分析|淺陸電力驅動系統EMR4

2022-04-01 1224

1. 前言

隨著電動車在市場上的顯著加速發展，不同品牌、不同細分市場、不同車型的差異性也日益增大，最大限度地提高電力驅動系統的適用性顯得至關重要。已經量產的EMR3（第三代電力驅動系統）和正在研發的EMR4（第三代電力驅動系統）等電力驅動系統，都是採用系統級多標準最佳化方法進行設計的。 EMR4相比上一代產品，效率提升高達5%，功率擴展性顯著提升，成本大幅降低。

提高效率和性能是整車電驅動系統提出的技術路線和方向。為了推動EMR4性能的提升，許多影響電力驅動效率和性能的環節都進行了細節優化。為了可擴展性，許多內部和外部介面也進行了標準化，以確保三大主要部件——電力電子逆變器、馬達和減速器——能夠按照定制要求的原則盡可能自由地組合。在電力驅動系統聲學舒適性方面，重點將系統在全工作MAP上的噪音特性（噪音和振動的劇烈程度）進行模擬、測試和最佳化。 EMR4的研發從一開始便吸收了前幾代電力驅動系統的相關經驗。

2. EMR4架構

為了獲得更大的可擴展性，EMR4電力驅動系統的基本結構與目前的EMR3相比發生了變化。所有三個基本組件（電力電子逆變器、馬達和減速器）在 EMR4 中均呈直線佈置（軸向整合）。

透過這種基本結構，可以連接不同設計中需要最大可變性的兩個部件，並且可以在殼體尺寸範圍內實現減速器變速箱的修改要求。這種內聯排列構成了 EMR4 關鍵架構特徵的基礎。

開發過程中規劃的標準配備（針對A至J2區段的車輛，即車重級別為1,800kg至2,800kg）可透過60mm（入門級）、90mm（基礎級）或105mm（增強級）三種馬達長度尺寸覆蓋，如圖2所示。根據設計，新開發的EMR4驅動系統可提供80kW和最大230kW的功率（10秒）。此驅動系統的扭力範圍為1,700Nm至4,000Nm（10秒），可擴展性在模組重量上顯而易見。

根據驅動器的功率需求，其重量在45kg至80kg之間。根據前期研究成果，相較於EMR3，EMR4驅動系統在WLTP下可達到5.6%的效率優勢，這將對車輛續航里程產生顯著影響。根據驅動的功率需求，其重量在45kg至80kg之間。根據前期研究成果，相較於EMR3，EMR4驅動系統在WLTP下可達到5.6%的效率優勢，這將對車輛續航里程產生顯著影響。複製回饋

這些值是透過對驅動系統中的幾個中心效應鏈進行系統最佳化而獲得的。這裡透過許多詳細的措施已經實現了改進的潛力。與優化後的EMR3相比，EMR4的效率有大幅提高，功率密度提高了20%以上，但成本進一步降低。雖然EMR4在許多地方都採用了優質材料，但材料的技術優勢使得其可以在其他領域節省更多成本，優化成本。

2.1 架構和電機

PSM馬達的直徑（其外殼的直徑）設計用於整合 EMR4 固定。 R4平台馬達的定子外徑為208mm，相較於EMR20馬達略大4mm。但為提高馬達性能而設計的措施，使EMR4馬達的軸向長度與現行軸向驅動相比縮短了近一半（90mm而非175mm）。

現在定子每個槽至少有四層（而不是 EMR3 中的兩層）。以後根據具體情況選擇多少層（例如4-8層），嚴格依照所需的成本要求和性能等級或電壓來決定。最小化成本和最大化活動部件潛力之間的平衡是一個需要考慮的重要因素。

2.2 架構及電力電子控制器

R4平台逆變器是基於Vitesco Technologies（EPF4）的第四代高壓電力電子產品。對於EMR4平台的功率範圍，高度整合的EPF4逆變器可提供三種功率等級：290A（入門級）、550A（基礎級）和820A（增強級）。 Entry版本提供了高性價比的解決方案，輸出功率高達80kW(10s)，扭力高達1700Nm(10s)。此版本基本上適用於廣泛的應用，功率輸出高達 135/165kW(10s)，扭力為 2,500/3,000 Nm(10s)。增強設計，輸出扭力可達2800Nm和4000Nm，功率高達230kW。

