Analyse | Système d'entraînement électrique continental peu profond EMR4

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2022-04-01 1177

1. avant-propos

Avec l'accélération remarquable des véhicules électriques sur le marché, les différences entre les marques, les segments de marché et les modèles augmentent également, il est donc très important de maximiser l'applicabilité du système de propulsion électrique. Les systèmes d'entraînement électrique, tels que l'EMR3 (le système d'entraînement électrique de troisième génération) produit en grande quantité et l'EMR4 (le système d'entraînement électrique de troisième génération) actuellement en cours de développement, sont conçus par des méthodes d'optimisation multistandards au niveau du système. Par rapport à la génération précédente, EMR4 améliore l'efficacité jusqu'à 5 %, améliore considérablement l'évolutivité de la puissance et réduit considérablement les coûts.

L'amélioration de l'efficacité et des performances est la voie et l'orientation techniques proposées par le système d'entraînement électrique de l'ensemble du véhicule. Afin de favoriser l'amélioration des performances de l'EMR4, de nombreuses chaînes qui affectent l'efficacité et les performances de l'entraînement électrique ont été optimisées dans les moindres détails. Dans un souci d'évolutivité, de nombreuses interfaces internes et externes ont également été standardisées pour garantir que les trois composants principaux (onduleur électronique de puissance, moteur et réducteur) puissent être combinés aussi librement que possible selon le principe des exigences personnalisées. En ce qui concerne le confort acoustique du système d'entraînement électrique, l'accent est mis sur la simulation, le test et l'optimisation des caractéristiques sonores (gravité du bruit et des vibrations) du système sur l'ensemble du MAP de travail. Dès le début, le développement de l’EMR4 a absorbé l’expérience pertinente des générations précédentes de systèmes d’entraînement électrique.

2. Logiciel EMR4

Pour une plus grande évolutivité, la structure de base du système d'entraînement électrique EMR4 a changé par rapport à l'EMR3 actuel. Les trois composants de base (onduleur électronique de puissance, moteur et réducteur) sont disposés en ligne droite (intégrés axialement) dans l'EMR4.

Avec cette structure de base, il est possible de connecter deux composants qui nécessitent la plus grande variabilité dans différentes conceptions, et les exigences de modification du réducteur peuvent être réalisées dans les limites de la taille du boîtier. Cette disposition en ligne constitue la base des principales caractéristiques architecturales d'EMR4.

La configuration standard prévue lors du processus de développement (pour les véhicules des sections A à J2, c'est-à-dire la classe de poids du véhicule est de 1,800 2,800 kg à 60 90 kg) peut être couverte par trois dimensions de longueur de moteur : 105 mm (entrée de gamme), 2 mm ( niveau de base) ou 4 mm (niveau amélioré), comme le montre la figure 80. Selon la conception, le système d'entraînement EMR230 nouvellement développé fournit 10 kW et une puissance maximale de 1,700 kW (4,000 secondes). La plage de couple du système d'entraînement va de 10 XNUMX Nm à XNUMX XNUMX Nm (XNUMX secondes), et l'évolutivité est évidente dans le poids du module.

Selon la demande de puissance du variateur, son poids est compris entre 45 kg et 80 kg. Selon les résultats de recherches précédentes, par rapport à l'EMR3, le système d'entraînement EMR4 peut atteindre un avantage d'efficacité de 5.6 % en WLTP, ce qui aura un impact significatif sur le kilométrage du véhicule. Selon la demande de puissance du système d'entraînement, son poids est compris entre 45 kg et 80kg. Selon les résultats de recherches précédentes, par rapport à l'EMR3, le système d'entraînement EMR4 peut atteindre un avantage d'efficacité de 5.6 % en WLTP, ce qui aura un impact significatif sur le kilométrage du véhicule.复制反馈

Ces valeurs sont obtenues par l'optimisation systématique de plusieurs chaînes d'effets centrales dans le système d'entraînement. Le potentiel d’amélioration a été réalisé grâce à de nombreuses mesures détaillées. Par rapport à l'EMR3 optimisé, l'efficacité de l'EMR4 a considérablement augmenté, la densité de puissance a augmenté de plus de 20 %, mais le coût a encore été réduit. Bien qu'EMR4 utilise des matériaux de haute qualité dans de nombreux endroits, les avantages techniques des matériaux permettent d'économiser davantage de coûts dans d'autres domaines et d'optimiser les coûts.

