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关于轿车高集成电驱动桥的原理分析以及应用

更新时间:2019-08-13

  汽车电气化需要采用紧凑型的高功率驱动装置。如果原驱动装置也通过单个部件组成,据此功率密度更高的高集成紧凑型驱动单元即会更受欢迎。本文介绍了一种高集成电驱动单元,其将

  近年来德国在降低CO2排放方面出现了技术瓶颈,从2009年起每年约为9亿t CO2当量,超过了联邦政府2020年目标值的20%。为了满足未来轿车市场的CO2排放目标,不仅对纯电动车而且对混合动力汽车和可再生燃料的需求均呈现较高的增长率,因此在此期间车辆的电气化即为大势所趋,目前在所有市场中均可不同程度地观察到这种趋势。图1示出了全球汽车市场的趋势预测。2030年电动车的预测销量为2 000万辆,处于最快的增长阶段,其中中国市场每年几乎可达1 000万辆,占有最大的份额。

  当今电动车大多是传统车型的衍生车型,无论是传统车辆、混合动力车或是电动车,其往往是基于同一种车型,因此电驱装置和蓄电池系统需充分适应整车边界条件,同时电驱装置是传统内燃机的有效替代装置,因此在发动机舱内更易于找到宽敞的位置,当然其还可用于车辆内部空间和蓄电池组。

  在以纯电动车为代表的车型上,发动机舱被大幅缩小或直接取消,因此其有更宽敞的车内空间可用作乘客车厢,也具有更多的位置以安装蓄电池组。在该滑板结构型式的情况下,驱动装置仅起到次要的作用,因此期望未来电驱动装置的设计更为紧凑,其能被安装在一个或两个车桥上,因而结构高度较低且功能强劲的紧凑型驱动装置会有更广阔的市场,尤其是配装于汽车尾部地板下的结构部件。图2示出了经过几代演变的电动车结构型式。

  开发新型高集成驱动单元(图3)最主要的目标是:(1)高度低的紧凑型结构型式(适用于地板安装位置);(2)适合于低成本大量生产;(3)较高的集成密度;(4)整体式冷却;(5)基于系统层面的较高功率密度;(6)可分等级;(7)具有非常好的噪声-振动-平顺性(NVH)特性。

  根据这些要求为目标用途确定下列最低要求:(1)C/D级车型,质量最大可达2 000 kg;(2)最大车桥转矩3 500 N·m;(3)0~100 km/h加速性小于6 s;(4)最高车速200 km/h(车轮转速1 500 r/min);(5)持续功率100kW,足够实现长途行驶的最高车速180 km/h,并包括用于爬坡的3%的储备功率;(6)停车锁定和空挡功能。

  在方案设计阶段就针对各种不同的车型结构型式和要求进行了对比和评估。总高度和较高的NVH要求对选择共轴设计起到了决定性的作用。减速齿轮传动机构采用行星齿轮变速器,电机则被集成在转子中。为了获得所需的行驶性能需具有高达230 kW的峰值功率(30 s)。

  为了获得必要的车轮转矩和所期望的最高车速,电驱单元必需的档位数取决于所配装的驱动装置的峰值功率。在轿车使用场合,因所需的持续功率较高,大多数仅采用单档变速器即可满足要求,这是由电驱动装置可用的较大峰值功率和独特的扭矩特性曲线所决定的。即使在上述应用场合,因所安装的驱动装置具有230 kW峰值功率,仅需使用单档变速器即可。

  以行星变速器为基础的齿轮组除了结构型式紧凑之外还具有声学方面的优点。在圆柱齿轮啮合情况下,系统条件所决定的旋转均匀性会对轴承部位产生较大的冲击力,但是由于行星齿轮的星形布置和支承在一个共同的行星齿轮支架上,冲击力在很大程度上被抵消了,为此在该结构型式情况下,其基础激励相对较小,有助于改善整个系统层面上的噪声性能。

  这种齿轮组由两层齿轮组成,并且被设计成无内齿圈的行星齿轮组,同时共用的行星齿轮支架被用作电机输入端和作为从动端的一个大中心轮,而小中心轮则支撑其相应的反作用力矩,采用该结构能实现较大的固定传动比。省略内齿圈可降低制造成本,因为内齿圈是行星齿轮组中最昂贵的零件,而且采用无内齿圈结构型式的行星齿轮组可布置在电机转子架内部。这种结构的一大弊端是在较高的传动比情况下会增大无功功率,并对齿轮组效率产生负面影响,但是在总传动比为7.2的情况下所选择的齿轮组设计的无功功率尚可接受。

  停车锁定装置被设计成轴向停车锁定结构型式,并被集成在齿轮组中,其被同心布置在驻车制动器周围,因此停车锁定和空挡功能仅需使用一个执行器,该执行器可通过一个斜面将伺服电机转子的运动转换成轴向运动。

