AVL-48V高性能六相电机的研制方法

限制全球变暖被设定为未来十年和2050年的主要目标。对于汽车和运输部门，需要低碳足迹的技术来支持目标成就。

即将出台的法规将导致对下一代内燃发动机螺旋桨车辆实现零影响排放的要求，这只能通过电气化发动机和动力系统概念来实现。

考虑到每克二氧化碳节省的成本，与高压电气化动力系统相比，低压附加解决方案可获得类似的结果。为消费者提供电动驾驶体验是目前可用的低压系统的主要缺点，导致消费者接受度降低。为了回答这个问题，如果48V可以以更具吸引力的成本，重量和包装提供广泛的可扩展性以及更有经验的电动驱动功能，则需要了解最先进的48V解决方案的局限性和潜力。因此，提出了需要关注哪些关键领域的问题，以确保在大规模生产中电子驱动系统的恒定高功率输出和效率方面的质量。

通过将电力驱动系统集成到传动系中作为P2，P3或P4解决方案，并能够解耦燃烧发动机，可以实现48V系统的最高二氧化碳减排潜力。这使得车辆能够纯电动和驾驶员体验，类似于高压全混合动力系统。二氧化碳节省与应用，车辆尺寸和混合动力系统架构密切相关。

在AVL Drive™中对具有横向安装的A-D段的前轮驱动车辆进行了系统分析。在模拟研究中，P2混合变型在回收能量方面显示出最显着的潜力。功率额定值取决于CW*A给出的空气阻力方面的车辆形状以及由于储存的动能而产生的车辆重量。

48V电机的主流解决方案将在一代中提供高达25kW的功率额定值，在电机模式下提供高达20kW的功率额定值。功率额定值的差异主要是系统电压的结果。由于储能的内部阻抗，从电池中获取20kW将导致电压下降。向电池供电将导致电压增加，从而导致更高的功率额定值。与图1中的其他拓扑结构相比，使用这种具有20kW的48V系统可实现显著的燃油经济性效益。^【1】

图1.与传统车辆和48V架构相比，WLTC的二氧化碳减排潜力

如果实施消费者视角而不是循环二氧化碳，会发生什么变化？如果消费者对为排放或二氧化碳付费的意愿有限，那么更多的雄心与进入城市而不仅仅是改善电动驾驶体验有关。然而，消费者希望以最低成本获得最大收益，而不会牺牲性能，操控性，车内空间或有效载荷等车辆属性。这样的系统是什么样子的？回答这个问题需要对现实生活中的用例进行分析，例如车 库坡度，需要通过的砖石，需要在-30°C至60°C的环境中使用平均有效载荷为380kg且车辆质量为1250kg的小型车辆电动驱动的距离。

例如，对车辆的内城和日常使用模式的分析导致欧洲环境中的平均电子驾驶范围为22公里。

总体能源需求需要考虑加热/冷却等舒适性和非驾驶功能，其将能源需求增加1.5至2的因子，从而产生5-6千瓦时的可用能源作为要求。

对于C段尺寸和大型车辆重量约为1.500 kg的车辆，车轮水平上的峰值功率要求为25kw-30kw，而用于推进车辆的连续平均功率为5kw，辅助设备如加热/冷却，信息娱乐，头灯，洗涤等平均总计约为1-3kw。（2）对于C段尺寸和大型车辆重量约为1.500 kg的车辆，车轮水平上的峰值功率要求为25kw-30kw，车轮水平上的峰值功率要求为25kw-30kw，车轮水平上的峰值功率要求为25kw-30kw，车轮水平上的峰值功率要求为25kw-30kw，车轮水平上的峰值功率要求为25kw-30kw。图2显示了WLTC城市和真实世界城市驾驶的功率要求的比较。^【2】

图2-WLTC城市和真实世界城市驾驶的比较

考虑到从车轮到储电系统的效率链，电力驱动系统的峰值功率要求为30-35kW。使用LV148中的定义电压限制，需要34V作为最低工作电压。由此产生的30kW时超过880安培的峰值电流需要显着的布线直径以避免电气损耗，显着增加电气系统的成本。

更近距离地观察系统合成，高功率仅用于加速和减速等循环。关键要求是在有限的时间内管理高电流，从而产生有限数量的能量。WLTC的电源引脚分析表明，仅在相当短的时间内需要高功率。

采用驾驶和非驾驶功能的8kW连续功率要求，增加4kW缓冲器以应对不同的车辆变型和未来电源，例如高级驾驶员辅助系统，最大连续功率假设为12kW，导致电流为250至350安培。这是一种可管理的电流，可显着减小布线直径和可用连接器。最大瞬态功率为30-35kW的delta仅需要提供5-10秒。