2.1 Architecture et moteur

PSMLe diamètre du moteur (le diamètre de son carter) a été conçu pour une fixation EMR4 intégrée. Le diamètre extérieur du stator du moteur de plate-forme R4 est de 208 mm, ce qui est légèrement supérieur à 20 mm par rapport au moteur EMR4. Cependant, les mesures de conception visant à améliorer les performances du moteur ont réduit la longueur axiale du moteur EMR4 de près de moitié par rapport à l'entraînement axial actuel (90 mm au lieu de 175 mm).

Le stator comporte désormais au moins quatre couches par rainure (au lieu de deux couches dans EMR3). Le nombre d'étages (tels que 4 à 8 étages) sélectionnés en fonction de la situation spécifique future est déterminé strictement en fonction des exigences de coût requises et du niveau de performance ou de la tension. L’équilibre entre minimiser les coûts et maximiser le potentiel des pièces mobiles est un facteur important à considérer.

2.2 Architecture et contrôleur électronique de puissance

L'onduleur de la plateforme R4 est le produit électronique de puissance haute tension de quatrième génération basé sur Vitesco Technologies (EPF4). Pour la plage de puissance de la plateforme EMR4, l'onduleur EPF4 hautement intégré peut fournir trois niveaux de puissance : 290 A (niveau d'entrée), 550 A (niveau de base) et 820 A (niveau amélioré). La version Entry offre une solution rentable avec une puissance allant jusqu'à 80 kW (10 s) et un couple de 1700 10 Nm (135 s). La version est fondamentalement adaptée à une large gamme d'applications, avec une puissance de sortie allant jusqu'à 165/10 kW (2,500 s) et un couple de 3,000 10/2800 4000 Nm (230 s). Conception améliorée pour une sortie à XNUMX XNUMX Nm et XNUMX XNUMX Nm, jusqu'à XNUMX kW de puissance.

Cependant, en principe, toutes les variantes d'onduleur peuvent être combinées avec chaque variante de puissance du moteur et chaque réducteur requis. Celui-ci doit répondre à des exigences particulières (par exemple, véhicules logistiques) différentes des voitures particulières de masse standard. La taille de l'onduleur n'est que de 270 × 221 × 126 mm, ce qui représente une conception très compacte.

2.3 Et réducteur de cadre

Selon le couple du moteur, la plateforme comprend trois versions de réducteurs configurés comme <: 2="">

Rapport de réduction estimé entre i = 9.3 et i = 11.64. Par rapport à la génération précédente, ce rapport de réduction a été élargi, permettant ainsi d'utiliser au mieux la vitesse de pointe plus élevée du moteur. Dans le réducteur, cette mesure de rapport de réduction élevé peut réduire considérablement le coût du moteur et offrir la possibilité de réduire le coût en termes de coût de matériaux de meilleure qualité.

Le réducteur est conçu avec une vitesse d'entrée de 16000 255 tr/min et un couple moteur d'entrée de 3000 Nm. Le réducteur fournit un couple d'arbre allant jusqu'à XNUMX XNUMX Nm.

La vitesse de rotation maximale autorisée est de 1720 XNUMX tr/min. Un parking électrique peut en option être intégré au réducteur.

3. Optimisation des facteurs affectant l'efficacité

Dans le monde entier, la tendance à l’amélioration continue de l’efficacité des véhicules électriques est évidente. Les considérations liées au kilométrage et à la taille/coût de la batterie, ainsi que les exigences légales visant à contrôler la pollution de l’air et à atténuer le changement climatique, y contribuent toutes. En outre, l’amélioration continue de l’efficacité de la propulsion électrique augmente également l’attractivité des automobiles, car le coût du système qui en résulte est réduit. Le Wh/km en WLTP permet de mesurer la consommation d’énergie.

De nombreux facteurs déterminent l’efficacité d’une voiture. Bien que la plupart d'entre eux soient causés par l'ensemble du véhicule, le système d'alimentation a également une influence considérable. De nombreux facteurs individuels déterminent l'efficacité d'une voiture. Bien que la plupart d’entre eux soient causés par l’ensemble du véhicule, le système électrique a également une influence considérable.

Fig. 3 En prenant comme exemple le système d'entraînement intégré, elle illustre l'influence du système d'alimentation et ses pertes spécifiques sur l'efficacité de l'ensemble du véhicule. De manière générale, environ un tiers des pertes sont causées par la conduite, et environ les deux tiers sont causées par l'ensemble du véhicule.

