多合一電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理及CAE仿真分析

侯 磊,范旭紅,杜長(zhǎng)虹,陸 焦,邱單丹,劉太剛,肖賀平

(重慶長(zhǎng)安新能源汽車科技有限公司，重慶 401120)

0 引 言

純電動(dòng)汽車是指以車載電源為動(dòng)力，用電機(jī)驅(qū)動(dòng)車輪行駛，符合道路交通安全法規(guī)各項(xiàng)要求的車輛。目前，電動(dòng)汽車研究主要集中在電池、電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、電控系統(tǒng)三大核心部件及電空調(diào)、電制動(dòng)、電轉(zhuǎn)向等輔助系統(tǒng)[1-3]。其中，電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)包括電機(jī)(EM)、減速器(G-BOX)、電機(jī)控制器(IPU)、DC/DC變換器(DCDC)、車載充電機(jī)(OBC)、高壓配電盒(HV-BOX)、整車控制器(VCU)及壓縮機(jī)(ACP)、水泵(PUMP)等外掛件。電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)各組成元件的集成方式?jīng)Q定其能量密度，能量密度對(duì)純電動(dòng)汽車性能影響顯著。因此，電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的高度集成化設(shè)計(jì)顯得尤為重要[4-6]。

國(guó)內(nèi)外主流車企電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)有多種集成形式，包括三合一、四合一、六合一、七合一。國(guó)內(nèi)上汽、廣汽、比亞迪、吉利、長(zhǎng)安等公司有三合一電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，由EM，G-BOX，IPU三部分構(gòu)成；北汽、比亞迪等公司有四合一電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，由IPU，DCDC，OBC，HV-BOX四部分構(gòu)成電控、電源總成，G-BOX，EM分散布置；零跑、北汽等公司有六合一電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，由EM，G-BOX，IPU，DCDC，OBC，HV-BOX六部分構(gòu)成。國(guó)外大眾、特斯拉、奧迪、寶馬等公司有三合一電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，由EM，G-BOX，IPU構(gòu)成[7]；寶馬公司有六合一電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，由EM，VCU，IPU，DCDC，OBC，HV-BOX六部分構(gòu)成；雷諾、日產(chǎn)公司有七合一電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，由EM，G-BOX，IPU，DCDC，OBC，HV-BOX、ACP七部分構(gòu)成。通過(guò)查閱資料及行業(yè)內(nèi)相關(guān)企業(yè)交流可知，國(guó)內(nèi)外電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)集成度會(huì)越來(lái)越高，開(kāi)發(fā)高能量密度電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是大勢(shì)所趨[8-9]。在此背景下，重慶長(zhǎng)安新能源汽車科技有限公司的一體化電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)項(xiàng)目正式立項(xiàng)，旨在打造一款超高能量密度的電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，稱為多合一電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。

1 結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 結(jié)構(gòu)組成

多合一電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由EM，G-BOX，IPU，DCDC，OBC，HV-BOX，VCU，ACP，PUMP共9部分組成，如圖1所示。整體采用四段式結(jié)構(gòu)，分別為減速器左端蓋、減速器右端蓋、電機(jī)定子殼體、電機(jī)后端蓋，其中減速器右端蓋為電機(jī)和減速器共用端蓋。ACP固定在電機(jī)左端蓋上，PUMP固定在電機(jī)右端蓋上。IPU，DCDC，OBC，HV-BOX，VCU布置在控制器系統(tǒng)殼體中，DCDC，OBC布置在同一層，稱之為電源層； HV-BOX和IPU，VCU布置在同一層，稱之為電機(jī)控制層，電源層和電機(jī)控制層共同組成控制器系統(tǒng)，布置在EM正上方。該多合一電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)為原有長(zhǎng)安量產(chǎn)的三合一電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和電源系統(tǒng)的進(jìn)一步集成產(chǎn)品，提高了能量密度和冷卻效率。

