電驅(qū)動系統(tǒng)的性能評價與發(fā)展趨勢

摘要：電驅(qū)動系統(tǒng)作為新能源汽車的主要承載件和傳動件，需要滿足結(jié)構(gòu)集成化、高傳動效率以及高承載能力的要求，其性能將直接影響整車的品質(zhì)和使用壽命。隨著新能源汽車產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程的飛速發(fā)展，電驅(qū)動系統(tǒng)負(fù)載強(qiáng)度和運(yùn)轉(zhuǎn)速度不斷提升，導(dǎo)致齒輪嚙合沖擊下的敲擊和嘯叫噪聲及扭矩波動下的高頻電機(jī)噪聲愈發(fā)明顯。圍繞電驅(qū)動傳動部件的質(zhì)量保障問題，當(dāng)前行業(yè)內(nèi)的研究方向正逐步聚焦于多工況條件下整機(jī)及零部件多維度的精細(xì)化性能分析領(lǐng)域。為探究電驅(qū)動系統(tǒng)性能研究的發(fā)展趨勢，系統(tǒng)總結(jié)了國內(nèi)相關(guān)研究成果，以期為汽車電驅(qū)動系統(tǒng)性能評價體系構(gòu)建提供參考。

關(guān)鍵詞：新能源汽車；電驅(qū)動系統(tǒng)；性能評價

0 前言

國家的政策扶持和推動下，新能源汽車及相關(guān)產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅猛，尤其是新能源汽車整車技術(shù)包括動力電池、驅(qū)動電機(jī)系統(tǒng)、多能源動力總成等在內(nèi)的關(guān)鍵零部件技術(shù)取得了顯著發(fā)展。有研究表明，汽車產(chǎn)業(yè)的汽車電動化發(fā)展正逐漸由政策驅(qū)動轉(zhuǎn)向由市場驅(qū)動［1］。

圍繞純電動客車和小型純電動汽車，我國目前已形成品種齊全、配套能力較強(qiáng)的產(chǎn)品技術(shù)鏈，然而受限于續(xù)駛里程、充電便利性等因素，載貨類卡車的電動化進(jìn)程相對較慢，尤其是長途商用車其續(xù)航能力為主要技術(shù)瓶頸。在工程機(jī)械領(lǐng)域，高琦發(fā)［2］總結(jié)了純電驅(qū)動工程機(jī)械的行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀與關(guān)鍵技術(shù)，強(qiáng)調(diào)建立整車實時監(jiān)控系統(tǒng)、開展故障診斷研究的重要性。針對電驅(qū)傳動部件的質(zhì)量保障問題，開展相關(guān)部件的性能分析已成為新能源商用車行業(yè)的研究熱點。

1 電驅(qū)動系統(tǒng)研究總體現(xiàn)狀

電驅(qū)動系統(tǒng)作為汽車的主要承載件和傳動件，需要滿足結(jié)構(gòu)一體化和集成化、傳動效率高、承載能力強(qiáng)等要求，電驅(qū)動系統(tǒng)的質(zhì)量直接關(guān)系到車輛的駕駛體驗和使用壽命［3］。電動汽車與傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車在傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及驅(qū)動方式上存在差異，傳統(tǒng)車橋不適用于電動汽車，因此電驅(qū)動系統(tǒng)的開發(fā)成為各類型汽車整車廠與零部件制造商關(guān)注的焦點。李輝等［4］從新能源汽車電驅(qū)橋?qū)＠慕嵌?，分析了國?nèi)電驅(qū)動系統(tǒng)的研發(fā)結(jié)構(gòu)和技術(shù)路線，為技術(shù)創(chuàng)新的研發(fā)方向及市場布局提供參考。田春林［5］分析了電動汽車的驅(qū)動方案以及電驅(qū)橋系統(tǒng)的常見布置形式，重點分析了商用車領(lǐng)域幾種典型電驅(qū)橋的應(yīng)用案例。在工程車輛方面，蔣立俏等［6］開展了裝載機(jī)電驅(qū)動系統(tǒng)的設(shè)計與仿真研究，以保證裝載機(jī)在典型作業(yè)循環(huán)工況下的整車行駛能耗。綜上所述，隨著電驅(qū)橋技術(shù)的迅猛發(fā)展和廣泛應(yīng)用，對其可靠性和性能質(zhì)量的要求也在不斷提升。目前，電驅(qū)動系統(tǒng)所應(yīng)用的車型如圖1 所示。