L'EMR4 a fait de nouveaux progrès en matière d'onduleur, de moteur et de réducteur électroniques de puissance, et a amélioré l'efficacité globale du véhicule : par rapport à la génération précédente, l'efficacité de l'EMR4 est beaucoup plus élevée et la consommation d'énergie totale moyenne de chaque véhicule de classe D peut être réduite de 5.6 % en WLTP.

3.1 Et l'efficacité du moteur et de l'onduleur est améliorée.

Dans les parties actives de la plate-forme EMR4, un noyau de fer laminé composé de tôles d'acier au silicium très fines et à haute résistance est utilisé pour atteindre une vitesse de moteur plus élevée avec moins de matériaux. Actuellement, la vitesse maximale est de 16,000 3 tr/min (EMR 14,000 : 4 40 tr/min). En augmentant le rapport de transmission, le couple du moteur peut être réduit, économisant ainsi les matériaux du moteur. De plus, la puissance continue du moteur EMR80 a été grandement améliorée. Comme la perte est considérablement réduite et que la structure de refroidissement est optimisée, le moteur peut produire en continu XNUMX à XNUMX kW à la vitesse la plus élevée. En raison de la courte longueur et de la conception compacte du moteur, la dissipation thermique est plus efficace, car il existe un chemin de dissipation thermique plus court depuis le point chaud au centre du moteur jusqu'à son bord.

Le rapport de réduction accru (voir section 2.3) signifie qu'un couple moteur inférieur est requis pour le même couple d'arbre. Combiné avec la nouvelle coupe de tôle du rotor et l'augmentation de la résistance magnétique, le poids de l'acier magnétique est considérablement réduit, la puissance reste inchangée et l'efficacité est améliorée.

La tension de fonctionnement de l'onduleur EPF4 est de 210 V à 470 V et la fréquence de commutation PWM est de 2 à 12 kHz. Selon les différents points de travail, l'algorithme de contrôle orienté champ (FOC) est appliqué en sections, telles que la modulation de largeur d'impulsion vectorielle spatiale traditionnelle (= SVPWM à basse vitesse pour permettre un courant plus élevé), le PWM synchrone (= SynchPWM à vitesse moyenne). , PWM discontinu (= GDPWM à vitesse moyenne) et modulation de flux bidirectionnelle (= FBM à vitesse élevée). Le capteur de position du rotor situé à l'avant du moteur fournit le signal de position du rotor.

La figure 4 montre les points de fonctionnement de référence utilisés pour évaluer les pertes du moteur et du variateur dans le processus de simulation. Le gain d'efficacité plus élevé, en particulier lors d'une rotation à grande vitesse, est précisément dû au fait que la tôle d'acier au silicium du moteur plus fine peut réduire la perte de fer en augmentant le nombre de couches stratifiées.

4.Méthode de mise en œuvre de la plateforme EMR4

La gamme d’applications du système d’entraînement électrique intégré s’élargit de jour en jour. Ce n'est qu'avec une grande évolutivité en termes de performances, d'efficacité, de coût, de taille et de poids qu'il pourra répondre aux exigences diversifiées du marché. L'évolutivité signifie en fin de compte que les principaux composants associés peuvent être combinés pour répondre aux exigences en fonction de l'application. Compte tenu du grand nombre de paramètres qui définissent les caractéristiques de performance requises du système d’entraînement et de l’interaction complexe entre eux, il est très difficile, lors de la conception, d’en mettre en œuvre minutieusement les détails.

Par exemple, lors du développement de la plateforme EMR4, nous avons mené une analyse de sensibilité approfondie pour déterminer l'influence d'un seul paramètre du WLTP sur l'efficacité du système d'entraînement électrique, comme le montre la figure 6.

Afin d'obtenir le poids optimal des caractéristiques de performance attendues et des coûts associés, les développeurs ont utilisé l'outil spécial iMCO dans cette étape de développement multistandard, comme le montre la figure 7.

5. Et des interfaces internes et externes.

Comme mentionné précédemment, lors de la conception du système d'entraînement intégré, la complexité de l'entraînement électrique conçu séparément a été complètement simplifiée du point de vue de l'ensemble du véhicule, et la complexité a été transférée à l'intérieur du système d'entraînement. Ici, le transfert de complexité peut également être prouvé à partir de nombreuses interfaces à l'intérieur et à l'extérieur du système d'entraînement. La figure 8 montre les interfaces internes entre les différentes fonctions du système d'entraînement, surlignées en gris, et les interfaces externes de l'ensemble du véhicule sont représentées par des cercles verts.

