Integrerede elektriske drivenheder

En integreret elektrisk drivenhed samler flere fremdriftsfunktioner i én enhed. Som minimum kombinerer den en trækmotor og et reduktionsgear; en stærkt integreret e-aksel kan desuden omfatte inverter, differentiale, parkeringslås, smøring, pumper, kølekanaler, sensorer og styreelektronik.

Hvad integration betyder

Betegnelserne e-aksel, elektrisk drivenhed, elektrisk drivmodul og integreret drivenhed har ikke standardiserede produktgrænser. Én leverandør kan kalde en motor- og gearkasseenhed for en e-aksel, mens en anden kun bruger samme betegnelse, når inverter og differentiale er inkluderet.

Funktionskæden er stadig den samme:

højspændingsjævnstrøm når inverteren;
styret fasestrøm skaber motormoment;
reduktionsgear omdanner motorhastighed til udgangsmoment;
et differentiale eller separate gearforløb fordeler momentet til hjulene;
lejer, smøring, køling, sensorer og software holder enheden inden for dens driftsgrænser.

Integrationen ændrer, hvor disse grænser fysisk ligger. Den fjerner ikke de underliggende funktioner.

Fordele ved indbygning og elektrisk opbygning

Placering af inverteren tæt på motoren forkorter vekselstrømsforbindelserne med høj strøm. Korte strømskinner eller interne ledere kan reducere kabelmasse, modstand, induktans, elektromagnetiske emissioner, stik og monteringstrin. Fælles huse og strukturelle vægge kan mindske pakkevolumen og fjerne dobbelte beslag.

BMW's femtegenerationsdrivlinje kombinerer motor, effektelektronik og transmission i ét hus. Bosch beskriver en eAxle, der samler de samme tre hovedfunktioner, mens ZF's modulplatform også behandler software og, hvor det er nødvendigt, en konverter som byggesten på systemniveau.

Kompakt indbygning kan frigøre plads til battericeller, affjedringsgeometri, kollisionsstruktur, kabine eller bagage. Koaksiale udformninger placerer motoraksel, gear, differentiale og drivaksler på linje, mens udformninger med parallelle aksler forskyder motoren, så den passer til akselhøjden og den tilgængelige plads. Ingen af løsningerne er i sig selv mere effektiv; tandindgreb, lejerbelastninger, udveksling, køling og pladskrav afgør resultatet.

Fælles køling og smøring

Integration gør det muligt at udforme de termiske veje omkring hele systemet. Et vand-glykol-kredsløb kan køle inverteren og statorhuset, mens olie smører gear og lejer og køler viklinger eller rotor direkte. Varme kan udveksles mellem olie, kølevæske, kølemiddel og køretøjets overordnede termiske system.

En fælles væske kan fjerne komponenter, men skaber krav til kompatibilitet. Smøremidlet skal understøtte tandkontakt, lejelevetid, pumpedrift, elektrisk isolation, kompatibilitet med kobber og polymerer, kontrol med luftindblanding og forudsigelig viskositet over temperaturintervallet. Metalliske slidpartikler må ikke nå følsomme elektriske isolationsafstande.

Tørsumpsystemer bruger en pumpe til at opsamle olien og levere den, hvor der er behov for den, i stedet for at lade roterende gear være dybt nedsænket. Det kan reducere omrøringstab og forbedre styringen af kølingen, men pumpeeffekt, filtrering, ventiler og fejlhåndtering bliver en del af drivenhedens effektivitet og holdbarhed.

Lejer, aksler og elektriske strømme

Motorlejer understøtter høj rotorhastighed og opretholder en smal luftspalte, mens gearkasse- og differentialelejer optager gearadskillelseskræfter og hjulbelastninger. Arkitekturen bestemmer, hvilke belastninger der deles af en aksel eller et hus. Termisk udvidelse, husets stivhed, forspænding, smøring og produktionsjustering påvirker friktion, støj og levetid.

Inverterens kobling kan skabe fællesmodespænding mellem rotor og stator. Hvis akselspændingen aflades gennem et leje, kan gentagne elektriske lysbuer beskadige løbebaner og smøremiddel. Ingeniører bruger jordingsbørster, ledende veje, isolerede eller hybride lejer, fællesmodusfiltrering, viklingsdesign og inverterstyring til at håndtere denne risiko.

