白國(guó)軍，李軍，紀(jì)紅剛

(廣東省珠海市質(zhì)量計(jì)量監(jiān)督檢測(cè)所，廣東珠海 519000)

0 引言

CA7155PHEV(Plug-in Hybrid Electric Vehicle)車型(即奔騰B50PHEV)應(yīng)用的動(dòng)力電機(jī)系統(tǒng)是借用CA7154HEV(Hybrid Electric Vehicle)車型(即奔騰B70HEV)平臺(tái)。CA7154HEV車型開發(fā)始于2006年，當(dāng)時(shí)國(guó)內(nèi)新能源技術(shù)還處于科研起步階段，電力拖動(dòng)技術(shù)在汽車上的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)還較為有限，特別是永磁同步電機(jī)及對(duì)應(yīng)的電力拖動(dòng)和矢量控制技術(shù)，相應(yīng)地，滿足汽車工業(yè)要求的電力拖動(dòng)產(chǎn)業(yè)鏈也幾乎為空白。正是基于此種背景，CA7154HEV車型用動(dòng)力電機(jī)系統(tǒng)的首輪設(shè)計(jì)只達(dá)到了功能原型的要求，為后續(xù)設(shè)計(jì)方案的重大變更埋下了伏筆。

文中將簡(jiǎn)要論述首輪設(shè)計(jì)方案及其存在的問題，重點(diǎn)介紹在后續(xù)的變更設(shè)計(jì)中是基于怎樣的考慮、解決了哪些問題、實(shí)施了怎樣的驗(yàn)證及經(jīng)過不斷改進(jìn)驗(yàn)證后當(dāng)前產(chǎn)品狀態(tài)如何。

1 整車構(gòu)型簡(jiǎn)介

CA7155PHEV與CA7154HEV所用動(dòng)力總成構(gòu)型相同，如圖1與圖2所示。

圖1 混合動(dòng)力系統(tǒng)原理

圖2 混合動(dòng)力總成結(jié)構(gòu)原理

動(dòng)力總成是在傳統(tǒng)動(dòng)力總成(發(fā)動(dòng)機(jī)+離合器+機(jī)械式自動(dòng)變速器)的基礎(chǔ)上、以ADD-ON的形式增加起動(dòng)發(fā)電機(jī)(Belt-driven Starter/Generator，BSG)和驅(qū)動(dòng)電機(jī)(Traction Motor,TM)，具備全部混合動(dòng)力功能特性，是目前國(guó)內(nèi)最先進(jìn)的混合動(dòng)力總成。

BSG通過多楔帶與發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸聯(lián)結(jié)，實(shí)現(xiàn)機(jī)械動(dòng)力輸出起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)和發(fā)電輸出為高壓系統(tǒng)部件供電。TM通過鏈條與變速器二軸聯(lián)結(jié)，實(shí)現(xiàn)機(jī)械動(dòng)力輸出直接驅(qū)動(dòng)車輛和車輛制動(dòng)或滑行時(shí)通過回收車輛動(dòng)能發(fā)電輸出為高壓系統(tǒng)部件供電。

2 原動(dòng)力電機(jī)系統(tǒng)產(chǎn)品方案與問題

2.1 原系統(tǒng)產(chǎn)品技術(shù)規(guī)格

關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)見表1—3。

表1 原產(chǎn)品逆變器關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)

表2 原產(chǎn)品TM關(guān)鍵指標(biāo)

表3 原產(chǎn)品BSG關(guān)鍵指標(biāo)

逆變器、TM和BSG產(chǎn)品結(jié)構(gòu)外形見圖3、圖4和圖5。

圖3 逆變器產(chǎn)品結(jié)構(gòu)外形 圖4 TM產(chǎn)品結(jié)構(gòu)外形 圖5 BSG產(chǎn)品結(jié)構(gòu)外形

2.2 原系統(tǒng)產(chǎn)品技術(shù)方案

原系統(tǒng)產(chǎn)品技術(shù)方案是在2006年確定的，受限于當(dāng)時(shí)電力拖動(dòng)技術(shù)在汽車產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用水平和相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀，因此存在較多的不合理之處，表4—6列出了原系統(tǒng)產(chǎn)品存在技術(shù)問題的主要方案點(diǎn)。