然而，原則上，所有逆變器型號都可以與每種馬達功率型號和每種所需的減速器結合。這需要滿足不同於標準大眾乘用車的特殊要求（例如物流車輛）。此逆變器的尺寸僅為270×221×126mm，設計非常緊湊。

2.3 並架減速機

根據馬達扭矩，該平台包括三種版本的減速器配置為<: 2="">

估計減速比在 i = 9.3 和 i = 11.64 之間。與上一代相比，此減速比有所擴大，因此可充分利用馬達更高的峰值轉速。在減速器中，這種高減速比措施可以顯著節省馬達的成本，並且在使用更高品質的材料成本方面提供了降低成本的機會。

此減速器設計輸入轉速為16000rpm，馬達扭力輸入為255Nm。此減速器提供高達3000Nm的軸扭力輸出。

最大允許軸轉速為1720 rpm。電動停車裝置可以選擇性地整合到減速器中。

3.影響效率因素優化

從世界範圍來看，電動車效率進一步提高的趨勢明顯。里程和電池尺寸/成本考慮，以及旨在控制空氣污染和減緩氣候變遷的法律要求，都導致了這種情況。此外，電力驅動效率的進一步提高也增加了汽車的吸引力，因為由此帶來的系統成本降低。 WLTP中的Wh/km用來衡量能耗。

許多單一因素決定了汽車的效率。雖然大部分是由整車引起的，但動力系統也有相當大的影響。許多單一因素決定了汽車的效率。雖然大部分是由整車引起的，但動力系統也有相當大的影響。

圖3以整合驅動系統為例，說明動力系統及其特定損耗對整車效率的影響。一般來說，約有三分之一的損失是由於駕駛造成的，約有三分之二的損失是由於整車造成的。

EMR4在電力電子逆變器、馬達和減速器等方面取得了進一步的進步，提高了車輛的整體效率：與上一代相比，EMR4的效率大幅提高，在WLTP下每輛D級車的平均總能耗可降低5.6%。

3.1並且提高了馬達和逆變器的效率。

EMR4平台的動鐵芯採用由非常薄且高強度的矽鋼片製成的疊片鐵芯，以更少的材料實現更高的馬達轉速。目前最高轉速為16,000 rpm（EMR 3：14,000 rpm）。透過增加齒輪比，可以降低馬達扭矩，從而節省馬達材料。此外，EMR4馬達的持續功率也得到了很大的提升。由於損耗大大降低，冷卻結構優化，馬達最高轉速下可持續輸出40-80kW。由於馬達長度短、設計緊湊，散熱更有效，因為從馬達中心的熱點到其邊緣的散熱路徑更短。

增加的齒輪減速比（請參閱第 2.3 節）意味著在相同的軸扭力下需要更低的馬達扭力。結合新型轉子鈑金切割、磁阻增大等技術，使磁鋼重量明顯減輕，功率不變，效率提升。

EPF4逆變器工作電壓為210V～470V，PWM開關頻率為2～12kHz。依工作點的不同，分段應用磁場定向控制（FOC）演算法，如傳統空間向量脈寬調變（=低速時為SVPWM，可實現較大電流）、同步PWM（=中速範圍為SynchPWM）、非連續PWM（=中速範圍為GDPWM）和雙向磁通調變（=高速範圍為FBM）。馬達前端的轉子位置感測器提供轉子位置訊號。