为了反映从广泛的车辆需求调查中详细阐述的结果，所开发的电机被决定为具有6个极和36个槽的6相永磁同步机(PMSM)，参见图3

该项目的主要设计挑战是高电流额定值，非常高的最大速度到膝盖点，速度比以及低D和Q感应。关于高电流额定值，应最小化相位电阻以减少铜损耗，这对于每台电机来说是常见的，并且避免绕组中的过度电阻电压下降，这对于低压和大功率驱动器至关重要。此外，由于与高压驱动器相比，低压和高电流机器的D和Q电感较低，因此泄漏电感和/或饱和度的每个微亨利[µh]都会对性能产生重大影响。

图3-48VDC的机械尺寸和没有改进的基本效率图

在此开发中评估了机器设计的特殊方面，以最大限度地提高产品质量，例如插槽内的单独电线和海滩布置。下面列出的具有相同直流电阻的三种不同定子线圈线布置被模拟以评估由每个产生的交流电阻。

•径向

•分组

•切向

根据制造可靠性的属性评估，分组选项被认为是最简单的选项。

如图4所示，观察到切向布置具有最低的AC电阻增加，分组布置也具有低增加，而径向布置具有最高的AC电阻增加。布置优化的净效果是，分组期权的铜损降低了62.5%，最大速度下的峰值功率提高了38.5%，切向期权的铜损降低了70%，最大速度下的峰值功率提高了46.2%。电机设计的这方面通常没有详细分析，因为绕组通常被建模为线圈块而不是单个导体。该项目的结果清楚地表明，这是相关的，可以提高性能和效率，特别是考虑到48V系统。

图4-导线布置对相位电阻和效率的影响

为了确保电机质量，定义了几个终端测试项目，如表1所示。反电动势和LCR测试是验证机器的磁通量常数（·Pm），电感(L)，电容(C)和电阻(R)的关键。如果这些值与标称预期值匹配，则生成的单元欠测试不应偏离模拟模型结果，从而偏离标称产品结果。

表1.电机生产线末端测试中的关键相关项目，以确保制造质量和仿真精度

逆变器的重点是以最佳利用超过30kW机械功率的直流电压来驱动机器，逆变器的损耗最小。

逆变器设计为2x3相逆变器，在每个半桥上，4个80V，300A直流额定值和1.1 M·的典型RDS(on)的功率MOSFET并联。结果，AVL逆变器可以处理每相340A(IRMS)峰值和850A瞬态ASC电流的电流。

逆变器的控制SW设计为三相系统。控制来自2x3相的电流之和，并且复 制两个系统的PWM。事实上，这种控制策略可以像三相机器一样控制电动机，除了两个系统的相电流之间的测量偏差保持在~1-2%以下。因此，2x3相系统使机器中的磁场并联，而不是使每个半桥的8个功率MOSFET的电流并联，这几乎无法实现。

由于损耗必须保持较小，特别是在具有高电流且电流控制电压很小的48V系统中，因此选择10kHz的中等PWM开关频率，仅具有500ns的死时间。这允许高达97%的电压利用率，空间矢量调制和增加的功率输出，同时控制保持动态。

由于逆变器集成到E轴外壳中，因此启用了用于逆变器和电机的联合冷却电路，从而减少了接口的数量，从而减少了复杂性和系统成本。热过孔和液体间隙填料可在PCB后部进行高效冷却。图5显示了冷却系统布局

图5-逆变器冷却原理图

在高度集成的系统中，电流和电压的验证提供了通过在电机相周围使用六个Rogowski线圈来解决的挑战。使用这种特殊设备，逆变器的最高效率在16-23kW和2000rpm, 55°C冷却液温度下测量为99.7%，VDC = 48V。

此外，除了集成设计外，还提供逆变器的独立版本，支持其他选项，如机顶盒集成或测试不同的48V机器，用于测试目的，同时具有短的导通时间。

48V可在二氧化碳和排放方面提供可观的效益。48V到更高功率范围的未来可扩展性，使得电子移动出行领域，特别是在小型汽车中，取得更大经济性效益。。

AVL一直非常专注于开发过程的虚拟化。根据这种方法，不仅可以执行开发任务，还可以进行公差研究，目的是定义在生产过程中不易受到公差传播的电子马达设计，并保持关键性能属性。结合有关电动机设计的详细知识，它可以设计或优化机器以实现最高功率/扭矩利用率。这种性能属性与优化设计以最小化公差影响的独特能力相结合，通过使性能关键部件能够在更宽的公差范围内制造并且仍然提供相同质量的最终产品来降低生产成本。

该项目已根据第724095号赠款协议获得欧盟地平线2020研究和创新计划的资金。

1. G. Teuschl, P. Kapus, M. Weissbaeck, T. Pels: "MINIMALEMISSION BA

SIEREND AUF 48V – EIN LEISTBARER EINSTIEG FÜR GRÜNE

STÄDTE", 13th International MTZ Conference on Future Powertrains, Frank

furt/Main (Germany), 2019

2.T. Pels, M. Neumann, Ch. Schmidt, K. Kronfeldner, G. Teuschl: "AVL'S

LOW VOLTAGE HIGH POWER ELECTRIC AXLE SYSTEM", SIA Power

train & Electronics, Paris (France), 2019

全文完~