相较于传统的48V驱动系统，AVL P4构型的电桥布置有其优势所在，该布置可帮助客户实现纯电动驱动模式下的车辆驾驶，同时具备比现行市场上其他系统更优的性能。本文通过一系列用例的定义，对电桥的扭矩和功率需求进行计算。基于此，可得出所需的电桥扭矩速度特性。为了增强市场竞争力，将根据传统四驱后桥的可用布置空间定义目标布置空间，尽可能减少对整车做出修改。诸如电桥轴承支撑、四驱系统车轮半轴等机械接口应可重复使用。此外，可通过共轴设计使布置空间达到最小。电机扭矩和传动比的定义是在电机可用布置空间、电机最高转速（10500 rpm）以及所需电桥扭矩定值（1280 Nm）之间权衡所得出的折中方案。整体速比达9.45时，分为两步，中间轴上配备了解耦元件。该电桥应可支持速度高达130 km/h的动力总成，同时，还能在速度超过130 km/h时从车轮解耦，从而提升整体的效率。为了使功率密度达到同类最佳水平，同时保证较低的扭矩波纹，将采用带分布式绕组的六相电机设计。六相技术使48V系统的电气化水平进一步提升，同时还实现了纯电动驱动功能。逆变器包含2个模块，每个模块分别控制电机的三相绕组并与电桥高度集成，由此在内部实现各路线间的完全连接。逆变器和电机的冷却系统以串联的方式连接。本文将简要介绍 48V 电桥系统，说明技术解决方案以及其特性。未来严格的二氧化碳限值以及传统车辆的地方驾驶限制不仅要求对发动机和变速箱作出改进， 还对动力总成电气化水平的提升提出了要求。相对于现行的 12V 供电系统和高压混动系统解决方案，48V 系统可能是两者间比较具有吸引力的一种折中方案。48V 可实现轻度混动，不仅能通过滑行、增压和能量回收实现高级起停等通用功能，甚至还能够满足有限的电动行驶特性， 同时保证系统的价格经济实惠。如图 1 所示，48V 技术是应对车辆挑战的优质解决方案。
图 1：未来车辆所面临的各类挑战
AVL 正致力于峰值功率达 30kW 以上的 48V 电桥开发，目的是为了在低压系统条件下充分实现混合动力汽车的功能，以适中的成本达到令人惊艳的驾驶性能。相较于传统的 48V 驱动系统，AVL 的新型 P4 构型电桥应能让客户在纯电动驱动模式下驾驶车辆。对比当前市面上所提供的其他系统，该方案对性能提出了更高的要求。为了实现高性能， 需考虑采用新技术。
图 2：未来动力总成所面临的各类挑战
如图2所示，鉴于内城区计划对传统车辆的驾驶施加各种限制，纯电动驱动模式的重要性日益凸显。新的48V电桥不仅能够使动力总成的价格变得经济实惠，还能充分实现驾驶性能，同时也是满足现实二氧化碳排放限值的关键要求。如图3所示，总体而言，48V是降低二氧化碳水平及排放的主流方案。过去，48V方案仅能在轻混和微混车辆上实现，而如今，48V的组件可以支持在强混和插电式混动车辆上的应用，且随着新技术的应用，性能也得到了一定的提升。
图 3：混动化与 48V 系统
如图 4 所示，通过将传动系的电驱动系统与发动机解耦功能相结合，可最大程度地实现 48V 系统的潜力，使车辆实现纯电动行驶，由此降低二氧化碳排放，达到与高压强混系统相近的减排效果。为了使效率达到最高以及实现纯电动驱动，目标车辆的布置应为 P0 或 P4 构型。
图 4：48V 动力总成配置
为了对电桥性能规范进行恰当的定义，本文通过一系列的用例来确定电桥的扭矩和功率需求。本文对以下用例进行定义：
路缘爬坡：由静止开始爬坡，在 120mm 高的路缘处，1 个车轮的倾斜角为 45°（仅限平整路面）。
车辆出库：坡度为 15%（仅限蠕行）。
WLTC 市区工况下的整车零排放行驶（内城区禁令）：22km 行驶里程（欧洲大城市间行驶），最大坡度为 10%。
WLTC 和 RDE 工况下的整车零排放行驶：在零排放车辆模式下完全满足WLTC和 RDE 要求（仅限市区），混动功能支持速度达 130 kph。
四轮驱动行驶：起步能力强化（混合动力汽车模式），低速条件下低 µ 运行。搭载 48V 电桥的目标车辆为 D 级车。表 1 为电桥的基本参数。
表 1：48V 电桥系统规范
项目 | 单位 | 规范 |
目标车辆 |
- |
D 级车 |
电桥峰值扭矩（1s） |
[Nm] |
1260 |
电桥峰值功率（1s） |
[kW] |
31 |
电桥恒定功率 |
[kW] |
15 |
系统正常电压 |
[V] |
48 |
电机最高转速 |
[rpm] |
10.500 |
传动比 |
- |
9,45 |
解耦设备 |
- |
机电 |
电驱动支持最高转速 |
[kph] |
130 |
变速箱架构 |
- |
中间轴 / 共轴 |
润滑 |
- |
飞溅润滑 |
冷却系统 |
l/min @ °C |
8 l/min @ 60°C |
逆变器 |
- |
全集成式 |