圍繞新能源汽車的質(zhì)量保障問題，我國構(gòu)建了相對完備的標(biāo)準(zhǔn)體系，涵蓋基礎(chǔ)通用、電動車輛整車、關(guān)鍵系統(tǒng)與零部件、接口與設(shè)施4 大領(lǐng)域，在促進(jìn)電機(jī)產(chǎn)品技術(shù)改進(jìn)，加速安全性提升以及保障有效測試等方面起到規(guī)范和引導(dǎo)作用［7］。然而，在電驅(qū)動系統(tǒng)方面，新能源汽車驅(qū)動電機(jī)轉(zhuǎn)速范圍較寬，其高負(fù)載和高轉(zhuǎn)速特性容易引發(fā)顯著的齒輪高頻嘯叫噪聲；同時，電機(jī)扭矩波動以及齒輪傳遞誤差也可能導(dǎo)致齒輪嚙合沖擊和敲擊噪聲，極大影響了客戶的用車體驗。隨著電驅(qū)測試需求的不斷增長，如何在多工況條件下，從電驅(qū)動系統(tǒng)的整機(jī)、系統(tǒng)到零部件等多個維度開展精細(xì)化和層級化的性能分析研究顯得尤為關(guān)鍵。

2 電驅(qū)動系統(tǒng)性能評價技術(shù)

新能源汽車在研發(fā)中通常根據(jù)測試分析結(jié)果來驗證和補(bǔ)充其理論設(shè)計環(huán)節(jié)，以識別并解決設(shè)計與制造過程的瓶頸問題，從而改進(jìn)設(shè)計加工中的缺陷，降低新能源汽車新技術(shù)的研發(fā)成本。其中，電驅(qū)動系統(tǒng)的綜合評價指標(biāo)主要包括工作溫升、效率、轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速等，具體評價指標(biāo)見表1。隨著汽車技術(shù)的不斷突破，實用性能和安全性能的差距逐漸縮小，噪聲-振動-聲振粗糙度（NVH）指標(biāo)在汽車性能研究領(lǐng)域的重要性逐漸凸顯［8］。作為衡量新能源汽車品質(zhì)和性能的關(guān)鍵指標(biāo)，NVH 性能影響了汽車產(chǎn)品和品牌的競爭力。因此，本文在關(guān)注實用性能的同時，將重點分析針對車輛NVH 性能的相關(guān)研究。

2. 1 總成系統(tǒng)

電驅(qū)動系統(tǒng)主要由電機(jī)和減速器組成，國內(nèi)已有學(xué)者針對電機(jī)、減速器以及其他部件的性能問題進(jìn)行了大量的分析研究，然而研究中通常將各部件分開考察而非將電驅(qū)動系統(tǒng)視為整體進(jìn)行性能分析，因此，無法較好地對應(yīng)整機(jī)試驗結(jié)果。針對集中驅(qū)動式電動車，方源等［9］開展了動力總成的振動噪聲整車試驗研究，識別各主要激勵源對振動噪聲的貢獻(xiàn)程度，并從心理聲學(xué)角度分析動力總成的聲品質(zhì)特性。于蓬等［10］開展了純電動車的整車振動試驗，分析激勵階次、傳遞路徑等振動特性，并與傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)車輛進(jìn)行比對，匯總并分析了新能源汽車動力總成傳動系統(tǒng)的常見振動問題。