Tætninger skal holde smøremidlet inde og forurening ude uden for stor modstand. En tætning, der fungerer godt ved lav hastighed, kan skabe varme ved højt motoromdrejningstal; trykændringer og luftblandet olie gør opgaven yderligere kompliceret.

NVH udformes på systemniveau

Motorens elektromagnetiske kræfter, inverterkobling, excitation fra tandindgreb, lejefrekvenser, oliepumper og husresonanser befinder sig i forskellige, men indbyrdes påvirkende dele af det hørbare spektrum. En mere støjsvag motor kan blotlægge gearhvin, som tidligere var maskeret.

Skråtskårne tandhjul kan reducere brat tandindgreb, men skaber aksial belastning. Tændernes mikrogeometri, overfladefinish, lejeunderstøtning, rotorsegmentering, koblingsstrategi, afstivninger i huset, ophæng og smøremiddel påvirker alle den lyd, der når kabinen.

Integration kan forbedre NVH ved at give ingeniørerne kontrol over den samlede struktur. Den kan også koble kilderne stærkere gennem et fælles hus. Simulering og dynamometertest kræver derfor elektromagnetiske, strukturelle, akustiske og reguleringstekniske modeller i stedet for isolerede komponentmål.

Effektivitet og faren ved komponentoptimering

Den mest effektive motor er ikke automatisk en del af den mest effektive drivenhed. En motorgeometri, der kræver en højere udveksling, kan øge gear- eller lejetab. En koblingsfrekvens, der reducerer motorharmoniske svingninger, kan øge invertertabet. Tykkere olie kan beskytte gear under belastning og samtidig øge kolde omrøringstab.

Systemoptimering vurderer tab fra batteri til hjul over den forventede driftscyklus. Relevante tab omfatter:

ledning og kobling i inverteren;
elektromagnetiske tab i stator og rotor;
gear, lejer, tætninger og olieomrøring;
olie- og kølevæskepumper;
styreelektronik og aktuatorer;
akseludkoblinger eller parkeringslåse, når de er i indgreb eller roterer.

Derfor præsenterer leverandører i stigende grad motor, inverter, transmission, køling og software som ét kalibreret produkt.

Holdbarhed, sikkerhed og service

En integreret enhed skal kunne modstå momentskift, kantstenspåvirkninger overført gennem aksler, forurening fra vejen, kontakt med kølevæske og olie, vibrationer, termiske cyklusser, overhastighed og højspændingsfejl. Parkeringslåse og frakoblingskoblinger tilføjer deres egne belastningstilfælde.

Færre eksterne forbindelser kan forbedre pålideligheden. Et fælles hus kan også gøre en lokal fejl dyrere at reparere, hvis servicestrategien udskifter hele enheden. Modulær intern opbygning, diagnosedækning, muligheder for væskeservice, udskiftelig effektelektronik og planer for genfremstilling afgør, om fysisk integration også bliver til serviceintegration.

Kollisionssikkerheden skal forhindre brud på huset, væskeudslip, blotlagt højspænding og ukontrolleret moment. Inverterens sikre tilstand og den spænding, som en permanentmagnetmotor genererer ved hastighed, er fortsat relevante, selv efter at momentet er deaktiveret.

Hvad specifikationerne bør oplyse

En brugbar specifikation for drivenheden identificerer de inkluderede komponenter og målegrænsen. Den bør angive motortype, inverterteknologi, jævnspænding, gearudveksling, motor- og udgangsmoment, spids- og kontinuerlig effekt, maksimal motorhastighed, kølemetode, smøringsstrategi, samlet masse, og om virkningsgraden omfatter inverteren og gearkassen.

Uden denne grænse kan tal for effekttæthed og virkningsgrad fra forskellige leverandører ikke sammenlignes retfærdigt.

Fortsæt gennem motorserien

Gå tilbage til Electric Motors and Drive Units, eller læs de tilknyttede kapitler om traction inverter, motor cooling og reduction gears and transmissions.