如图5所示，所设计的电桥系统要满足目标车辆的布置需求，同时可与传统的四驱后桥相集 成。车辆集成了专门的解耦系统，目的是在低速区最大程度地从电气系统的支持中受益。当速度超过130 kph时，电驱动可从动力总成上解耦，从而避免产生拖曳损失，提升总体效率。
图 5：48V 电桥主尺寸
逆变器和电机采用水冷。冷却系统以串联的方式相连接，但逆变器的冷却出口直接与电机的水套进水口相连，以实现电桥各个元件的最大化集成。
图 6：电机特性
采用带分布式绕组的六相电机，旨在满足低电压水平和低NVH性能下的高功率需求。所采用的电机为永磁同步电机（PMSM），其中带有6个磁极和36个槽，如图6所示。最高转速为10500 rpm。电机定子和转子的叠片选择采用相互粘结的0.3 mm薄钢板，铁损密度低，以便提升电机的热性能和NVH性能。由此，在扭矩最大的区域会产生达到拐点的5.5%（峰值到峰值）的扭矩波纹。电机定子的外径为190 mm，电机的有效长度为150 mm。图6为电机在峰值扭矩达到约140 Nm、峰值功率超过32kW，且受系统内部最大电流限制时所表现出的特性。AVL将高功率电驱动系统设计成六相系统，使其尽可能与绕组回路相平行，从而使电流保持在较低的水平。表 2：电机参数
电机设计 |
| 要求参数 | 仿真参数 |
有效轴向长度 | ≤200mm | 150mm |
定子外径 | ≤200mm | 190mm |
电机扭矩（S2） |
≥135Nm | 142Nm @20°C 136Nm @80°C |
电机最大扭矩条件下的扭矩波纹（S2） |
≤15% | 5.5% @20°C 5.3% @80°C |
电机功率（S2） |
≥31kW | 32.5kW @80°C, 48VDC 26.6kW @80°C, 40VDC |
电机功率（S1） |
≥5kW | 27.6kW @80°C, 48VDC 22.0kW @80°C, 40VDC |
电机最高转速 | ≥10500rpm | 10500rpm |
0.8 mm 直径铜线的槽满率 | ≤42% | 40.1% |
逆变器直流电压 | ≤48V | 36-52VDC |
表2为电机目标值与实际值的对比。电气系统的效率与48V混合动力总成全部潜力的发挥有着最为密切的关联。图7为不同温度条件下的电机效率分布图，该图显示90%以上的高效率区域占比达到75%。此外，鉴于该电机的布置目的是在城市驾驶工况下为车辆提供驱动力，由此， 设计了满足城市驾驶要求的最高效率区域，从而使纯电动行驶的效率尽可能达到最佳水平。
图 7：电机效率脉谱图
变速箱的布置选择采用中间轴共轴设计，以便在有限的后桥布置空间内完成布置。相较于图8 中的其他布置结构，该布置从尺寸紧凑性和轴向宽度的角度而言均为最佳的方案。 中间轴共轴 中间轴偏置 行星齿轮偏置 行星齿轮共轴
图 8：电桥变速箱布置
在定义电机扭矩和传动比时，常常需要从系统可用布置空间、电机最高转速以及电桥扭矩输出所需定值之中寻求平衡点。驱动轴工作所需的扭矩计算值为1260 Nm。在可用布置空间范围内，电机的最大扭矩可达到135 Nm。电机最高转速为10500 rpm。鉴于所设定的目标是在混动模式下使速度达到130 km/h，因此将速比设定为i=9.45，这样可以保证在电桥上产生足以达到性能目标的扭矩，同时提供使速度达到130 km/h的驱动力。若速度超出130 km/h，则电机可通过解耦元件断开与动力总成的连接，从而防止拖曳损失的产生。变速箱设计的概览见图9。
图 9：变速箱概览
图10显示的是AVL的六相逆变器，分别在每个高侧和低侧平行安装4个仙童N型沟道PowerTrench® 场效应管。
图 10:六相逆变器
脉宽调制（PWM）频率达10 kHz的永磁同步电机磁场定向控制由Aurix TC297微处理器替代。扭矩、转速控制以及降额功能将通过CAN实现。完成诸如旋转变压器角度标定和电流传感器标定等服务功能的集成。将逆变器集成到电桥壳体内，由此构成一个逆变器和电机的联合冷却回路，减少接口数量，最终降低系统的复杂性和成本。散热通孔和液态填缝剂可实现印制电路板（PCB）背面的高效冷却。图11为冷却系统的布置图。
图 11：逆变器冷却原理图
在采取上述措施后，AVL逆变器可允许的流经每相的最大电流为340A（Irms），可处理的瞬态短路峰值电流为850A，这对于实现48V电机的高功率输出至关重要。前景展望
为了达到AVL 48V P4构型模块的量产目标，AVL更新了电机设计，精简了电机尺寸并采用发卡绕组，如图12所示。由此，可全面实现定子的产业化生产，提升功率密度，此外，还可使峰值扭矩增加12%左右，使最高转速提升52%，如表3所示。通过采用槽内直接冷却或水套冷却，该电机可在不同的应用中实现模块化运行，由此可潜在的减轻系统重量和减少接口数量， 同时提升性能，将量产成本降至最低。项目 | 单位 | 设计基准线 | 发卡设计 | 优势 |