圖1 多合一電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)三維數(shù)模

1.2 系統(tǒng)原理

該多合一電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的系統(tǒng)原理圖如圖2所示，主要包括高壓電傳輸、低壓電信號(hào)傳輸、熱量交換、動(dòng)力傳遞等，其中高壓電包括高壓直流電、高壓交流電、家用220 V交流電；低壓電信號(hào)包括12 V直流電信號(hào)、CAN信號(hào)、高壓互鎖信號(hào)、電子鎖位置信號(hào)、制動(dòng)踏板位置信號(hào)等共62個(gè)電信號(hào)。

圖2 多合一電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)原理簡(jiǎn)圖

動(dòng)力電池輸出高壓直流電，經(jīng)過(guò)HV-BOX中疊層銅排將高壓直流電分配成4部分，包括控制器系統(tǒng)內(nèi)部IPU中的INV功率模塊、DCDC模塊，外部的ACP，PTC。INV功率模塊將高壓直流電轉(zhuǎn)換成高壓交流電輸送到EM，驅(qū)動(dòng)EM旋轉(zhuǎn)；DCDC模塊將高壓直流電轉(zhuǎn)換成低壓直流電輸送給12 V蓄電池，實(shí)現(xiàn)對(duì)12 V蓄電池進(jìn)行動(dòng)態(tài)充電，12 V蓄電池輸出低壓直流電給IPU中的INV控制模塊和VCU控制模塊[10]。OBC模塊經(jīng)過(guò)HV-BOX中疊層銅排與動(dòng)力電池相連，OBC可將輸入的家用220 V交流電轉(zhuǎn)換成高壓直流電，輸入到動(dòng)力電池中，此過(guò)程為動(dòng)力電池慢充過(guò)程。

該電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的冷卻水路、PUMP和電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)外部的冷卻控制系統(tǒng)可組成封閉的回路。PUMP為回路中冷卻液循環(huán)提供動(dòng)力，冷卻控制系統(tǒng)完成回路中冷卻液的熱交換，對(duì)電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中EM,IPU，DCDC，OBC進(jìn)行冷卻[11-12]。EM和G-BOX采用機(jī)械連接，通過(guò)花鍵軸、花鍵套結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)動(dòng)力傳遞。

2 數(shù)值建模

2.1 模型建立

將多合一電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)三維數(shù)模進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，導(dǎo)入到仿真軟件中進(jìn)行預(yù)處理，得到模型如圖3所示，利用此模型進(jìn)行有限元分析。

圖3 預(yù)處理模型

2.2 材料屬性

該多合一電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中各部件的材料不同?？刂破鳉んw、上下蓋板、電機(jī)端蓋、減速器殼體及支架的材料為ADC12，定子鐵心材料為硅鋼，電機(jī)殼體材料為A365.0-T6，軸材料為20CrMnTi，屏蔽板材料為Q195，具體的材料屬性如表1所示。

表1 材料及物理屬性

3 CAE仿真分析

3.1 模態(tài)分析

在進(jìn)行模態(tài)分析時(shí)，低階固有頻率對(duì)振動(dòng)影響較大，無(wú)需表示出全部階次下的固有頻率，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)選取前八階模態(tài)進(jìn)行分析。仿真分析結(jié)果表示，一階模態(tài)為108.2 Hz，發(fā)生在控制器系統(tǒng)中屏蔽板(以下簡(jiǎn)稱屏蔽板)處，如圖4(a)所示；二階模態(tài)為157.1 Hz，依然發(fā)生在屏蔽板處；控制器系統(tǒng)的整體模態(tài)發(fā)生在第七階，如圖4(b)所示，大小為437.8 Hz；八階模態(tài)為443.9 Hz，發(fā)生在屏蔽板處。

(a) 一階模態(tài)

(b) 七階模態(tài)

3.2 靜力學(xué)分析

對(duì)多合一電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行靜力學(xué)分析，根據(jù)整車運(yùn)行工況確定載荷值，將其分解到X，Y，Z三軸上，用g的倍數(shù)表示大小，具體載荷值如表2所示。

表2 靜力學(xué)分析載荷值

在此工況下進(jìn)行靜力學(xué)分析，結(jié)果顯示,屏蔽板處的最大應(yīng)力較大，因此結(jié)果分析時(shí)分別表示多合一電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、屏蔽板兩個(gè)部分(下同)，具體結(jié)果如表3所示。

