實驗驗證 為了進一步研究三合一電驅動系統(tǒng)的輸出性能，制作樣機并對系統(tǒng)的輸出特性、效率以及溫升進行測試，測試臺架如圖8所示。

圖8 三合一電驅動系統(tǒng)臺架測試圖

4.1 系統(tǒng)性能測試

在290 V電壓工況下，分別對樣機進行系統(tǒng)輸出外特性、系統(tǒng)效率、系統(tǒng)溫升的測試。 系統(tǒng)輸出特性如圖9所示，三合一電驅動系統(tǒng)在電動和發(fā)電工況下均可以穩(wěn)定輸出峰值功率55kW和峰值轉矩150N·m。三合一電驅動效率測試結果，如圖10所示，電動工況下，系統(tǒng)最高效率為95.5%，控制器最高效率為98%，電機最高效率為97.5%；發(fā)電工況下，系統(tǒng)最高效率為94.5%，控制器最高效率為97.5%，電機最高效率為97.5%。經(jīng)過軟件計算，系統(tǒng)效率大于80%的面積占比81.0876%，控制器效率大于80%的面積占比93.1055%，電機效率大于80%的面積占比91.172 7%。

(a) 290 V電動工況下電機輸出轉矩曲線

(b) 290 V發(fā)電工況下電機輸出轉矩曲線

(c) 290 V電動工況下電機輸出功率曲線

(d) 290 V發(fā)電工況下電機輸出功率曲線 圖9 系統(tǒng)輸出特性曲線

(a) 290 V系統(tǒng)效率

(b) 290 V控制器效率

(c) 290 V電機效率

圖10 系統(tǒng)效率MAP圖

4.2 溫升測試

為確定控制器IGBT在峰值工況下的真實溫升，對樣機做溫升實驗。控制器入水口水溫65 ℃，流量8 L/min，峰值工況下的系統(tǒng)溫升曲線如圖11所示。從圖11中可看出，峰值工況下IGBT內(nèi)檢測到的最高溫度穩(wěn)定在89℃左右，推算芯片溫度在115 ℃以下，滿足使用要求；電機在60 s時間內(nèi)達到最高溫度130 ℃左右，滿足磁鋼使用要求。

圖11 峰值工況下系統(tǒng)溫升曲線

5 結 語

本文針對某款新能源車的開發(fā)需求，設計了一款三合一電驅動系統(tǒng)，詳細介紹了產(chǎn)品的結構設計、電氣原理以及冷卻系統(tǒng)方案，并對系統(tǒng)的冷卻性能做了熱仿真分析研究。最后，制作樣機進行臺架測試，測試結果表明，本文的三合一電驅動系統(tǒng)具有良好的輸出性能。

審核編輯：郭婷