表4 原產(chǎn)品逆變器方案

表5 原產(chǎn)品TM方案

表6 原產(chǎn)品BSG方案

2.3 原系統(tǒng)產(chǎn)品技術(shù)問題

在經(jīng)過后期各項(xiàng)試驗(yàn)驗(yàn)證、2008年北京奧運(yùn)會(huì)和2009年大連達(dá)沃斯論壇期間的示范運(yùn)營(yíng)考驗(yàn)后，原系統(tǒng)產(chǎn)品因先天方案缺陷所存在的問題均得到了充分暴露，表7—9列出原系統(tǒng)產(chǎn)品存在的主要技術(shù)和設(shè)計(jì)問題。

表7 原產(chǎn)品逆變器主要問題

表8 原產(chǎn)品TM主要問題

表9 原產(chǎn)品BSG主要問題

從表7—9可以看出:逆變器總成方案的不合理主要是由于選用不能滿足汽車應(yīng)用條件的零部件(具體包括母線電容、IGBT、高低壓電氣連接器、DC/DC和標(biāo)準(zhǔn)連接件)。主要原因是在2006年之前，新能源汽車技術(shù)在國(guó)內(nèi)還處于起步探索階段，相應(yīng)電力拖動(dòng)技術(shù)在汽車上的應(yīng)用還不成熟，即使在國(guó)外，除了豐田汽車之外，電力拖動(dòng)技術(shù)在汽車上也未得到廣泛應(yīng)用。因此，當(dāng)時(shí)就找不到能夠滿足汽車應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)的這些關(guān)鍵零部件資源。

對(duì)于產(chǎn)品結(jié)構(gòu)方案，由于項(xiàng)目初期更為側(cè)重技術(shù)開發(fā)和產(chǎn)品功能實(shí)現(xiàn)，因此未能對(duì)結(jié)構(gòu)方案做充分論證與優(yōu)化，這為后來因結(jié)構(gòu)不合理所導(dǎo)致的裝配困難、拆卸不便甚至無法拆卸、互換性差、防護(hù)不足、容易裝錯(cuò)和皮帶輪容易脫落等問題埋下了伏筆。

2.4 典型故障案例

圖6-11給出了原系統(tǒng)產(chǎn)品存在的積累典型故障，故障率都很高，該系統(tǒng)裝車后不具備開展整車可靠性試驗(yàn)的條件，因此各類問題在整車壽命期內(nèi)的實(shí)際故障率情況未做統(tǒng)計(jì)。

圖6 DC/DC燒毀-100%故障率圖7 電機(jī)絕緣失效燒毀

圖8 PG型高壓電連接，裝配困難，防護(hù)不足 圖9 電解型電容，發(fā)熱大、燒毀

圖10 BSG皮帶輪聯(lián)結(jié)不當(dāng)，使用中脫落 圖11 工業(yè)級(jí)電氣連接器,插拔力不足，無防錯(cuò)

3 動(dòng)力電機(jī)系統(tǒng)產(chǎn)品設(shè)計(jì)優(yōu)化

3.1 優(yōu)化后的產(chǎn)品技術(shù)規(guī)格

根據(jù)對(duì)標(biāo)普瑞斯結(jié)果，對(duì)車輛EV(Electric Vehicle)起步加速性能進(jìn)行提升，考慮CA7154HEV與CA7155PHEV兩款車型能夠?qū)崿F(xiàn)平臺(tái)共用，在新方案中，對(duì)TM性能指標(biāo)進(jìn)行了提升：即峰值扭矩由原150 N·m提升至260 N·m，峰值功率由原30 kW提升至40 kW。相應(yīng)地，提高匹配TM用IGBT的性能指標(biāo)，由原600 V、600 A變更至650 V、800 A，確保IGBT輸出不過載。

原BSG方案采用的是12槽的少槽低槽滿率的定子方案，其相電流呈現(xiàn)為梯形波特性，效率低，不能滿足整車高壓電平衡功能的應(yīng)用要求。為提高BSG輸出效率，將BSG定子方案變更為24槽的多槽高槽滿率方案，改變后相電流呈現(xiàn)正弦波特性，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)效率85%以上高效區(qū)面積由30%提升至50%。

通過使用滿足汽車標(biāo)準(zhǔn)的薄膜電容，有效降低了母線電容的容值(由原7 200 μF降至600 μF)，進(jìn)而有效提升高壓系統(tǒng)上、下電響應(yīng)特性，也確保了產(chǎn)品可靠性。

通過對(duì)電壓電氣系統(tǒng)電量平衡的再次核算，對(duì)DC/DC輸出性能指標(biāo)進(jìn)行提升，將原峰值輸出功率由1.2 kW提升至1.5 kW。

