Analyse | Elektrisch aandrijfsysteem op ondiep vasteland EMR4

Home columnist Dagelijks hoogtepunt Analyse | Elektrisch aandrijfsysteem op ondiep vasteland EMR4

2022-04-01 1223

1. voorwoord

Met de opmerkelijke versnelling van elektrische voertuigen op de markt nemen ook de verschillen tussen merken, marktsegmenten en modellen toe, dus het is erg belangrijk om de toepasbaarheid van elektrische aandrijfsystemen te maximaliseren. Elektrische aandrijfsystemen, zoals EMR3 (het elektrische aandrijfsysteem van de derde generatie), dat in grote hoeveelheden wordt geproduceerd, en EMR4 (het elektrische aandrijfsysteem van de derde generatie), dat momenteel in ontwikkeling is, zijn ontworpen met behulp van multi-standaard optimalisatiemethoden op systeemniveau. Vergeleken met de vorige generatie verbetert EMR4 de efficiëntie met maximaal 5%, verbetert de schaalbaarheid van het vermogen aanzienlijk en verlaagt de kosten aanzienlijk.

Het verbeteren van de efficiëntie en prestaties is de technische route en richting die wordt uitgezet door het elektrische aandrijfsysteem van het hele voertuig. Om de prestatieverbetering van EMR4 te bevorderen zijn veel ketens die invloed hebben op de efficiëntie en prestaties van elektrische aandrijving tot in de details geoptimaliseerd. Omwille van de schaalbaarheid zijn ook veel interne en externe interfaces gestandaardiseerd om ervoor te zorgen dat de drie hoofdcomponenten – elektronische vermogensomvormer, motor en reductor – zo vrij mogelijk kunnen worden gecombineerd volgens het principe van aangepaste vereisten. Wat het akoestische comfort van een elektrisch aandrijfsysteem betreft, ligt de nadruk op het simuleren, testen en optimaliseren van de geluidskarakteristieken (ernst van geluid en trillingen) van het systeem op de gehele werkende MAP. Vanaf het begin is bij de ontwikkeling van EMR4 gebruik gemaakt van de relevante ervaring van eerdere generaties elektrische aandrijfsystemen.

2. EMR4-serie

Voor een grotere schaalbaarheid is de basisstructuur van het EMR4 elektrische aandrijfsysteem veranderd vergeleken met de huidige EMR3. Alle drie de basiscomponenten (vermogenelektronische inverter, motor en reductor) zijn in EMR4 in een rechte lijn (axiaal geïntegreerd) gerangschikt.

Met deze basisstructuur is het mogelijk om twee componenten die de grootste variabiliteit in verschillende ontwerpen nodig hebben, met elkaar te verbinden, en kunnen de aanpassingsvereisten van de reductiekast worden gerealiseerd binnen de grootte van de behuizing. Deze inline-opstelling vormt de basis van de belangrijkste architectonische kenmerken van EMR4.

De standaardconfiguratie die tijdens het ontwikkelingsproces is gepland (voor voertuigen in secties A tot J2, dat wil zeggen de voertuiggewichtsklasse is van 1,800 kg tot 2,800 kg) kan worden gedekt door drie dimensies van motorlengte: 60 mm (instapniveau), 90 mm ( basisniveau) of 105 mm (verbeterd niveau), zoals weergegeven in figuur 2. Volgens het ontwerp levert het nieuw ontwikkelde EMR4-aandrijfsysteem 80 kW en maximaal 230 kW vermogen (10 seconden). Het koppelbereik van het aandrijfsysteem loopt van 1,700 Nm tot 4,000 Nm (10 seconden), en de schaalbaarheid blijkt duidelijk uit het gewicht van de module.