  操纵是以此进行设计的,使两个对安全性具有重要意义的状态空挡位和停车位处于执行器运动的终了位置,因此始终能通过机械式末端挡块阻止起步并可靠地达到这两个状态,同时通过计算在电执行器轴上的增量即可测量其升程,因而对执行器的最高功能安全性要求将从典型的ASIL C标准(汽车安全完整性等级C级标准)降低到QM(质量管理),从而可降低执行器、传感器和软件等方面的成本。图4示出了齿轮组的杠杆图和3D视图。

  伺服电机和与其相连的扇形齿轮的旋转部分通过滑槽转换成操纵套筒的轴向运动,这个套筒操纵空挡-驱动(N-D)换挡套筒和停车锁定器体,其中视操纵方向而定中间还可连接一个预张紧弹簧。停车锁定器体将圆锥体与常规拉拔圆锥体停车锁定器止动爪的功能被合成同一部分。

  N-D换挡套筒被执行器可直接(无预张紧弹簧的影响)从N(空挡)移向D(驱动挡),。首先停车锁定器被直接设计成可从停车终端位置移向下一个位置,然后再通过预张紧弹簧档位从D中间位置移向空挡终端位置。这两种功能是通过同一个弹簧实现的,图5示出了轴向停车锁定器。

  电机和变频器的成本约占驱动单元总成本的三分之二,总效率损失约占整个系统的80%,因此应对这些部件进行充分优化。进行优化的重要标准是实现较高的效率、较少的电能消耗、较高的功率密度以及较低的制造成本,但上述要求通常存在相互对立的情况,因此需进行协调,以实现折中。

  鉴于要求对效率有着较高的技术要求,因此通常选用永磁式同步电机,其具有较高的理论效率及实际效率,尤其是在部分负荷工况下。

  通过将齿轮组集成到转子中,为此可获得了较大的直径-长度比,以此又能获得更具优势的转矩-电流比,其可直接对变频器的成本产生有利的影响,此外可使电机的最高转速降到10 000 r/min,以此降低了系统惯性,可使其获得良好的动态性能,并对汽车上的调节系统产生的影响较小。

  由于结构长度较短,定子可应用单牙技术,除了铜填充系数较高和有效铁芯长度相对较大之外,该类技术还有利于实现降低成本的大规模生产。

  同时还采用了多相换流器,此类技术的基本优点是其系统具有较好的储备能力,甚至在短路情况下仍可使系统转换到应急状态运行。其他方面的优点是具有较高的功率,尤其是优良的旋转均匀性。

  良好的NVH特性是未来电驱装置在市场上得以推广的基本要求。多相系统提供了明显更丰富的可能性,能通过主动控制以在某种程度上降低噪声,并可降低最高转速、实现较好的旋转均匀性,同时与集成行星变速器相结合即可获得良好的NVH特性。

  电驱动桥被制成了全集成式单元,具有一个齿轮组、差速器和电机共用的机油循环回路。润滑剂不仅需满足润滑和冷却等方面的多种要求,特别是具有较高的温度稳定性和化学稳定性、较小的乳化倾向以及对铜和绝缘材料的较低腐蚀性。

  冷却循环回路被分成两部分,由一个外部冷却水套和一个内部机油循环回路组成(图6)。外部冷却循环回路按常规方法建立,而且能满足以持续功率运行的冷却要求。

  峰值功率对加速性能和回收性能具有决定性的作用,为了提高峰值功率,设置了一个内部机油冷却循环回路。这种解决方案的缺点是机油泵的能量需求往往过高。

  为了回避此类缺点,采用了由一个电动离心泵组成的离心式甩油冷却。离心泵将经过水套旁的机油导入中心轴,同时由此实现简单的热交换。这种离心泵的优点是,除了结构简单及其制造成本较为低廉之外,能量需求也相对较低,最大功率消耗仅20 W,输送机油所需的更多能量可直接从转子的旋转中获得。与压力机油泵相比,此类系统可节省约50%的能量。

  机油从轴中流出进入齿轮组并确保其润滑效果,流出的机油在转子外缘被截流并被导入叠片铁芯下方,以用于冷却转子。机油在叠片铁芯两端被截流从而进入支承环,之后通过钻孔被甩向定子绕组两端,因此即使离心泵消耗较少的电功率,也能使整个系统实现有效的冷却,因为电机本身也被用作泵的动力来源。采用此类标准的离心泵,机油流量即可按需进行调整。