表3 靜力學(xué)分析結(jié)果

由表3可知，在沿Z軸-26g載荷下，多合一電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、屏蔽板產(chǎn)生的最大應(yīng)力最大，分別為13.704MPa和132.162MPa，如圖5所示，均滿足要求。

(a) 多合一電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

(b) 屏蔽板

3.3 掃頻振動(dòng)分析

對(duì)多合一電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行掃頻振動(dòng)分析，輸入頻率、振幅、加速度3個(gè)參數(shù)，確定其中任意2個(gè)參數(shù)，即可進(jìn)行求解計(jì)算。根據(jù)整車運(yùn)行工況確定Z軸方向的振動(dòng)工況，如表4所示，X軸方向和Y軸方向振動(dòng)工況的加速度應(yīng)該減半。頻率25 Hz以下為低頻段，不選取與之對(duì)應(yīng)的加速度[13-17]。

表4 Z軸方向振動(dòng)工況

經(jīng)過(guò)掃頻振動(dòng)分析計(jì)算后，多合一電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、屏蔽板的最大應(yīng)力及頻率如表5所示。

表5 掃頻振動(dòng)分析結(jié)果

由表5可知，多合一電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的最大應(yīng)力為23.440 MPa，如圖6(a)所示，滿足要求。屏蔽板的最大應(yīng)力為254.087 MPa，如圖6(b)所示，大于屏蔽板材料Q195的屈服強(qiáng)度195 MPa，不滿足要求。

(a) 多合一電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

(b) 屏蔽板

3.4 隨機(jī)振動(dòng)分析

對(duì)多合一電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行隨機(jī)振動(dòng)分析，輸入頻率和加速度譜密度(ASD)兩項(xiàng)，根據(jù)整車運(yùn)行工況選取頻率分別為10Hz，100Hz，300Hz，500Hz，2 000 Hz，與之對(duì)應(yīng)的ASD值分別為10 m2·s-4/Hz，10 m2·s-4/Hz，0.51 m2·s-4/Hz，5 m2·s-4/Hz，5 m2·s-4/Hz。仿真分析結(jié)果如表6所示[18-20]。

表6 隨機(jī)振動(dòng)分析結(jié)果

由表6可知，多合一電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)最大3σ應(yīng)力為68.307 MPa，如圖7(a)所示，滿足要求。屏蔽板最大3σ應(yīng)力為268.182 MPa，如圖7(b)所示，大于Q195的屈服強(qiáng)度195 MPa，不滿足要求。

(a) 多合一電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

(b) 屏蔽板

綜上所述，多合一電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)(除屏蔽板外)靜力學(xué)分析、掃頻振動(dòng)分析、隨機(jī)振動(dòng)分析結(jié)果均滿足要求。屏蔽板靜力學(xué)分析結(jié)果滿足要求，掃頻振動(dòng)分析、隨機(jī)振動(dòng)分析結(jié)果不滿足要求。因此，需要對(duì)屏蔽板進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，具體措施如下：

1) 增加屏蔽板安裝孔個(gè)數(shù)；

2) 將屏蔽板的材料更改為Q235，Q235的屈服強(qiáng)度為235 MPa，抗拉強(qiáng)度為375～500 MPa。

4 改進(jìn)后CAE仿真分析

4.1 模態(tài)分析

根據(jù)仿真分析結(jié)果及經(jīng)驗(yàn)選取前十五階模態(tài)進(jìn)行分析。仿真分析結(jié)果表示，一階模態(tài)為58.16 Hz，發(fā)生在屏蔽板處；二階模態(tài)為85.42 Hz，依然發(fā)生在屏蔽板處；控制器系統(tǒng)的整體模態(tài)發(fā)生在第十五階，大小為437.7 Hz，較改進(jìn)前一階模態(tài)和模態(tài)密度均降低。