Afhankelijk van het gevraagde vermogen van de aandrijving ligt het gewicht tussen 45 kg en 80 kg. Volgens de eerdere onderzoeksresultaten kan het EMR3-aandrijfsysteem, vergeleken met EMR4, een efficiëntievoordeel van 5.6% behalen in WLTP, wat een aanzienlijke impact zal hebben op het aantal kilometers van het voertuig. Afhankelijk van de vermogensbehoefte van de aandrijving ligt het gewicht tussen 45 kg en 80 kg. Volgens de eerdere onderzoeksresultaten kan het EMR3-aandrijfsysteem, vergeleken met EMR4, een efficiëntievoordeel van 5.6% behalen in WLTP, wat een aanzienlijke impact zal hebben op het aantal kilometers van het voertuig.复制反馈

Deze waarden worden verkregen door systematische optimalisatie van verschillende centrale effectketens in het aandrijfsysteem. Het verbeterpotentieel is hier gerealiseerd door middel van vele gedetailleerde maatregelen. Vergeleken met de geoptimaliseerde EMR3 is de efficiëntie van EMR4 aanzienlijk toegenomen, de vermogensdichtheid is met ruim 20% toegenomen, maar de kosten zijn verder verlaagd. Hoewel EMR4 op veel plekken hoogwaardige materialen gebruikt, maken de technische voordelen van materialen het mogelijk om op andere terreinen meer kosten te besparen en de kosten te optimaliseren.

2.1 Architectuur en motor

PSMDe diameter van de motor (de diameter van de behuizing) is ontworpen voor geïntegreerde EMR4-bevestiging. De buitendiameter van de stator van de R4-platformmotor is 208 mm, wat iets groter is dan 20 mm vergeleken met de EMR4-motor. De ontwerpmaatregelen om de prestaties van de motor te verbeteren hebben de axiale lengte van de EMR4-motor echter met bijna de helft verminderd in vergelijking met de huidige axiale aandrijving (90 mm in plaats van 175 mm).

Nu heeft de stator minimaal vier lagen per groef (in plaats van twee lagen in EMR3). Het aantal verdiepingen (bijvoorbeeld 4-8 verdiepingen) dat wordt geselecteerd op basis van de specifieke situatie in de toekomst, wordt strikt bepaald op basis van de vereiste kostenvereisten en prestatieniveau of spanning. De balans tussen het minimaliseren van de kosten en het maximaliseren van het potentieel van bewegende delen is een belangrijke factor om te overwegen.

2.2 Architectuur en vermogenselektronische controller

De omvormer van platform R4 is het hoogspannings-elektronische product van de vierde generatie, gebaseerd op Vitesco Technologies (EPF4). Voor het vermogensbereik van het EMR4-platform kan de sterk geïntegreerde EPF4-omvormer drie vermogensniveaus leveren: 290A (instapniveau), 550A (basisniveau) en 820A (verbeterd niveau). De versie van Entry biedt een kosteneffectieve oplossing met een vermogen tot 80 kW (10 s) en een koppel van 1700 Nm (10 s). De versie is in principe geschikt voor een breed scala aan toepassingen, met een vermogen tot 135/165 kW(10s) en een koppel van 2,500/3,000 Nm(10s). Verbeterd ontwerp voor een vermogen van 2800 Nm en 4000 Nm, tot 230 kW vermogen.

In principe kunnen echter alle invertervarianten met elke motorvermogensvariant en elke benodigde reducer worden gecombineerd. Deze moet voldoen aan de speciale eisen (bijvoorbeeld logistieke voertuigen) die verschillen van standaard personenauto's. Het formaat van de omvormer is slechts 270 × 221 × 126 mm, wat een zeer compact ontwerp is.

2.3 En frameverkleiner

Afhankelijk van het koppel van de motor bevat het platform drie versies van reductoren geconfigureerd als <: 2="">

Geschatte reductieverhouding tussen i = 9.3 en i = 11.64. Vergeleken met de vorige generatie is deze reductieverhouding uitgebreid, waardoor het hogere piektoerental van de motor optimaal benut kan worden. In het reductiemiddel kan deze maatregel met een hoge reductieverhouding de kosten van de motor aanzienlijk besparen en een mogelijkheid bieden om de kosten te verlagen in termen van de kosten van materialen van hogere kwaliteit.

