一、前言   隨著電動車市場的顯著加速，品牌、細分市場和車型的差異也越來越大，因此最大限度地提高電力驅動系統的適用性非常重要。電力驅動系統，如已大量生產的EMR3（第三代電力驅動系統）和目前正在開發的EMR4（第三代電力驅動系統），均採用系統級多標準最佳化方法進行設計。與上一代相比，EMR4效率提升高達5%，功率可擴展性顯著提升，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。為了促進EMR4的性能提升，許多影響電驅動效率和性能的鏈條都進行了細節優化。為了可擴展性，許多內部和外部介面也被標準化，以確保電力電子逆變器、馬達和減速器這三個主要部件可以按照客製化需求的原則盡可能自由地組合。在電力驅動系統聲音舒適性方面，重點是在整個工作MAP上對系統的噪音特性（噪音和振動的嚴重程度）進行模擬、測試和最佳化。 EMR4的開發從一開始就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）。         有了這個基本結構，就可以連接兩個不同設計中需要最大可變性的部件，並且可以在殼體的尺寸內實現減速機齒輪箱的修改要求。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（A至J2段車輛，即整車重量等級為1,800kg至2,800kg）可涵蓋馬達長度三個尺寸：60mm（入門級）、90mm（基本級）或105mm（增強級），如圖2所示。驅動系統的扭力範圍為4Nm至80Nm（230秒），模組重量的可擴展性顯而易見。根據驅動器的功率需求，其重量在10kg至1,700kg之間。根據先前的研究結果，與EMR4,000相比，EMR10驅動系統在WLTP中可實現45%的效率優勢，這將對車輛行駛里程產生顯著影響。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。透過這裡的許多詳細措施，已經實現了改進的潛力。與優化後的EMR80相比，EMR3的效率大幅提升，功率密度提升4%以上，但成本進一步降低。雖然EMR5.6在許多地方都使用了優質材料，但材料的技術優勢使得在其他領域節省更多成本，優化成本成為可能。   2.1 架構和電機   PSM 馬達的直徑（其外殼直徑）專為整合 EMR4 固定而設計。 R4平台馬達定子外徑為208mm，比EMR20馬達的4mm略大。然而，提高馬達性能的設計措施使EMR4馬達的軸向長度與目前的軸向驅動相比減少了近一半（90mm而不是175mm）。現在，定子的每個凹槽至少有四層（而不是 EMR3 中的兩層）。今後根據具體情況選擇的層數（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移動部件的潛力之間的平衡是需要考慮的重要因素。    2.2 架構及電力電子控制器   R4平台逆變器是基於緯湃科技（EPF4）的第四代高壓電力電子產品。針對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版本提供了一種經濟高效的解決方案，輸出功率高達80kW（10s），扭力為1700Nm（10s）。此版本基本上適用範圍廣泛，輸出功率可達135/165kW（10s），扭力2,500/3,000 Nm（10s）。增強設計，輸出功率為 2800Nm 和 4000Nm，功率高達 230kW。然而，原則上，所有逆變器變體都可以與每個馬達功率變體和每個所需的減速器結合。這需要滿足不同於標準大眾客車的特殊要求（例如物流車輛）。逆變器尺寸僅270.×221×126mm，是非常緊湊的設計。    2.3 並架減速機   根據馬達扭矩，平台包含< 2,000 Nm（「入門級」）、< 3,000 Nm（「基礎級」）或< 4,000 Nm（「增強級」）三個版本的減速機。和i = 9.3 之間。與上一代相比，這一減速比得到了擴大，從而可以充分利用馬達更高的峰值速度。在減速機中，這種高減速比的措施可以顯著節省馬達的成本，並在更高品質的材料成本方面提供了降低成本的機會。減速機設計輸入轉速為11.64rpm，馬達輸入扭力為16000Nm。減速器提供高達255 Nm的軸扭力輸出。最大允許軸轉速為 3000 rpm。電動停車可以選擇整合到減速器中。    3.影響效率因素優化   在全球範圍內，電動車效率進一步提高的趨勢顯而易見。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，都有助於這一點。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 用於衡量能源消耗。許多單一因素決定了汽車的效率。雖然大部分是整車造成的，但動力系統也有相當大的影響。雖然大部分是整車造成的，但動力系統也有相當大的影響。圖3以整合驅動系統為例，說明了動力系統及其具體損耗對整車效率的影響。一般來說，約三分之一的損失是由駕駛造成的，約三分之二是由整車造成的。 