另外，為滿足整車高性能控制特性的要求，降低了扭矩控制誤差和扭矩響應(yīng)時(shí)間，特別對(duì)于TM，在低扭矩輸出時(shí)，要求其扭矩精度可以到1 N·m，扭矩分辨精度可以到0.25 N·m。

方案變更后的關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)見表10—12。

表10 新產(chǎn)品逆變器關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)

表11 新產(chǎn)品TM關(guān)鍵指標(biāo)

表12 新產(chǎn)品BSG關(guān)鍵指標(biāo)

3.2 優(yōu)化后的產(chǎn)品技術(shù)方案

根據(jù)原方案產(chǎn)品在試驗(yàn)和示范運(yùn)營(yíng)過程中暴露出的問題，對(duì)逆變器、TM和BSG 3個(gè)產(chǎn)品總成開展了總計(jì)20余項(xiàng)的設(shè)計(jì)方案整改，主要整改項(xiàng)見表13—15。

表13 新產(chǎn)品逆變器技術(shù)方案

表14 新產(chǎn)品TM方案

表15 新產(chǎn)品BSG方案

經(jīng)過對(duì)逆變器、TM和BSG的結(jié)構(gòu)優(yōu)化及關(guān)鍵零部件重新選型，最終完成3個(gè)總成的優(yōu)化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn):逆變器防護(hù)等級(jí)達(dá)到IP66、在整車上可以方便裝配與拆卸；TM電機(jī)防護(hù)等級(jí)達(dá)到IP67、定轉(zhuǎn)子與變速器殼體可以方便裝拆；應(yīng)用耐高溫軸承，確保軸承可靠性；傳感器結(jié)構(gòu)精確定位，可實(shí)現(xiàn)總成系統(tǒng)間自由互換；將BSG皮帶輪與軸的聯(lián)結(jié)由端面螺母配平鍵改為錐面配法蘭的結(jié)構(gòu)形式，確保了皮帶輪與軸的牢固聯(lián)結(jié)；實(shí)現(xiàn)高壓電連接一體防錯(cuò)結(jié)構(gòu)，提高裝配效率、確保裝配準(zhǔn)確。

3個(gè)產(chǎn)品總成的結(jié)構(gòu)外觀分別見圖12、圖13和圖14。

圖12 優(yōu)化后的逆變器結(jié)構(gòu)外觀 圖13 優(yōu)化后的TM結(jié)構(gòu)外觀 圖14 優(yōu)化后的BSG結(jié)構(gòu)外觀

3.3 關(guān)鍵設(shè)計(jì)方案

(1)系統(tǒng)拓?fù)?/p>

進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化后確定的系統(tǒng)電氣原理拓?fù)湟妶D15，結(jié)構(gòu)方案原理拓?fù)湟妶D16。

圖15 系統(tǒng)電氣拓?fù)湓?/p>

圖16 結(jié)構(gòu)方案拓?fù)湓?/p>

(2)逆變器在整車上的安裝布置

見圖17，新方案將逆變器布置在發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)左前方的位置，解決了原布置方案“懸置和冷卻進(jìn)出水管連接端口在逆變器底部盲區(qū)拆裝極其困難、逆變器布置在變速器正上方影響對(duì)AMT執(zhí)行器的維修保養(yǎng)、高壓線束連接出口在逆變器下方拆裝困難和影響高壓線束走向”等問題。

圖17 逆變器布置

(3)高壓電氣連接器結(jié)構(gòu)

為了解決PG單線連接存在“拆裝困難、容易出錯(cuò)和防護(hù)不足”的問題，新方案在參考豐田普銳斯3代產(chǎn)品的基礎(chǔ)上，對(duì)高壓電氣連接結(jié)構(gòu)進(jìn)行了充分論證與優(yōu)化設(shè)計(jì)，通過逆變器對(duì)BSG和TM三相電輸出的連接端子以“品字形”布置，實(shí)現(xiàn)“節(jié)省寬度方向空間充分利用高度方向空間、結(jié)構(gòu)防錯(cuò)和裝拆便捷”等功能或要求，根據(jù)不同位置結(jié)構(gòu)接口邊界，共設(shè)計(jì)了4款高壓連接器，結(jié)構(gòu)外觀見圖18—21。

圖18 高壓直流連接器 圖19 高壓交流連接器1

圖20 高壓交流連接器2圖21 高壓交流連接器3

(4)TM與變速器殼體聯(lián)結(jié)與密封

TM定子與水套間以過盈配合加鍵聯(lián)結(jié)，水套與變速器殼體以端面6個(gè)法蘭螺栓實(shí)現(xiàn)聯(lián)結(jié)(見圖22)，這種結(jié)構(gòu)解決了原方案無法將TM定子及水套從變速器殼體拆下的問題。