Het verloopstuk is ontworpen met een ingangstoerental van 16000 tpm en een motorkoppelingang van 255 Nm. Het verloopstuk levert een askoppel tot 3000 Nm.

Het maximaal toegestane astoerental is 1720 tpm. Optioneel kan elektrisch parkeren in de verkleiner worden geïntegreerd.

3. Optimalisatie van factoren die de efficiëntie beïnvloeden

Wereldwijd is de trend om de efficiëntie van elektrische voertuigen verder te verbeteren duidelijk. Overwegingen met betrekking tot het aantal kilometers en het batterijformaat/kosten, evenals wettelijke vereisten gericht op het beheersen van de luchtvervuiling en het beperken van de klimaatverandering, dragen hier allemaal aan bij. Bovendien vergroot de verdere verbetering van de elektrische aandrijfefficiëntie ook de aantrekkelijkheid van auto's, omdat de resulterende systeemkosten worden verlaagd. Wh/km in WLTP wordt gebruikt om het energieverbruik te meten.

Er zijn veel afzonderlijke factoren die de efficiëntie van een auto bepalen. Hoewel de meeste van deze problemen door het hele voertuig worden veroorzaakt, heeft ook het aandrijfsysteem een aanzienlijke invloed. Veel afzonderlijke factoren bepalen de efficiëntie van een auto. Hoewel de meeste van deze problemen door het hele voertuig worden veroorzaakt, heeft ook het aandrijfsysteem aanzienlijke invloed.

Afb. 3 Met het geïntegreerde aandrijfsysteem als voorbeeld illustreert het de invloed van het aandrijfsysteem en de specifieke verliezen ervan op de efficiëntie van het hele voertuig. Over het algemeen wordt ongeveer een derde van de verliezen veroorzaakt door het rijden, en ongeveer tweederde door het hele voertuig.

EMR4 heeft verdere vooruitgang geboekt op het gebied van de elektronische omvormer, motor en reductor, en heeft de algehele efficiëntie van het voertuig verbeterd: vergeleken met de vorige generatie is de efficiëntie van EMR4 veel hoger en kan het gemiddelde totale energieverbruik van elk D-klasse voertuig volgens de WLTP met 5.6% worden verlaagd.

3.1 En de efficiëntie van de motor en omvormer is verbeterd.

In de actieve delen van het EMR4-platform wordt een gelamineerde ijzeren kern gemaakt van zeer dunne en zeer sterke siliciumstaalplaten gebruikt om een hoger motortoerental te bereiken met minder materialen. Momenteel bedraagt het maximale toerental 16,000 tpm (EMR 3: 14,000 tpm). Door de overbrengingsverhouding te vergroten, kan het motorkoppel worden verminderd, waardoor motormaterialen worden bespaard. Bovendien is het continue vermogen van de EMR4-motor aanzienlijk verbeterd. Omdat het verlies sterk wordt verminderd en de koelstructuur is geoptimaliseerd, kan de motor continu 40-80 kW leveren op het hoogste toerental. Door de korte lengte en het compacte ontwerp van de motor is de warmteafvoer effectiever, omdat er een korter warmteafvoerpad is vanaf de hete plek in het midden van de motor naar de rand.

De grotere overbrengingsverhouding (zie paragraaf 2.3) betekent dat een lager motorkoppel vereist is bij hetzelfde askoppel. Gecombineerd met het nieuwe rotorplaatsnijden en de toename van de magnetische weerstand wordt het gewicht van magnetisch staal aanzienlijk verminderd, blijft het vermogen onveranderd en wordt de efficiëntie verbeterd.