  通过上述驱动单元介绍了新一代电驱动装置,其可用于当前及未来的电动车和混合动力车。通过集成度在系统层面上实现了较高的功率密度,同时优化了整车的声学性能。

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  JA是一款专为三相无刷电机设计的PWM系统预驱动器IC。该IC采用高效正弦波PWM驱动方式,可降低电机驱动噪声。它集成了全套保护电路,通过与STK611或STK5C4系列中的混合IC相结合,可以减少所使用的元件数量,并实现高水平的可靠性。此外,其省电模式使待机模式下的功耗降至零。该IC最适合驱动各种大型电机,例如空调和热水器中使用的电机。 特性 三相双极驱动器 正弦波PWM驱动器 驱动相位设置功能(设置0-58°32步:有一个对应CTL引脚输入的调整功能) 支持省电模式(CTL引脚电压为0.95V(典型值)或更低时的省电模式; ICC = 0mA,HB引脚关闭) 支持bootstrap 自动恢复类型约束保护电路 正向/反向开关电路,霍尔偏置引脚 限流电路,低压保护电路和热关断保护电路t FG1和FG3输出(360度电角度/ 1脉冲和3个脉冲) 电路图、引脚图和封装图...

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  W是一款预驱动IC,专为三相无刷电机的变速控制而设计。它可用于使用内置电荷泵电路实现高端和低端输出N沟道功率FET驱动电路。通过使用低噪声PWM驱动和同步整流系统可实现高效驱动。 特性 速度鉴别器和PLL速度控制系统 集成VCO 速度锁定检测输出 霍尔偏置开关 制动电路 集成电流限制和锁定保护电路 应用 终端产品 计算与计算外围设备 多功能打印机 电路图、引脚图和封装图...

  6是一款12通道半桥驱动器,具有专为汽车和工业运动控制应用而设计的保护功能。该产品具有独立的控制和诊断功能,驱动器可在正向,反向,制动和高阻状态下运行。该器件通过16位SPI接口控制,并且与菊花链兼容。 特性 低静态电流休眠模式 半桥连接高端&低侧驱动器配置 集成高低侧续流保护 0.5 A峰值电流 RDS(on)=0.85Ω(典型值) 5 MHz SPI控制 符合5 V和3.3 V系统 欠压&过压锁定 全局故障报告 过流保护 过温保护 低侧欠载检测 菊花链兼容多个8位器件 16位帧检测 应用 汽车 工业 暖通空调应用的直流电机管理 电路图、引脚图和封装图...

  6B是一款12通道半桥驱动器,具有专为汽车和工业运动控制应用而设计的保护功能。该产品具有独立的控制和诊断功能,驱动器可在正向,反向,制动和高阻状态下运行。该器件通过16位SPI接口控制,并且与菊花链兼容。 特性 低静态电流休眠模式 半桥连接高端&低侧驱动器配置 集成高低侧续流保护 0.5 A峰值电流 RDS(on)=0.85Ω(典型值) 5 MHz SPI控制 符合5 V和3.3 V系统 欠压&过压锁定 每通道故障报告 过流保护 过温保护 高侧和低侧欠载检测 菊花链兼容多个8位器件 16位帧检测 应用 汽车 工业 暖通空调应用的直流电机管理 电路图、引脚图和封装图...

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  HEDR-54xx系列编码器的定心工具。它将底板与电机轴对齐。 应用 背光按钮/开关

  AEAT-84AD提供光电机械单元的所有功能,以便通过单圈绝对值编码器实现绝对多圈编码器,组合容量最高可达30扩展温度下的位。 该单元由一个IR-LED电路板,一个光电晶体管(PT)电路板和布置在PCB之间的6或7个齿轮组成。 功能 16384(14bits)转数版 光学,绝对多圈装配,最大值。直径55毫米,典型高度12.2毫米。 工作温度-40C至125C 机械联轴器采用14齿齿轮小齿轮,模块为0.3 运行速度高达12,000 rpm 用于电源和信号的2x4极引脚条 应用 机器人 li

  Broadcom的AEAT-84AD通过提供多圈功能增强了AEAS-7000单圈模块的功能,并且无需对齐(通过其即插即用功能)。值得注意的是,它能够在高达125℃的温度下运行,使应用程序在更恶劣的操作环境中使用。 Broadcom的AEAT-84AD是一个附加模块,可为AEAS-7000增加电机轴转数计数能力,AEAS-7000是业界最小的高端产品。速度,即插即用的绝对编码器。 AEAS-7000绝对编码器和AEAT-84AD轴转数计数模块的组合采用模块化方法,与其他方法相比,手机开奖结果现场直播!可将组装步骤数减少到4个这需要多达8个步骤。编码器组合还可将所需组件数量从大约120个减少到4个,从而降低了库存,制造和采购成本。因此,客户的供应链正在简化!此外,它还通过业界首创的即插即用功能消除了对多个校准调整的需求,从而缩短了制造商的设计周期。 绝对编码器用于需要有关组件位置信息的机器之前发生任何动作。 AEAS-7000 / AEAT-84AD的位置分辨率范围为12位至16位,结合12位或14位旋转计数分辨率。 功能 4096(12bits)转数版 光学,绝对多圈装配,最大值直径55 mm,典型高度12.2 mm。 工作温度-40C至125C 通过14齿齿轮小齿轮机械联轴器,模块为0.3 工作速度高达12...