基于電驅(qū)動系統(tǒng)的特性分析，國內(nèi)學(xué)者針對性能評價方法進(jìn)行了深入研究。周鵬［11］提出了一種基于層次分析的電驅(qū)動系統(tǒng)性能評價方法，選取峰值功率溫升、額定功率下最高工作效率、傳動比密度等評價指標(biāo)并計算相應(yīng)指標(biāo)權(quán)重，通過設(shè)計試驗平臺和測控系統(tǒng)，驗證電驅(qū)動系統(tǒng)性能評價方法的可行性。曹志強(qiáng)［12］開展了電驅(qū)動總成的噪聲測試工作，通過分析穩(wěn)態(tài)工況與瞬態(tài)工況下的噪聲階次成分，并結(jié)合等級評分法，實現(xiàn)噪聲煩躁度的主觀評價與客觀聲品質(zhì)評價。陳柯序等［13］通過開展動力傳動系統(tǒng)效率試驗獲得電機(jī)和變速器的效率數(shù)據(jù)，并在此基礎(chǔ)上構(gòu)建神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)表征輸入轉(zhuǎn)矩、輸入轉(zhuǎn)速、潤滑油溫度、檔位等因素對動力傳動系統(tǒng)效率的影響規(guī)律。俞正才［14］分別采用層次分析法和模糊綜合評價法對NVH 影響因素進(jìn)行賦權(quán)和排序，得到定性和定量分析結(jié)果以提升電驅(qū)動系統(tǒng)的NVH 性能。雷鳴亞等［15］基于商用車的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，介紹了電驅(qū)動系統(tǒng)下線檢測環(huán)節(jié)中的4 項關(guān)鍵檢測內(nèi)容，包括氣密性、總成運(yùn)轉(zhuǎn)、NVH 和制動防抱死系統(tǒng)（ABS）方面，并指出仍需開展大量工作以形成電驅(qū)動系統(tǒng)檢測的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。以上研究主要從檢測指標(biāo)和數(shù)據(jù)模型等方面對電驅(qū)動系統(tǒng)相關(guān)性能狀態(tài)進(jìn)行評價，涵蓋了加減速與穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速等不同工況，相較于單一工況條件相關(guān)研究的工作內(nèi)容更加精細(xì)化。

基于仿真和試驗方法的NVH 性能評價研究，包括有限元法、邊界元法和統(tǒng)計能量法等。吳光強(qiáng)等［16］對汽車傳動系統(tǒng)的NVH 相關(guān)問題和研究路線進(jìn)行概述，分析現(xiàn)有主流仿真研究方法的優(yōu)缺點，并簡要介紹了試驗數(shù)據(jù)處理方面的常用技術(shù)。針對純電動客車傳動系統(tǒng)，曾夢媛［17］提出一種基于試驗的振動源及振動傳遞特性研究方法，對特定運(yùn)行工況下的車內(nèi)地板、動力總成、電驅(qū)動系統(tǒng)和車身進(jìn)行測試分析，以解決純電動客車的NVH 問題。通過總成系統(tǒng)的集成化性能研究，可以有效地構(gòu)建整機(jī)評價機(jī)制，直觀概括地識別整機(jī)狀態(tài)，便仍難以對故障源進(jìn)行精確定位和定量評估。

2. 2 減速器

減速器是電驅(qū)動系統(tǒng)的重要組成部分，其性能及壽命對汽車的可靠性和安全性具有重要影響?？紤]到速度和效率方面的限制，未來減速器將從固定傳動比向兩檔/多檔傳動比方向發(fā)展，以提升車輛的動力性能和續(xù)航里程［18］。齒輪作為減速器的主要傳動零部件，其性能好壞和壽命決定了減速器的運(yùn)行狀態(tài)。在齒輪疲勞壽命方面，夏志成［19］根據(jù)名義應(yīng)力法及疲勞累積損傷理論，針對長期處于隨機(jī)載荷作用下的主減速器開展齒輪的疲勞壽命研究。皮旭明等［20］分析了純電動汽車減速器的常見故障，涉及驅(qū)動電機(jī)外特性曲線、驅(qū)動電機(jī)與減速器連接方式等，并基于仿真與試驗分析，設(shè)計了一套提高減速器可靠性的方法。