De werkspanning van de EPF4-omvormer is 210 V tot 470 V en de PWM-schakelfrequentie is 2 tot 12 kHz. Afhankelijk van de verschillende werkpunten wordt het veldgeoriënteerde besturingsalgoritme (FOC) toegepast in secties, zoals traditionele ruimtevectorpulsbreedtemodulatie (= SVPWM bij lage snelheid om hogere stroom mogelijk te maken), synchrone PWM (=SynchPWM bij middelhoog snelheidsbereik) , discontinue PWM (= GDPWM bij middelhoge snelheidsbereik) en bidirectionele fluxmodulatie (=FBM bij hoge snelheidsbereik). De rotorpositiesensor aan de voorkant van de motor levert het rotorpositiesignaal.

Figuur 4 toont de referentiebedrijfspunten die worden gebruikt om de verliezen van motor en omvormer in het simulatieproces te evalueren. De hogere efficiëntiewinst, vooral bij het draaien op hoge snelheid, is juist omdat de dunnere siliciumstaalplaat van de motor het ijzerverlies kan verminderen door het aantal gelamineerde lagen te vergroten.

4. Implementatiemethode van het EMR4-platform

Het toepassingsbereik van geïntegreerde elektrische aandrijfsystemen breidt zich met de dag uit. Alleen met een hoge schaalbaarheid op het gebied van prestaties, efficiëntie, kosten, omvang en gewicht kan het voldoen aan de uiteenlopende eisen van de markt. Schaalbaarheid betekent uiteindelijk dat de bijbehorende hoofdcomponenten kunnen worden gecombineerd om aan de eisen van de toepassing te voldoen. Gezien het grote aantal parameters die de vereiste prestatiekenmerken van het aandrijfsysteem bepalen en de complexe interactie daartussen, is het bij het ontwerp een grote uitdaging om de details grondig te implementeren.

Tijdens de ontwikkeling van het EMR4-platform hebben we bijvoorbeeld een uitgebreide gevoeligheidsanalyse uitgevoerd om de invloed van een enkele parameter in de WLTP op de efficiëntie van een elektrisch aandrijfsysteem te bepalen, zoals weergegeven in figuur 6.

Om het optimale gewicht van de verwachte prestatiekenmerken en de daarmee samenhangende kosten te bereiken, gebruikten de ontwikkelaars de speciale tool iMCO in deze multi-standaard ontwikkelingsfase, zoals weergegeven in figuur 7.

5. En interne en externe interfaces.

Zoals eerder vermeld is bij het ontwerpen van het geïntegreerde aandrijfsysteem de complexiteit van de afzonderlijk ontworpen elektrische aandrijving volledig vereenvoudigd vanuit het perspectief van het hele voertuig, en is de complexiteit overgebracht naar de binnenkant van het aandrijfsysteem. Hier kan de overdracht van complexiteit ook worden bewezen via vele interfaces binnen en buiten het aandrijfsysteem. Figuur 8 toont de interne interfaces tussen verschillende functies in het aandrijfsysteem, grijs gemarkeerd, en de externe interfaces van het hele voertuig worden weergegeven in groene cirkels.

Om de volledige uitbreidbaarheid van de pre-verificatie EMR4-platformcomponenten te realiseren, moeten alle belangrijke componenten, namelijk de omvormer (drie versies), het verloopstuk (drie varianten), rotor en stator (elk drie lengtes), motorbehuizing (drie lengtes) en lagerplaat (twee versies van "covers") hebben duidelijke definities over interne en externe interfaces. Dit maakt het mogelijk om verschillende componentontwerpen te combineren met een uniforme interface.

Lawaai en elektromagnetische straling zijn ook de belangrijkste indicatoren van een elektrisch aandrijfsysteem. Om de invloed van structureel geluid op voertuigcarrosserietrillingen bij elektrische aandrijving te minimaliseren, is er veel optimalisatiewerk gedaan aan de akoestische kwaliteit (geluid, trillingen, hardheid, NVH) van het aandrijfsysteem onder alle bedrijfsomstandigheden, zoals weergegeven in Figuren 9 en 10. Op het EMR4-platform zijn de simulatieresultaten met succes getest op basis van A-sample.