EMR4在電力電子逆變器、馬達和減速器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的效率要高得多，每輛D級車輛的平均總能耗可WLTP 中降低 5.6%。         3.1並且提高了馬達和逆變器的效率。   在EMR4平台的主動部分，採用了由極薄的高強度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馬達的持續功率也大幅提升。由於損耗大幅降低，冷卻結構優化，馬達最高轉速下可連續輸出40-80kW。由於馬達長度短、設計緊湊，散熱更有效，因為從馬達中心熱點到邊緣的散熱路徑更短。增大的齒輪減速比（見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和磁阻增大，磁鋼重量顯著減輕，功率不變，效率提高。 EPF4逆變器的工作電壓為210V至470V，PWM開關頻率為2至12kHz。根據工作點的不同，磁場定向控制（FOC）演算法分為傳統的空間向量脈寬調變（=低速時的SVPWM以實現更大的電流）、同步PWM（=中速範圍的SynchPWM）等部分。不連續PWM（= 中速範圍內的GDPWM）和雙向磁通調變（= 高速範圍內的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，尤其是高速旋轉時，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平台的實作方法   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、尺寸和重量上具有高度的可擴展性，才能滿足市場多樣化的需求。可擴展性最終意味著相關的主要組件可以根據應用進行組合以滿足需求。考慮到定義驅動系統所需性能特徵的大量參數以及它們之間複雜的相互作用，徹底實現細節在設計中非常具有挑戰性。例如，在EMR4平台的開發過程中，我們進行了廣泛的靈敏度分析，以確定WLTP中的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。  前面提到，在設計整合驅動系統時，從整車角度來說，單獨設計的電力驅動的複雜性已經被徹底簡化，將複雜性轉移到了驅動系統內部。這裡，複雜性的傳遞也可以從驅動系統內外的許多介面來證明。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，整車的外部接口以綠色圓圈顯示。為了實現預先驗證EMR4平台組件的全面擴展，所有主要組件，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）、馬達外殼（三個長度）和承載板（「蓋」的兩個版本）對內部和外部介面有明確的定義。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力驅動系統的關鍵指標。為了最大限度地減少電力驅動中結構噪音對車身振動的影響，對全工況下驅動系統的聲學品質（噪音、振動、聲振粗糙度、NVH）做了大量的優化工作，如圖9和圖10。此模擬技術還可用於優化支架形狀，避免與車輛結構設計相關的激振共振。         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產業化經驗：截至2021年初，僅EMR4已向客戶交付超過150,000萬台。即使與優化的 EMR4 驅動系統相比，EMR3 的效率和性能也以更低的成本得到了顯著提高。尤其是新平台的高擴展性使得EMR4驅動系統在各種不同車型中具有高性價比的應用前景。目前EMR4平台可擴展輸出功率在80kW至230kW之間，質量僅在45kg至80kg之間。高功率密度支援大量車型向電動轉型。為了涵蓋高於或低於指定電流範圍的性能要求，將從2021年開始產品組合擴展的開發。隨著EMR4驅動系統效率的進一步提升，電池成本也隨之降低。 EMR4平台代表客製化的現成解決方案，始終著重於產品的標準化和模組化。在系統限制下，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，緯騰科技正積極與客戶和供應商合作，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集成形式選擇軸向集成，使電機與逆變器解耦，並可選用更大外徑的電機，通過鐵芯疊厚來調節功率的擴展，鐵芯沖片可以完全平台化；②從逆變器電流規格來看，IGBT模組應為HPD封裝，通過不同的芯片數量及散板的電流組合；

③減速機選擇大減速比，可降低馬達扭力。降低扭力可以直接減少馬達用料量，降低馬達成本。基於馬達效率、性能和成本的多標準優化中提到了IMCO這個專用工具，也可以參考。

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