马瑞利为高端细分市场启用电驱动技术
文章摘要
Marelli公司与PUNCH公司合作，共同开发优化的集成电动车轴解决方案，以应对电动车轴设计的挑战。Marelli采用的策略是将设计团队分为组件套件，这些套件具有设计特点和接口能力，可满足市场上超过90%的电动车轴需求，从小型车到高性能汽车和商用车辆。这些组件套件基于轴传动或行星齿轮架构，能够适应任何扭矩范围。
通过这种方法，Marelli旨在提供模块化和可互换的子组件，降低成本，提高制造灵活性，并满足不同客户的需求。此外，Marelli还在开发关键技术，如油冷系统、多速和停车系统，以满足高端汽车细分市场的需求。
正文
导读：
本文主要介绍了Marelli公司在电动车轴设计和开发领域的创新策略。Marelli公司与PUNCH公司合作，通过将各自的专长结合，共同开发优化的集成电动车轴解决方案。
电动车轴设计的挑战：实现电动车轴设计的真正可扩展性和模块化非常困难。为了设计一个满足客户需求且可扩展的电动车轴，需要密切协调电机设计、逆变器设计、齿轮箱设计和软件设计。
Marelli的设计策略：Marelli的方法是将每个设计团队划分为几个独立的设计元素，称为组件套件。这些组件套件将具有设计特点和接口能力，可以覆盖市场上超过90%的电动车轴需求，从小型车到高性能汽车和商用车辆。它们将成为Marelli电动车轴家族策略的支柱，基于可适应任何扭矩范围的
或行星齿轮架构。
总结内容：Marelli公司与PUNCH公司的合作，旨在通过整合各自在电动车动力总成领域的专长，提供优化的集成电动车轴解决方案，以应对电动车轴设计的挑战。他们的设计策略包括将设计团队划分为组件套件，并利用这些组件套件来覆盖市场上大部分的电动车轴需求。
摘要：
在电驱动轴设计与开发领域实现真正的可扩展性和模块化是非常困难的。为了设计一个针对客户需求的优化电驱动轴并能够进行扩展，需要紧密协调电机设计、逆变器设计、齿轮箱设计和软件设计。马瑞利的做法是将每个设计团队划分为几个独立的设计元素，称为组件套件。这些组件套件将具有设计特征和接口能力，以覆盖超过90％的电驱动轴市场需求，从小型车到性能车以及轻型商用车。它们将是马瑞利电驱动轴家族策略的基础，基于轴传动或行星齿轮架构，可以适应任何扭矩范围。
1.马瑞利EPT斯特拉斯堡的介绍
马瑞利（Marelli）是一家全球领先的汽车供应商，与PUNCH公司达成协议，共同成立一家专注于电驱动桥解决方案的合资企业。PUNCH是一家为开发、集成和制造传动系统和动力总成解决方案的公司。这两家公司结合了在电动动力系统领域的丰富专业知识，为电动汽车提供集成系统。该合资企业——由马瑞利控股多数股权——将专注于优化集成电驱动桥解决方案的系统方法。公司将开发和组装电驱动桥系统，并专门针对欧洲和美洲市场。新企业马瑞利电动动力系统斯特拉斯堡（法国）SAS将总部设在法国斯特拉斯堡的PUNCH工厂附近，靠近主要的欧洲整车制造商。合资企业将在现场设立生产、原型设计和测试设施。电驱动桥是电动汽车的关键系统。马瑞利将为电驱动桥提供电动机和逆变器以及包括软件在内的产品，而PUNCH将贡献变速箱组件和开发以及制造专长。到目前为止，马瑞利已经生产了超过100万个逆变器和超过150万个驱动电机。
图片1：马瑞利EPT斯特拉斯堡合资企业
马瑞利电动动力总成是一家拥有创业心态和在齿轮组、逆变器和电动机设计、开发和制造方面具有坚实基础的成长型组织。
马瑞利EPT利用马瑞利与客户的合作伙伴关系和与母公司的强大整合，提供完全优化的电轴系统。2.方法概述：如何构建一个差速器家族策略
2.1 轴变体定义
马瑞利的目标是定义一个电动轴系家族策略，以覆盖90%的市场。为此，必须基于给定的架构定义一个独特的概念，并将其分解为多个变体，每个变体都将适应不同的扭矩范围，从而细分市场。这些变体彼此之间的区别仅仅在于传递扭矩的机械组件的大小。在每个变体中，都允许一定程度的灵活性，尤其是齿轮方面。最后，根据客户的要求，还将提供一些与所有变体共用的设计附加系统：停车系统、冷却或带有电动泵的强制润滑系统，甚至是两挡系统。
图片2：轴变体的结构
图片2展示了一个给定的变体。这个变体将为多种应用而派生，即适用于具有不同特性的车辆。在这方面，电机、逆变器和齿轮将针对每个应用进行具体定义，以满足扭矩和功率要求。然而，一些元素如轴承或轴是通用的零部件。2.2 组件套件定义