Deze simulatietechnologie kan ook worden gebruikt om de vorm van de beugel te optimaliseren en de excitatieresonantie te vermijden die verband houdt met het structurele ontwerp van het voertuig.

De elektromagnetische compatibiliteit van het EMR4-platform voldoet aan de CISPR25-2016 Klasse 3-norm, zoals weergegeven in Figuur 11.

6. samenvatten

De ontwikkeling van het R4-platform heeft de industrialisatie-ervaring van drie generaties elektrische aandrijfsystemen geabsorbeerd: begin 2021 heeft EMR4 alleen al meer dan 150,000 eenheden aan klanten geleverd. De efficiëntie en prestaties van de EMR4 zijn aanzienlijk verbeterd tegen lagere kosten, zelfs vergeleken met het geoptimaliseerde EMR3-aandrijfsysteem. Vooral de hoge schaalbaarheid van het nieuwe platform zorgt ervoor dat het EMR4-aandrijfsysteem een hoog kosteneffectief toepassingsperspectief heeft in verschillende modellen.

Momenteel ligt het uitbreidbare uitgangsvermogen van het EMR4-platform tussen 80 kW en 230 kW, en de massa slechts tussen 45 kg en 80 kg. De hoge vermogensdichtheid ondersteunt de transitie van een groot aantal modellen naar elektrificatie. Om de prestatie-eisen boven of onder het opgegeven stroombereik te kunnen dekken, zal de ontwikkeling van portfolio-uitbreiding in 2021 beginnen.

Door de kostenoptimalisatie van het systeem helpt het EMR4-platform de aanschafkosten van elektrische voertuigen om de standaard van voertuigen met verbrandingsmotor in het verleden te benaderen. Naarmate de efficiëntie van het EMR4-aandrijfsysteem verder wordt verbeterd, worden ook de kosten van de batterij verlaagd.

Het EMR4-platform staat voor op maat gemaakte kant-en-klare oplossingen en richt zich altijd op standaardisatie en modularisering van producten. Onder de systeemrestrictie wordt klantspecifieke differentiatie gevormd door integratie en systeemexpertise. Deze werkwijze creëert een balans tussen kostenoptimalisatie en personalisatie, aangevuld met jarenlange productie-ervaring en kwaliteitscontrole. Op basis van deze strategie werkt Vitesco Technologies actief samen met klanten en leveranciers om de groei van elektrisch reizen te bevorderen.

Gedachten over platformproducten

Ik geloof dat veel bedrijven hebben geanalyseerd hoe ze het drie-in-één elektrische aandrijfsysteem kunnen platformen, en het platformdenken van Vitesco EMR4 heeft ons veel verlichting gegeven.

① Als integratievorm wordt axiale integratie geselecteerd, zodat de motor en omvormer zijn ontkoppeld en de motor met een grotere buitendiameter wordt geselecteerd. De uitbreiding van het vermogen wordt aangepast door de dikte van de kernstapel en het kernponsen kan volledig worden geplatformiseerd;

Als integratievorm wordt axiale integratie geselecteerd, zodat de motor en omvormer worden ontkoppeld en de motor met een grotere buitendiameter wordt geselecteerd. De uitbreiding van het vermogen wordt aangepast door de dikte van de kernstapel en het kernponsen kan volledig worden geplatformiseerd;

③Het reductiemiddel selecteert een grote reductieverhouding, die het motorkoppel kan verminderen. Het verminderen van het koppel kan de hoeveelheid motormaterialen direct verminderen en de motorkosten verlagen. IMCO, een speciaal hulpmiddel, wordt genoemd bij multi-standaard optimalisatie op basis van motorefficiëntie, prestaties en kosten, waarnaar ook kan worden verwezen.

Verschillende verliezen binnen de schakelende voeding

Geïntegreerde schaal en dimensie