圖4顯示了模擬過程中用於評估馬達和逆變器損耗的參考工作點。更高的效率增益，特別是在高速旋轉時，正是因為較薄的馬達矽鋼片可以透過增加疊片層數來降低鐵損。

4.EMR4平台實作方法

整合電驅動系統的應用範圍日益擴大。只有在效能、效率、成本、尺寸、重量等方面具備較高的可擴展性，才能滿足市場的多樣化需求。可擴展性最終意味著可以根據應用組合相關的主要組件來滿足要求。考慮到定義驅動系統所需性能特徵的參數數量眾多以及它們之間的複雜相互作用，在設計中徹底實現細節非常具有挑戰性。

例如，在EMR4平台開發過程中，我們進行了廣泛的敏感度分析，以確定WLTP中單一參數對電力驅動系統效率的影響，如圖6所示。

為了實現預期性能特徵和相關成本的最佳權重，開發人員在此多標準開發階段使用了專用工具iMCO，如圖7所示。

5.及內外接口。

如前所述，在設計整合驅動系統時，從整車角度徹底簡化了單獨設計的電力驅動的複雜性，將複雜性轉移到驅動系統內部。這裡，複雜性的轉移也可以從驅動系統內外的諸多介面得到證明。圖8顯示了驅動系統中各個功能之間的內部接口，以灰色突出顯示，整個車輛的外部接口以綠色圓圈顯示。

為了實現預驗證EMR4平台部件的充分擴展性，所有主要部件，即逆變器（三個版本）、減速器（三個版本）、轉子和定子（各三個長度）、馬達殼體（三個長度）和軸承板（兩個版本的「蓋」）都有明確的內部和外部介面定義。這使得將不同的組件設計與統一的介面結合成為可能。

噪音和電磁輻射也是電傳動系統的關鍵指標。為了在電力驅動下盡量減少結構噪音對車身振動的影響，對驅動系統在全工況下的聲學品質（噪音、振動、聲振粗糙度、NVH）做了大量的優化工作，如圖9、圖10所示。在EMR4平台上，基於A樣車成功測試了模擬結果。

此模擬技術還可用於優化支架的形狀，避免與車輛結構設計相關的激勵共振。

EMR4平台電磁相容性符合CISPR25-2016 Class 3標準，如圖11所示。

6.總結

R4平台的開發吸收了三代電力驅動系統的工業化經驗：截至2021年初，光是EMR4就已向客戶交付超過150,000萬台。 EMR4 的效率和性能得到了顯著提高，而且成本更低，與優化的 EMR3 驅動系統相比也是如此。尤其是新平台的高可擴展性，使得EMR4驅動系統在各類不同車型上都具有極高性價比的應用前景。

目前EMR4平台可擴展輸出功率在80kW~230kW之間，質量僅在45公斤~80公斤之間。高功率密度支援大量車型向電動轉型。為了滿足目前指定範圍以上或以下的效能要求，產品組合擴展的開發將於 2021 年開始。

EMR4平台透過系統的成本優化，幫助電動車的購買成本接近以往內燃機汽車的標準。隨著EMR4驅動系統效率的進一步提高，電池成本也隨之降低。

EMR4平台代表客製化的現成解決方案，始終專注於產品的標準化和模組化。在系統約束下，透過整合和系統專業知識形成客戶特定的差異化。這種方法在成本優化和個人化之間取得了平衡，並輔以多年的生產經驗和品質控制。基於此策略，緯湃科技積極與客戶和供應商合作，共同推動電動出行的成長。

對平台產品的思考

我相信很多企業都分析過如何將三合一電驅系統平台化，而Vitesco EMR4的平台化思維給了我們很多啟示：

①整合形式選擇軸向一體化，使馬達與變頻器解耦，並選用外徑較大的馬達。力量的擴張是透過鐵芯疊厚來調整的，並且鐵芯沖孔可完全平台化；

整合形式選擇軸向一體化，使馬達與變頻器解耦，並選用外徑較大的馬達。力量的擴張是透過鐵芯疊厚來調整的，並且鐵芯沖孔可完全平台化；

③減速器選用較大的減速比，可降低馬達扭力。降低扭力可以直接減少馬達材料用量，降低馬達成本。在基於馬達效率、性能、成本的多標準最佳化中提到了IMCO這個專用工具，也可以參考。

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