一、现代汽车Ioniq 5 800V前后电驱动拆解分析
本次拆解主要围绕现代汽车Hyundai Ioniq 5的前后驱动单元展开,共同探讨这些驱动单元的关键元素、独特功能、制造特点,以及与其他车辆驱动单元的异同。现代的egmp平台不仅应用于Ioniq 5,还在起亚Kia ev6以及Ioniq 6等车型上使用了相同的前驱动单元,这些驱动单元基本可实现即插即用,体现了平台化设计在量产上的优势。
驱动单元特点
前后驱动单元均采用永磁交流电机(permanent magnet AC Motors),配备发卡式定子(hairpin Staters)和斜置永磁转子(skewed permanent magnet rotors),并且采用油冷方式。后驱动单元的功率为168千瓦,前驱动单元为74千瓦,后驱功率明显高于前驱。
现代汽车内部自主研发了这些电机,区别于一些其他汽车制造商采用博世、麦格纳或博格华纳等供应商的现成产品,体现了汽车制造商将动力系统关键部分内部化的趋势。
前驱动单元关键组件
断开单元(decoupler):前驱动单元配备了一个断开单元,由多个部件组成,包括一个偏心齿轮箱、一个由蜗杆驱动的解耦环、一个带有滑动齿轮的选择叉以及一个电动执行器。其工作原理是通过电动执行器驱动蜗杆,使选择叉横向移动,从而决定驱动轮是否与转子和定子耦合。
这个装置可使车辆获得大约6%到8%的效率提升或续航里程增加。以Ioniq 5的长续航77.4千瓦时电池组车辆为例,配备解耦器时续航为303英里,若移除解耦器,续航将降至约285英里。相比增加电池容量来提升续航,使用解耦器成本更低,约为100美元,而增加4.8千瓦时的电池容量以达到相同续航提升则需约600美元。
逆变器特点
后驱动单元逆变器:后驱动单元的逆变器采用独特设计,与里维安(Rivian)类似,安装在三合一驱动单元顶部。内部有控制板和功率开关组件,使用英飞凌(Infineon)驱动的MOSFET模块(Metal oxide semiconductor Field Effect transistor),将直流电转换为三相交流电供电机使用。与众不同的是,该逆变器有四个主要引线,而通常逆变器只有三个。经研究发现,现代汽车利用这个额外的引线和功率开关组件,在车辆静止充电时,当充电基础设施为400伏而车辆电池为800伏时,可通过切换功率开关组件将400伏电压升压至800伏为电池充电,避免了添加额外的高压模块,降低了成本。
前驱动单元逆变器:前驱动单元的逆变器明显较小,安装在外壳后侧。其功率开关组件采用绝缘栅双极晶体管(IGBTs,Insulated Gate Bipolar Transistor),与后驱不同。冷却方式也不同,采用将IGBT夹在两层板式冷却器之间的方式,类似于变速箱油冷却器,通过导热膏实现热传递,冷却液从入口流入出口流出带走热量。
冷却策略
油冷系统:采用加压油冷系统,类似于特斯拉和里维安的一些驱动单元。通过油和板式热交换器实现冷却液和油之间的热传递。内部使用铝制钎焊管组件来分配油,主要喷射定子导体,因为定子通常是发热较多的部件。油通过油泵加压,遇到小孔时喷出,为定子的铜部件和导体棒散热。虽然油冷系统成本高于乙二醇基冷却液系统,但能使驱动单元达到更高功率,满足车辆性能目标。
逆变器冷却:后驱动单元逆变器的散热器通过冷却液流经曲折路径带走热量,采用摩擦搅拌焊接(friction stir welding)的方式封闭冷却通道,避免使用螺栓和密封件,减少了潜在的泄漏路径和成本。前驱动单元逆变器则采用不同的冷却策略,如上述的板式冷却器冷却IGBT组件。
其他组件
陶瓷轴承和碳刷:在转子轴末端使用了碳刷,用于消除转子上可能积累的静电放电,防止产生电弧影响轴承寿命。同时,起亚车型采用了陶瓷轴承,轴承内的滚珠为陶瓷或陶瓷涂层,与传统的不锈钢或淬火钢滚珠不同。陶瓷轴承可隔离齿轮箱与旋转的转子组件,减少电弧产生的可能性,与碳刷一起起到双重保护作用。
驻车制动系统:Ioniq 5采用了驻车棘爪(parking pawl)组件,这是一种机械装置,类似于手动工具中的棘轮机构,可防止齿轮倒转。在传统自动变速器车辆中,由于存在液力变矩器,驻车棘爪用于使车辆在停车时保持静止。但在电动汽车中,车辆不会像传统燃油车那样空转,部分汽车制造商选择使用电子驻车制动系统(EPB),通过集成在驻车制动卡钳中的电机齿轮单元(MGU)在停车时物理锁定卡钳。特斯拉等制造商仅依靠卡钳制动机制,而现代Ioniq 5同时采用了驻车棘爪和电子驻车制动系统,这种驻车棘爪系统成本约70到80美元,且有一定重量,从成本和减重角度看,现代可考虑优化该系统,更多依赖电子驻车制动系统的软件功能。
总结
现代汽车Hyundai Ioniq 5的前后驱动单元在设计和技术上有许多创新之处,如断开单元、集成升压转换器以及独特的逆变器设计和冷却策略等,这些技术使其在市场上具有一定竞争力。同时,在一些组件上如驻车制动系统存在优化空间。期待未来能看到现代汽车在电动汽车驱动系统上更多的发展和进步。
素材来源:汽车开发圈
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