齒輪系統(tǒng)的動力和NVH 特性直接影響整車性能，降低齒輪傳動系統(tǒng)內(nèi)部激勵可以有效改善振動和噪聲，提高電動汽車的NVH 性能。侯利國［21］應(yīng)用階次跟蹤進(jìn)行電驅(qū)動系統(tǒng)NVH 問題定位及振動噪聲激勵源識別，并開展關(guān)鍵零部件的仿真模態(tài)分析以及基于表面振速法的噪聲輻射快速仿真分析，以實現(xiàn)電驅(qū)動系統(tǒng)NVH 激勵源的多目標(biāo)優(yōu)化。周長波［22］則基于整體式輕型電驅(qū)橋MASTA 模型優(yōu)化齒輪修形方案，仿真得到齒輪錯位量、齒面接觸應(yīng)力與分布位置以及峰-峰傳動誤差值，并驗證了與實際結(jié)果的關(guān)聯(lián)性。針對減速器傳遞誤差、接觸斑點、軸承座動剛度和模態(tài)等評估指標(biāo)，上述分析有利于判斷傳動系統(tǒng)零部件之間的耦合作用對于減速器性能的影響規(guī)律，但并未聚焦零部件本身設(shè)計與加工等原因?qū)е碌墓收媳举|(zhì)。

2. 3 齒輪

傳動誤差作為評價齒輪嚙合質(zhì)量的重要參數(shù)，是影響齒輪系統(tǒng)振動與噪聲的重要激勵源。隨著齒輪制造水平的不斷提高，國內(nèi)學(xué)者針對齒輪嘯叫和傳遞誤差問題開展了大量研究工作。齒輪修形及參數(shù)優(yōu)化工作能夠有效減小齒輪傳遞誤差，被廣泛用于燃油、新能源汽車的變速箱與減速箱的降噪減振，以改善齒輪傳動的平穩(wěn)性［23］。扈建龍［24］研究了基于微觀修形的齒輪傳動系統(tǒng)振動噪聲抑制方法，并建立一種用于電驅(qū)動系統(tǒng)振動噪聲臺架試驗的汽車傳動系統(tǒng)公共控制平臺，用于驗證在恒定轉(zhuǎn)速、恒定轉(zhuǎn)矩加速、空載滑行、饋電滑行、下線檢測等不同工況下振動噪聲抑制方法的有效性。陳士剛［25］則根據(jù)整車系統(tǒng)振動噪聲的試驗測試，探究高頻嘯叫的溯源問題，并從齒輪齒向及齒形參數(shù)方面減小齒輪傳遞誤差，以實現(xiàn)電驅(qū)動系統(tǒng)的振動噪聲優(yōu)化。

3 結(jié)論

新能源汽車的整車動力性、經(jīng)濟(jì)性和舒適性能與電驅(qū)動系統(tǒng)疲勞強(qiáng)度、性能參數(shù)等關(guān)鍵指標(biāo)密不可分。因此，建立一套不同測試對象共享的動力總成驅(qū)動試驗平臺與性能評價方法，對于電動汽車?yán)碚摷夹g(shù)的發(fā)展，以及技術(shù)成果推廣應(yīng)用具有深遠(yuǎn)的影響。結(jié)合現(xiàn)狀可知，當(dāng)下電驅(qū)動系統(tǒng)性能研究聚焦于多工況條件下從整機(jī)到零部件的多維度精細(xì)化性能分析領(lǐng)域。未來電驅(qū)動系統(tǒng)的發(fā)展趨勢將更加集成精細(xì)化、智能化和多層級化。

（1） 集成精細(xì)化。在新能源汽車動力性、經(jīng)濟(jì)性等發(fā)展需求下，電驅(qū)動系統(tǒng)呈現(xiàn)出集成化、高速化及高效率的技術(shù)趨勢，從而帶來更加精細(xì)化的性能評價要求。

（2） 智能化。隨著智能化控制與識別技術(shù)的發(fā)展，需要針對驅(qū)動電機(jī)以及整車的工作性能進(jìn)行及時準(zhǔn)確的分析反饋，并根據(jù)自身動力需求進(jìn)行能源結(jié)構(gòu)調(diào)整和動能切換。同時，隨著計算機(jī)視覺等技術(shù)的成熟，大數(shù)據(jù)下的智能診斷將成為未來的發(fā)展方向。

（3） 多層級化。通過先進(jìn)測試技術(shù)和檢測設(shè)備，采集新能源汽車驅(qū)動系統(tǒng)的關(guān)鍵零部件數(shù)據(jù)，并進(jìn)行數(shù)據(jù)的管理和實時分析，從整車、系統(tǒng)和零部件等多維度考慮，實現(xiàn)全局到細(xì)節(jié)的數(shù)據(jù)處理和綜合分析評價。

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