马瑞利的策略是提供模块化和可互换的子组件，其基础是三个主要组件（电动机、逆变器和齿轮箱）基于组件套装的组装：关键设计参数可以在给定范围内变化，并可以适应客户需求。它还基于不同项目之间共享的通用技术解决方案和特定应用的组件以满足独特的需求。这应该首先允许成本降低，由于开发时间和成本的减少，通过规模提高物料清单的成本，以及柔性制造（在同一条装配线上进行多个项目）。2.3 组件套件方法应用于电轴的齿轮箱
马瑞利提供的当前和未来一代电动机基于三个不同直径（定子外径）的单个组件：180毫米（小型组件套件）、210毫米（中型组件套件）和244毫米（大型组件套件）。关于逆变器，有多种电压等级可供选择，以及几种功率模块技术（IGBT、SiC、GaN）。它们还将根据DCLink、功率模块或EMI滤波器的选择而有所不同。现在需要定义齿轮箱的组件套件策略，它有两种类型：轴式或行星齿轮组。仍然遵循通常接受的齿轮箱策略定义，假设一个变体由其中心距离来表征。因此，将定义一种独特的架构，在此基础上进行同构变换以获得基于相同概念的不同尺寸的三种变体。
图片3：EMotors、变频器和齿轮箱的组件套件策略
3.基于IHS数据处理的应用分析
为了为不同变体定义正确的市场细分，已经基于IHS提供的数据进行了现有和未来市场的研究。
然而，这些数据并不包括为电动轴尺寸确定绝对必要的某些元素：车辆最高速度、总车辆重量（GVW）、电动轴的比率。这些缺失的信息已由Marelli通过尽可能最佳的工程判断来补充。
图片 4：根据IHS提供的段落定义气动数据函数
4 斜轴架构的家庭策略定义
4.1 扭矩范围的限定，适用于各种型号
第一步是估算不同变体之间的输出扭矩限制。从今天到2027年的预期生产量研究使我们定义了一个小型变种，适用于高达2500牛米的扭矩；一个中型变种，适用于高达4500牛米的扭矩；以及一个大型变种，适用于高达6000牛米的扭矩。
图片5：变速箱变种定义
相同的逻辑应用于带有行星齿轮的电动轴以及没有差速器且允许扭矩矢量的双轴，这促使马瑞利将这种细分扩展到2500牛米、4500牛米和6500牛米。4.2 比率选择
下一个目标是预先选择每个变体的几种传动比，以便有一些传动比“备货”，并定义代表性的应用，这些应用将允许对齿轮和轴承进行耐久性计算。对于小型和中型变体，可用的齿轮数量导致每次选择四个比率（7.5、9.5、10.5和12）。然而，对于大型变体，仅选择两个代表性比率（短齿轮对这些非常强大的应用来说要少得多）。
图片6：小变体的比例选择示例
4.3 与电动机的关联
下表（图片7）显示了市场细分研究的结果，针对每个变体和子变体及其减速比进行了特征描述。从2023年到2027年的可寻址市场的生产数据以矩阵形式分布，同时指出了电动机所需的峰值扭矩。这个矩阵最终将允许分配来自马瑞利组件套件的不同电机。然而，在选择这些由定子外部直径（180毫米、210毫米或244毫米）定义的组件套件中的电机之前，还必须考虑包装限制。
图片7：按变体、比率和电磁扭矩进行市场细分
图片8展示了不同轴配置的限制，无论是单电机轴（带有单个电机和差速器）还是双电机轴（带有两个电动机且没有差速器）的情况。
图片 8：包装限制
在单个电动轴的情况下，为了实现紧凑的包装，有必要减少输入输出距离。然而，如果电机的直径过大，差速器和电机之间（或者更确切地说是在这两个元件周围的两个外壳壁之间）会产生干扰。因此，建议选择直径较小的电机，通常在180毫米范围内。
相比之下，就双电机轴而言，差速器不存在，不会引起任何特定的包装问题。在这种情况下，电动轴的总宽度将成为问题。因此，为了在更短的长度内提供相同的扭矩，将优先选择大半径范围（244毫米）的电动机。这些界限导致马瑞利EPT考虑了单个电动轴的电动机分布如下：具体来说，小型变体理想情况下应配备小直径电机（180毫米）。中型变体将配备180毫米或210毫米的电机。最后是大型的变体，配备210毫米或244毫米的电机。每次都会调整这些电机的长度以提供所需的扭矩而不过剩。
图片 9：EMotors（单轴）的分配
为了比较，下面的矩阵（图10）显示了双电动轴电机的分配情况。仅考虑直径为244毫米的组件套件。
图片10：EMotors（双电机）的分配
4.4 与逆变器的关联
同样地，现在必须分配逆变器。选择逆变器主要基于所需的电压和功率。其他考虑因素和因素可能也会发挥作用，不言而喻的是，这个逆变器应用矩阵可以进一步细化。马瑞利已经定义了图11中描述的变频器技术路线图。这些不同范围的变频器将被放置在一个矩阵上，该矩阵不提供转矩，而是提供所考虑电动机的功率和电压。
图片11：逆变器技术路线图
对于在400伏特下运行的应用，可以采用IGBT逆变器用于低功率，而SiC逆变器则适用于更高功率。需要注意的是，一旦技术得到验证，IGBT可能会被GaN取代。