圖22 TM法蘭聯(lián)結(jié)固定形式

TM水套與變速器殼體通過徑向O形圈配合實(shí)現(xiàn)密封，由于變速器殼腔體較深，前O形圈在殼體內(nèi)的行程較長(zhǎng)，為了避免其長(zhǎng)距離磨損損壞，對(duì)水套前端結(jié)構(gòu)以階梯結(jié)構(gòu)處理，見圖23。

圖23 TM徑向O形圈密封形式

(5)BSG皮帶輪與軸間的聯(lián)結(jié)

因BSG需要電動(dòng)輸出起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)和發(fā)電輸出被發(fā)動(dòng)機(jī)拖動(dòng)，皮帶作用給皮帶輪的力有正反兩個(gè)方向。這樣，皮帶輪與軸間的作用力也會(huì)有正反兩個(gè)方向，如果采用平鍵傳力，會(huì)出現(xiàn)因正反兩個(gè)方向作用力的交替變化導(dǎo)致端面固定螺母松脫。新方案以皮帶輪與軸間為錐面配合、施加充分的壓力、進(jìn)而確保配合面間有足夠的摩擦力保證可靠傳動(dòng)，施加壓力的法蘭及螺栓不會(huì)受到正反雙向力作用的沖擊，聯(lián)結(jié)牢固，見圖24。

圖24 皮帶輪聯(lián)結(jié)形式

(6)逆變器集成高壓空調(diào)壓縮機(jī)直流供電

通過將空調(diào)壓縮機(jī)的直流供電端口集成在逆變器內(nèi)(見圖25)，取消原方案存在的高壓配電盒，并節(jié)省原較長(zhǎng)一段空調(diào)壓縮機(jī)供電線束，降低系統(tǒng)成本。另外，通過逆變器將高壓直流分電供給空調(diào)壓縮機(jī)，也因逆變器母線電容濾波效應(yīng)確保了供電質(zhì)量。

圖25 逆變器集成空調(diào)供電形式

(7)DC/DC電路原理

為了解決原方案DC/DC故障率高達(dá)100%的問題，開發(fā)了汽車級(jí)專用變壓器電路，見圖26。

圖26 DC/DC電路原理

(8)其他

此輪方案充分優(yōu)化了標(biāo)準(zhǔn)連接件的應(yīng)用，分別將逆變器、TM和BSG所用連接件集中為單一規(guī)格滿足汽車級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的型號(hào)，提高了產(chǎn)品的可靠性、制造性和生產(chǎn)率；另外，逆變器也充分應(yīng)用了市場(chǎng)上可獲得的、滿足汽車級(jí)標(biāo)準(zhǔn)要求的功率元器件，分別有國(guó)產(chǎn)薄膜電容和英飛凌HP1及HP2兩款I(lǐng)GBT；通過對(duì)位置傳感器作精確結(jié)構(gòu)定位，實(shí)現(xiàn)總成在系統(tǒng)間自由互換。

3.4 新方案實(shí)施的效果

目前，新方案在整車上已得到充分驗(yàn)證，整車可靠性試驗(yàn)里程已累積超過50×104km，滿足碰撞法規(guī)要求。

CA7155PHEV車型在2012年12月成功投放示范運(yùn)營(yíng)市場(chǎng)，總計(jì)投放車輛43輛。算上技術(shù)中心和新能源分公司投放的用戶使用試驗(yàn)用車(車型包括CA7154HEV)，目前累計(jì)投放約60輛，動(dòng)力電機(jī)系統(tǒng)的使用情況總體反映良好。

4 結(jié)論

(1)新方案產(chǎn)品滿足并經(jīng)過系列汽車法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)(見表16)的驗(yàn)證，滿足整車應(yīng)用需求。

(2)新方案中TM的性能指標(biāo)優(yōu)于普銳斯3代(見表17)。

(3)新方案充分依據(jù)汽車標(biāo)準(zhǔn)要求，確定各關(guān)鍵零部件選型，確保產(chǎn)品可靠性；

(4)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)高度功能集成、高效裝拆并防錯(cuò)和低成本；

(5)通過示范運(yùn)營(yíng)的表現(xiàn)，新產(chǎn)品滿足應(yīng)用需求，是成功的。

表16 產(chǎn)品滿足的標(biāo)準(zhǔn)

表17 TM性能指標(biāo)與Prius的比對(duì)

參考文獻(xiàn):

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