简介
本文基于高集成度新能源客车驱动系统的发展需求，开发了一种三合一电驱动系统。阐述了驱动系统的结构方案和电气原理，介绍了系统的冷却方案，并对系统的散热性能进行了热仿真分析和研究。最后，制作了样机进行台架试验。测试结果表明，本文设计的三合一电力驱动系统具有良好的输出性能。
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结构设计和电气原理
1.1一体化结构设计
如图1所示，电机、控制器和减速器构成了三合一电驱动系统总成开发的关键技术。驱动电机的核心结构由定子和转子部件组成，关键材料包括铁芯材料、永磁体、电磁线、高速轴承和位置传感器等。控制器的核心结构由半导体功率器件、DC支持电容、集成电路芯片和软件架构组成。减速/传动的关键技术主要包括齿轮与轴系、密封与润滑、离合器、执行器、驻车系统等。
图1三合一电力驱动系统的关键部件
电传动系统技术指标:峰值功率55 kW，峰值扭矩150N·m，最高转速10 000 r/min。本文设计的三合一电驱动系统的整体结构如图2所示。驱动电机的前端与减速器固定连接，电机控制器安装在电机和减速器的上方。该方案集成度高，整体体积小。同时，冷却技术是三合一电传动系统发展的核心。本文将控制器冷却液出口和电机冷却液入口合二为一，实现了控制器冷却水通道和电机冷却水通道的一体化设计，使整个产品成本更低，冷却效果更好。
图2三合一电气传动系统结构示意图
1.2 IGBT模块选择
控制器的结构如图3所示。IGBT是核心功率器件，其关键控制要素包括参数和可靠性要求、过流和短路保护、过压保护等。因此，IGBT的选择要综合考虑自身的输出效率、控制器的峰值电压和驱动电机的最大反电动势。根据技术指标的计算和评估，控制器的连续工作电流需要达到210 A，因此选用斯达HP1 IGBT模块(型号:GD400FFX65P3S)。
图3电机控制器结构示意图
1.3电机定子和转子的结构设计
为了满足技术指标的要求，需要对定子和转子结构进行反复设计、仿真、分析和校核。最后通过计算分析确定了铁芯规格:外径180 mm，长度125 mm电机外壳采用低压铸造成型，外壳自带螺旋冷却通道。驱动电机的定子和转子的结构如图4所示。
图4驱动电机定子和转子结构示意图
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冷却系统设计
与分体式电驱动系统不同，三合一电驱动系统具有更高的集成度和热集中度，系统的冷却设计是三合一产品开发过程中的关键环节。本文三合一电传动系统的冷却水通道结构如图5(a)所示。电机外壳采用螺旋水道设计，减少流动阻力，增强对绕组的冷却效果。电控冷却水道出口与电机冷却水道入口一体化设计；控制器的水道结构如图5(b)所示。水道内设计了云形翅片结构，增加了该部分的散热面积，增强了IGBT的冷却效果。工作时，冷却液首先从车辆冷却系统进入电机控制器，然后对电机控制器进行冷却散热后流入电机，对电机进行冷却，最后冷却液从电机出水口流出，完成系统的冷却散热。
(a)系统冷却水通道结构示意图
(b)电机控制器冷却结构示意图
图5驱动系统冷却系统结构示意图
考虑到电机的峰值功率只有55 kW，外壳内的螺旋冷却通道不断向主体冷却散热，凭经验判断电机工作过程中不会出现超温现象。因此，峰值工况下的IGBT温升是衡量系统热可靠性的依据。本文重点对IGBT峰值工况下的温升进行有限元热仿真分析，检测IGBT芯片的温度分布。模拟结果如图6所示。IGBT芯片最高温度平衡为148.4℃，低于IGBT长期耐温要求(150℃)，能够满足产品使用要求。
图6峰值条件下的IGBT温度分布
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三合一系统的硬件设计
三合一电力驱动系统的电气原理如图7所示。控制系统工作在12 V供电网络下，通过CAN网络与整车通信。控制器功率部分的逆变单元可以将直流电转换成交流电，输入到永磁同步电机。成熟的控制器底层配置、软件算法、采样电路和保护电路可以保证电机控制器的稳定运行。
三合一电驱动系统的PCB由控制板和驱动板组成。驱动单元和控制单元通过线束相互通信，以避免高压和低压之间的干扰。PCB电路通常集成有通信电路、温度采样电路、电压采样电路、相电流采样电路、转子位置检测电路、功率转换电路、驱动电路以及各种保护功能电路等。这些电路组合在一起，保证了整个三合一电传动系统的正常运行。
图7三合一电气传动系统电气原理框图
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原型性能的实验验证
为了进一步研究三合一电驱动系统的输出性能，制作样机，测试系统的输出特性、效率和温升。测试平台如图8所示。
图8三合一电驱动系统台架试验图
4.1系统性能测试
在290 V电压下，分别测试了样机的输出特性、系统效率和系统温升。
系统的输出特性如图9所示。三合一电驱动系统在电动和发电两种工况下都能稳定输出55kW的峰值功率和150n·m的峰值扭矩。三合一电驱动效率测试结果如图10所示，在电动工况下，系统最高效率为95.5%，控制器最高效率为98%，电机最高效率为97.5%。在发电条件下，系统最高效率为94.5%，控制器最高效率为97.5%，电机最高效率为97.5%。通过软件计算，系统效率大于80%的区域占81.0876%，控制器效率大于80%的区域占93.1055%，电机效率大于80%的区域占91.172 7%。
(一)290 V电动工况下电机输出转矩曲线
(b)290V发电条件下电机输出转矩曲线
(c)290V电动工况下电机输出功率曲线
(d)290V发电条件下的电机输出功率曲线
图9系统输出特性曲线
290伏系统效率
(b) 290 V控制器效率
(c) 290伏电机效率
图10系统效率图
4.2温升测试
为了确定控制器IGBT在峰值工况下的真实温升，在样机上进行了温升实验。控制器进水口水温为65℃，流量为8 L/min，系统峰值工况下的温升曲线如图11所示。从图11可以看出，峰值工况下，IGBT检测到的最高温度稳定在89℃左右，预计芯片温度在115℃以下，满足使用要求。60 s内电机最高温度约为130℃，满足磁钢的使用要求。
图11峰值条件下系统的温升曲线
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结论
本文根据新能源汽车的发展要求，设计了一种三合一电驱动系统。详细介绍了产品的结构设计、电气原理和冷却系统方案，并通过热模拟分析了系统的冷却性能。最后，制作样机进行台架试验，试验结果表明本文设计的三合一电传动系统具有良好的输出性能。