图片12：逆变器分配（400伏）
对于800V应用，IGBT技术不再被考虑，这些应用将被SiC或GaN逆变器所覆盖。4.5 齿轮箱设计：齿轮和轴承
一旦这些基础奠定之后，现在是时候深入到具体设计中，并定义中心距离、齿轮的齿数和模数以及轴承尺寸的维度了。
图片13：变速箱设计
选择特定齿数以获得给定传动比的主要指导原则是NVH（噪声、振动和不平顺性）标准，这些标准旨在避免齿轮啮合阶次与电动机和逆变器产生的频率谐波的重叠。这里不会详细介绍这些标准，但图13给出了为获得所需传动比而选择的齿数的示例。首先，应选择允许现实模块且与预期应力水平兼容的齿数。然后，使用Romax软件更精确地计算这些应力水平和安全系数。同样地，在峰值扭矩下允许获得低于3200兆帕接触压力的轴承作为首选。值得注意的是，只有输入轴与中间轴之间的中心距离，以及中间轴与输出轴之间的中心距离已经被固定。这些中心距离定义的两个部分可以像指南针一样打开和关闭，这使得能够适应所有不同类型的包装的输入-输出中心距离。
图片14：“指南针”的灵活性
作为对轴配置研究的一个结论，已经奠定了固定中心距离和可适应比率相关的三种基本变体的基础。在制定家族策略的背景下，对齿轮和轴承尺寸进行更详细研究所需的维度标准已经确立，并且可以在Romax中用于详细的计算。5.行星齿轮组架构的家庭策略定义
完全相同的方法已经应用于具有行星齿轮结构的电动轴。应用范围较少，仅选择了三种基本齿轮供小型和中型变体选择。同样，大型变体只有一个齿轮。
图片15：行星齿轮组的电磁分配
仅选择了直径为244毫米的电动机组件套件。实际上，组装和包装条件与轴配置不同，并且电机的外径不会干扰差速器。然而，建议选择大直径电机组件，以便在电机转子的中心有足够的空间通过一个车轮轴，这是同轴架构的原则。与轴配置相同的方式，齿轮和轴承的详细设计正在进行中。6 高级别细分市场：关键使能技术
在考虑汽车市场的特定高端细分市场时，马瑞利专注于开发某些设备或技术。在电机领域，开发定子和转子的油冷系统是一个优先事项。对于逆变器，目标是使用WBG材料（宽带隙半导体）并集成先进功能，如增压充电、断开和泵控制。最后，关于变速器，目前正在开发和测试多速和停车系统。关于公园锁系统，目标是使用简单且坚固的设计，同时减少组件数量，所有这些都是为了降低故障概率。其原理是基于使用凸轮来简化动力学至最大程度。代替弹簧的是一个用于停车爪的导向板。使用电动机械执行器提高了效率并避免了在执行器未激活时的能量损失。两速系统使用齿形离合器来最小化拖曳损失。与驻车锁系统相同的原因，使用了电动机械执行器。需要注意的是，在生产中，一个共同的执行器可以用于齿轮换挡系统和驻车锁系统。马瑞利已经生产了一个两速e轴原型，以验证从这个创新中预期的效率提升。性能测试计划于2023年中进行。控制换挡系统和策略的软件正在开发中。
图片16：驻车锁系统与双速系统
7.结论和结果：马瑞利公司的eAxle产品组合策略
总之，马瑞利EPT已经为满足所有市场需求的架构奠定了基础，同时考虑到家族战略的约束，这将允许产品的一定标准化。这项研究已经针对轴和行星齿轮架构进行了开展。定义的三个变体（小、中和大）可能同时适用于同轴和偏置（轴）架构。每个模块预计将以单个eAxle的形式交付，或者作为双eaxle，以实现扭矩矢量控制。
图片17：马瑞利的eAxle产品组合策略
下一步在定义组件套件时，将包括开发进一步的关键使能技术，用于高端汽车细分市场，如EESM、转子冷却和油冷却、先进软件功能或停车锁和两速系统。
作者：
Rahul Plavullathil, Marelli Europe S.p.A., Head of eAxle Mechatronics Department, Electric Powertain
拉胡尔·普拉武拉西尔，马瑞利欧洲股份公司，电动动力总成电子轴部门负责人
Matthieu Rihn, Marelli EPT Strasbourg, Head of Component Kit Design
马蒂厄·里恩（Matthieu Rihn），马瑞利EPT斯特拉斯堡，组件套件设计负责人
Cyrille Bridier, Punch Powerglide Strasbourg, Senior Analysis and Design Engineer
西里尔·布迪埃，斯特拉斯堡邦志动力公司，高级分析和设计工程师
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