绕组 | [-] | 0,8mm圆线 | 3 x 2,3mm扁线 |
|
铜线槽满率 | [%] | 40 | 60 | +20% |
有效长度 | [mm] | 150 | 120 | -20% |
外径 | [mm] | 190 | 170 | -11% |
有效材料质量 | [kg] | 27,5 | 20 | -27% |
有效材料体积 | [L] | 3,5 | 2,6 | -26% |
图 12：48V 发卡电机
进一步的改进措施是通过优化拓扑结构强化转子结构。最终设计结果显示，除了惯量大幅降 低、行驶动力有所提升之外，转子面积也减少了27%，减重量达近2kg。转子结构空间的优化使热膨胀拥有更大的自由度，帮助实现极端热工况下的转子冷却和应力释放。图13显示的是相对的材料分布（仿真结果）。
图 13：电机转子结构优化
鉴于48V可为二氧化碳和排放带来诸多益处，因此该方案未来会成为汽车行业中广泛采用的标准。除此之外，系统拓扑结构将转而朝着更多样的动力总成P2和P4构型方向发展。未来，48V的应用将向更高的功率范围拓展，这会使电动汽车的价格变得更加亲民，尤其是小型车。要实现这点，需要仔细研究如何取得高低压系统之间的平衡。凭借高性能的48V电桥系统，AVL能够为未来的动力总成提供经济实惠、高效及智能的解决方案。
作者1：Dipl.-Ing. Christian Schmidt ，变速箱设计项目经理
电驱动系统仿真工程师奥地利AVL李斯特公司
作者2：Dr. Klaus Kronfeldner,专家级开发工程师
德国AVL软件与功能有限公司
参考文献
[1]T. Pels, V. Davydov, R. Ellinger, C. Kaup: "WHERE TO PLACE THE E-MACHINE?", 11th International MTZ Conference on Future Powertrains, Frankfurt/Main (Germany), 2017
[2]G. Teuschl "ANTRIEBSSYSTEMENTWICKLUNG - SCHLÜSSELROLLE INTEGRATION", AVL Electrification TechDay - Affordable E-Mobility, Heimsheim (Germany), 2018.
[3]G. Teuschl, M. Weissbaeck, C. Kaup, P. Kapus, C. Sams: "AN AFFORDABLE APPROACH TOWARDS RDE AND ZERO EMISSION", 37th FISITA World Automotive Congress, Chennai (India), 2018
[4]M. Brendel, G. Teuschl, T. Pels, P. Kapus, C. Sams: "AN AFFORDABLE APPROACH TOWARDS LOCAL ZERO EMISSION", 27th Aachen Colloquium Automobile and Engine Technology, Aachen (Germany), 2018
[5]G. Teuschl, P. Kapus, M. Weissbaeck, T. Pels: "MINIMALEMISSION BASIEREND AUF 48V – EIN LEISTBARER EINSTIEG FÜR GRÜNE STÄDTE", 13th International MTZ Conference on Future Powertrains, Frankfurt/Main (Germany), 2019
[6]U. Stenzel: "REQUIREMENTS OF A HIGH POWER 48V BATTERY SYSTEM FOR FUTURE XEV APPLICATIONS", 11th International Symposium “Advanced Battery Power – Kraftwerk Batterie”, Aachen (Germany), 2019
[7]T. Pels, M. Neumann, Ch. Schmidt, K. Kronfeldner, G. Teuschl: " AVL's Low Voltage High Power Electric Axle System", SIA Powertrain & Electronics, Paris (France), 2019.
全文完~