  Broadcom光纤(FO)短链路是一种经济高效的半导体产品,可在单个PCB上提供12 kV瞬态电流隔离。 FO Short Link基于650 nm光纤技术,适用于逆变器/驱动器,电力电子或医疗设备等应用。 FO Short Link产品提供爬电距离和间隙距离,最小值为18.1 mm。此外,HFBR-3810MSZ器件提供金属屏蔽选项,可提供更高的EMI和ESD抗扰度。 特性 金属屏蔽选项,可提供更高的EMI和ESD抗扰度 信号速率为DC至10MBaud的数据传输 具有CMOS / TTL输出的直流耦合接收器,易于设计;无需数据编码或数字化电路 高抗噪性 符合IEC 60664-1的瞬态电压抑制高达12kV 激光等级1,根据IEC-60825:修订2001 符合RoHS标准 应用 变频器/驱动器 电力电子 医疗/ X光设备 电隔离...

  Broadcom光纤(FO)短链路是一种经济高效的半导体产品,可在单个PCB上提供12 kV瞬态电流隔离。 FO Short Link基于650 nm光纤技术,适用于逆变器/驱动器,电力电子或医疗设备等应用。 HFBR-3810Z和HFBR-3810MSZ器件提供爬电距离和间隙距离,最小值为18.1 mm。 功能 信号速率为DC至10MBaud的数据传输 具有CMOS / TTL输出的直流耦合接收器,易于设计;无需数据编码或数字化电路 高抗噪性 符合IEC 60664-1的瞬态电压抑制高达12kV 激光等级1,根据IEC-60825:修订2001 符合RoHS标准 应用 变频器/驱动器 电力电子 医疗/ X光设备 电隔离...

  Broadcom® BCM81724是单芯片8倍; 56 Gb / s到16× 25 Gb / s NRZ倒档变速箱,8次; 56 Gb / s PAM-4直通模式PHY。它支持PAM-4和NRZ数据格式。它支持Retimer,Forward和Reverse Gearbox模式。它还支持1G,10G,25G,40G,50G,100G,200G和400G线卡应用。 片上时钟合成由低成本的156.25 MHz参考时钟执行高频,低抖动锁相环(PLL)。 BCM81724采用先进的低功耗16纳米CMOS技术制造,可提供19毫米和更短的时间; 19毫米,0.8毫米间距,484球BGA,符合RoHS标准的封装。 特性 主机端接口:30 dB 线 dB 芯片到模块(C2M)兼容 正向和反向变速箱模式和重定时器模式 支持前向纠错(FEC) 支持400G-CR8模式 线路侧接收器集成交流耦合电容 PAM-4和NRZ的多标准和线速支持 连续自适应均衡器 线路和系统侧环回 PRBS发电机/错误检查器 线路侧每个通道的眼睛监控,通过MDIO访问 单个低成本REFCLK输入 恢复时钟输出 支持SGMII传递 与Broadcom ASIC和商用交换机芯片互操作 低功耗16纳米CMOS设计 19毫米与时间; 19毫米BGA,0.8毫米球...

  HEDS-5500/5540,HEDS-5600/5640和HEDM-5500/5600是高性能,低成本,双通道和三通道光学增量编码器。这些编码器强调高可靠性,高分辨率和易于组装。 每个编码器都包含一个带透镜的LED​​光源,一个带探测器和输出电路的集成电路,以及一个在发射器和探测器IC之间旋转的码盘。 HEDS-5500/5600和HEDM-5500/5600的输出是两个正交的方波。除了两个通道正交之外,HEDS-5540和5640还具有第三通道索引输出。该指数输出为90度电高度,真正的指数脉冲,在码盘每旋转一圈时产生一次。 HEDS系列采用金属码轮,而HEDM系列采用胶片码盘,可实现分辨率到1024 CPR。 HEDM系列没有第三个通道索引。 这些编码器可以快速,轻松地安装到电机上。对于直径较大的电机,HEDM-5600和HEDS-5600/5640具有外部安装耳。 正交信号和索引脉冲通过位于0.1英寸中心的五个0.025英寸方形引脚进行访问。 / p

  目前可提供每转96到1024个计数的标准分辨率。有关其他分辨率,请咨询当地的Agilent Technologies销售代表。 功能 带有可选索引脉冲的双通道正交输出快速简便的装配无需信号调整外部安装耳可用低成本分辨率每转最多1024个计数小尺寸 -40°...