4.2 靜力學(xué)分析

借用上文中的載荷值作為輸入并對(duì)其進(jìn)行簡(jiǎn)化，取消表3中序號(hào)4、序號(hào)5表示的載荷，具體結(jié)果如表7所示。

表7 改進(jìn)后靜力學(xué)分析結(jié)果

由表7可知，多合一電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、屏蔽板的最大應(yīng)力分別為13.704MPa和170.481MPa，均滿足要求。

4.3 掃頻振動(dòng)分析

借用上文的表4作為輸入進(jìn)行仿真分析計(jì)算，具體結(jié)果如表8所示。

表8 改進(jìn)后掃頻振動(dòng)分析結(jié)果

由表8可知，多合一電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、屏蔽板的最大應(yīng)力分別為23.440MPa和65.752MPa，均滿足要求。

4.4 隨機(jī)振動(dòng)分析

借用上文中的輸入條件進(jìn)行仿真分析計(jì)算，具體結(jié)果如表9所示。

表9 改進(jìn)后隨機(jī)振動(dòng)分析結(jié)果

由表9可知，多合一電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、屏蔽板的最大3σ應(yīng)力分別為68.307MPa和171.309MPa，均滿足要求。

4.5 耐沖擊分析

對(duì)多合一電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行耐沖擊分析，對(duì)其施加半正弦沖擊載荷，載荷值大小分別為沿Z軸方向25g、X軸方向12.5g及Y軸方向12.5g，持續(xù)時(shí)間為6s。評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)為最大應(yīng)力是否滿足σmax≤σb，仿真分析結(jié)果如表10所示。

表10 耐沖擊分析結(jié)果

由表10可知，多合一電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)最大應(yīng)力為21.704 MPa，如圖8(a)所示，滿足要求。屏蔽板最大應(yīng)力為173.414 MPa，如圖8(b)所示，小于Q235的抗拉強(qiáng)度375～500 MPa，滿足要求。

(a) 多合一電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

(b) 屏蔽板

4.6 疲勞分析

借用上文中掃頻振動(dòng)分析時(shí)X，Y，Z三個(gè)方向的輸入條件，分別歷時(shí)8 h；隨機(jī)振動(dòng)分析時(shí)的輸入條件擴(kuò)展到沿X，Y，Z三個(gè)方向各歷時(shí)22 h，將所有結(jié)果疊加作為疲勞分析的最終結(jié)果。結(jié)果顯示，多合一電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)最大疲勞損傷值為5.279×10-4，小于標(biāo)準(zhǔn)值1，滿足要求；屏蔽板最大疲勞損傷值為0.255，大于標(biāo)準(zhǔn)值0.2，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)對(duì)此進(jìn)行評(píng)估認(rèn)為風(fēng)險(xiǎn)可忽略[21-22]。

綜上所述，對(duì)改進(jìn)后的多合一電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)依次進(jìn)行模態(tài)分析、靜力學(xué)分析、掃頻振動(dòng)分析、隨機(jī)振動(dòng)分析、耐沖擊分析和疲勞分析，模態(tài)分析結(jié)果表明，較改進(jìn)前一階模態(tài)和模態(tài)密度均降低，其余五項(xiàng)分析結(jié)果均滿足要求。

4.7 討論

改進(jìn)后多合一電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)模態(tài)分析結(jié)果顯示，一階模態(tài)和模態(tài)密度均降低，帶來(lái)的影響為屏蔽板同整車其他零部件發(fā)生共振的風(fēng)險(xiǎn)增大。針對(duì)該多合一電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)模態(tài)分析結(jié)果進(jìn)行評(píng)價(jià)時(shí)，在目前開(kāi)發(fā)研究階段，尚無(wú)定量的頻率范圍判定優(yōu)劣。因此，目前不對(duì)屏蔽板再次進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，而采取在屏蔽板安裝孔處增加軟墊的方式減小共振風(fēng)險(xiǎn)。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一款由EM，G-BOX，IPU，DCDC，OBC，HV-BOX，VCU，ACP，PUMP共9部分組成的多合一電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)性能的提升和成本的降低。該多合一電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)及屏蔽板的靜力學(xué)分析、掃頻振動(dòng)分析、隨機(jī)振動(dòng)分析、耐沖擊分析、疲勞分析結(jié)果均滿足要求。