Afin de réaliser l'extensibilité totale des composants de la plate-forme EMR4 de pré-vérification, tous les composants principaux, à savoir l'onduleur (trois versions), le réducteur (trois variantes), le rotor et le stator (trois longueurs chacun), le carter du moteur (trois longueurs) et la plaque d'appui (deux versions de « couvercles ») ont des définitions claires sur les interfaces internes et externes. Cela permet de combiner différentes conceptions de composants avec une interface unifiée.

Le bruit et le rayonnement électromagnétique sont également des indicateurs clés du système d'entraînement électrique. Afin de minimiser l'influence du bruit structurel sur les vibrations de la carrosserie du véhicule en propulsion électrique, de nombreux travaux d'optimisation ont été effectués sur la qualité acoustique (bruit, vibration, dureté, NVH) du système d'entraînement dans toutes les conditions de fonctionnement, comme le montre Figures 9 et 10. Sur la plateforme EMR4, les résultats de simulation ont été testés avec succès sur la base d'un échantillon A.

Cette technologie de simulation peut également être utilisée pour optimiser la forme du support et éviter la résonance d'excitation liée à la conception structurelle du véhicule.

La compatibilité électromagnétique de la plateforme EMR4 est conforme à la norme CISPR25-2016 Classe 3, comme le montre la figure 11.

6. résumer

Le développement de la plateforme R4 a absorbé l'expérience d'industrialisation de trois générations de systèmes d'entraînement électrique : début 2021, EMR4 à lui seul avait livré plus de 150,000 4 unités à ses clients. L'efficacité et les performances de l'EMR3 ont été considérablement améliorées à un coût inférieur, même par rapport au système d'entraînement EMR4 optimisé. En particulier, la grande évolutivité de la nouvelle plate-forme confère au système d'entraînement EMRXNUMX des perspectives d'application très rentables dans différents modèles.

À l'heure actuelle, la puissance de sortie extensible de la plate-forme EMR4 se situe entre 80 kW et 230 kW, et la masse n'est qu'entre 45 kg et 80 kg. La densité de puissance élevée favorise la transition d’un grand nombre de modèles vers l’électrification. Afin de couvrir les exigences de performance supérieures ou inférieures à la fourchette actuelle spécifiée, le développement de l'expansion du portefeuille commencera en 2021.

Grâce à l'optimisation des coûts du système, la plate-forme EMR4 aide le coût d'achat des véhicules électriques à se rapprocher du niveau des véhicules à moteur à combustion interne du passé. À mesure que l'efficacité du système d'entraînement EMR4 est encore améliorée, le coût de la batterie est également réduit.

La plateforme EMR4 représente des solutions personnalisées prêtes à l'emploi et se concentre toujours sur la standardisation et la modularisation des produits. Dans le cadre de la restriction du système, la différenciation spécifique au client se forme grâce à l'intégration et à l'expertise système. Cette méthode crée un équilibre entre optimisation des coûts et personnalisation, complété par des années d’expérience en production et en contrôle qualité. Sur la base de cette stratégie, Vitesco Technologies coopère activement avec ses clients et fournisseurs pour promouvoir la croissance des voyages électriques.

Réflexions sur les produits de plateforme

Je pense que de nombreuses entreprises ont analysé comment mettre en place une plate-forme pour le système d'entraînement électrique trois-en-un, et la réflexion sur la plate-forme de Vitesco EMR4 nous a apporté beaucoup de lumière.：

① L'intégration axiale est sélectionnée comme forme d'intégration, de sorte que le moteur et l'onduleur soient découplés et que le moteur avec un diamètre extérieur plus grand soit sélectionné. L'expansion de la puissance est ajustée par l'épaisseur de la pile de noyaux, et le poinçonnage du noyau peut être complètement plateforme.

L'intégration axiale est sélectionnée comme forme d'intégration, de sorte que le moteur et l'onduleur soient découplés et que le moteur avec un diamètre extérieur plus grand soit sélectionné. L'expansion de la puissance est ajustée par l'épaisseur de la pile de noyaux, et le poinçonnage du noyau peut être complètement plateforme.

③Le réducteur sélectionne un rapport de réduction important, ce qui peut réduire le couple moteur. La réduction du couple peut directement réduire la quantité de matériaux du moteur et réduire le coût du moteur. IMCO, un outil spécial, est mentionné dans l'optimisation multistandard basée sur l'efficacité, les performances et le coût du moteur, à laquelle on peut également se référer.

Diverses pertes à l'intérieur de l'alimentation à découpage

Échelle et dimension intégrées