作者：
马蒂亚斯・戴姆尔（Mathias Deiml）
威廉・瓦兰特（Wilhelm Vallant）
费迪南德・海因德尔迈尔（Ferdinand Heindlmeier）
安东尼・西蒙南（Anthony Simonin）
一、缩略语表
BEV（Battery Electric Vehicle）：纯电动汽车EDU（Electric Drive Unit）：电驱动单元RWD（Rear Wheel Drive）：后轮驱动SiC（Silicon Carbide）：碳化硅THD（Total Harmonic Distortion）：总谐波失真PEEK（Polyetheretherketon）：聚醚醚酮ATF（Automatic Transmission Fluid）：自动变速箱油
二、引言
电动汽车的产量正持续增长，且越来越受到消费者的认可。
[图 1 德国汽车产量](Figure 1 Production Volume for Germany)
（单位：百万辆）数据来源：德勤 ——《德国电动汽车行业：2030 年前市场发展及行动建议》，2020 年 10 月
上图展示了预测销量，其中绿色长条代表纯电动汽车（BEV），而传统燃油汽车将逐渐被其取代。这些纯电动汽车必须具备长续航里程（>400 公里）、优异的驾驶性能，以及灵活快速的电池充电方案。德国及全球市场的政府激励政策也将助力这一转型进程。尽管如此，下一代电动汽车仍需在成本方面与内燃机汽车展开竞争。
一个新的重要考量点是汽车从生产、使用到回收全生命周期的可持续性。本文介绍了一种提升电驱动系统可持续性并降低成本的方案。
集成式电驱动单元（EDU）已得到广泛应用，其将电机、变速箱、差速器，且在大多数情况下还将功率逆变器整合为一个易于安装的单元。
三、目标设定与可持续性
电驱动单元（EDU）的核心特征体现在其性能参数上，至少包括车轮扭矩输出能力、功率输出、最高车速及工作电压范围。
此外，该单元的重量及其材料构成也受到越来越多的关注，因此功率密度成为一项基础特性。功率密度指驱动轴输出功率与单元重量的比值，单位为千瓦 / 千克（kW/kg）。
豪华车细分市场对功率的需求仍在不断提升，这虽然对可持续性并无助益，但却为开发可向下适配 C 级、B 级或 A 级车的技术提供了契机 —— 这也是 AVL 在本研究项目中的核心目标。
轮胎实际可传递的单轮扭矩约为 3000 牛・米（Nm），因此驱动单元可在车轴上实现 6000 牛・米的扭矩输出。
市场上已出现扭矩矢量控制的发展趋势：每个车轮可实现独立驱动与控制。扭矩矢量控制的核心目标是在转向时获得牵引力优势，即外侧车轮可传递比内侧车轮更大的力，从而减小转向角及不足转向倾向。扭矩矢量控制功能会根据驾驶员需求、转向角、横摆率和车速，对各车轮的扭矩进行独立调控。
本研究中的 EDU 由两个单轮驱动单元组成，每侧输出功率为 250 千瓦（峰值），扭矩为 3000 牛・米（峰值）。最高车速目标设定为 250 公里 / 小时，以匹配传统豪华燃油车的常见规格 —— 尽管该数值的实际应用意义可能较低，但设定这一具有挑战性的目标，能够明确电机的最高转速及变速箱的第一传动级参数。
该 EDU 的系统电压选定在 800 伏区间。高电压架构具有显著优势：可减少导电材料用量，缩小逆变器的芯片面积，这两项均有助于降低逆变器和布线成本，进而推动可持续性的提升。同时，由于充电接口存在电流限制，高电压还能提高充电功率。
表 1 性能目标性能
四、转速与可持续性
电机由大量昂贵材料构成，包括电工钢片、磁体和铜。减小电机尺寸可降低这些材料的使用成本，但电机尺寸缩小意味着扭矩会相应降低。
其中，d：气隙直径；l：叠片长度
为维持电机的功率输出能力，需提高其转速。若电机转速翻倍，且无需采用电机和变速箱相关的特殊或昂贵技术，则电机的活性材料用量可减少一半，从而实现显著的成本节约。同时，电机的重量和体积也会相应减小，这不仅有利于优化车辆性能，还能进一步降低成本。
[图 2 转速与成本关系](Figure 2 Speed vs Cost)
上图展示了转速与重量 / 体积 / 成本之间的关联，研究的核心是寻找转速与成本的最优平衡点。
如前所述，高转速可减少材料用量，这既有助于提升生产阶段（上游）的可持续性，又能通过提高效率和减轻车辆重量，优化使用阶段（下游）的可持续性。
系统的可回收性也需从产品设计初期就纳入考量，本 EDU 已在这方面迈出了第一步。
最后，800 伏系统电压与碳化硅（SiC）半导体的结合，进一步提升了可持续性：高电压降低了电流，从而节省了导电材料和半导体面积，这些措施均有助于控制系统成本。
五、变速箱拓扑结构
高速电机为采用单速变速箱实现高车轮扭矩和高最高车速提供了可能。而最高转速较低的电机则需通过两速变速箱，才能兼顾高扭矩与高车速 —— 但两速变速箱需要额外增加传感器、执行器、电子元件等部件，还需投入更多精力进行软件开发和标定，同时会导致重量和体积增加，并对驾驶性能产生不利影响。
本研究中 30,000 转 / 分的高速电机，使得变速箱可设计为单速 / 两级齿轮箱。单速结构还能实现左右车轮完全独立的扭矩矢量控制，而这在两速变速箱结构中会异常复杂。
在齿轮传动比为 1:16.6 至 1:12.6 的配置下（轮胎直径约 680 毫米），车辆最高车速可覆盖 220 公里 / 小时至 300 公里 / 小时；当传动比为 1:16.6 时，车轴扭矩可达到 5500 牛・米至 7000 牛・米。
高速电机与单速变速箱的组合，有效降低了系统复杂度、成本及原材料需求量。
六、电机设计
要开发出转速达 30,000 转 / 分且无需使用钴基叠片等昂贵技术的电机，需克服以下挑战：
（一）高离心力下的转子机械强度
高转速会产生巨大的离心力，因此需综合考虑圆周速度、材料参数和几何设计。通过使用精确的仿真工具分析不同设计方案的应力和弹性变形，最终确定了机械性能可靠的解决方案。
（二）轴承技术
为解决高速工况下轴承的经济性应用问题，我们与斯凯孚（SKF）展开合作，具体细节将在下文变速箱章节中阐述。
（三）铜绕组的高频损耗
在高速电机中，集肤效应和邻近效应（导线中的电流会因杂散磁通而偏移，导致等效电阻增大）会产生影响。当基波频率为 1500 赫兹时，设计过程中必须考虑这些效应。下图展示了铜损耗随转速的变化趋势 —— 所选的 6 层发卡绕组在任何工作点的电阻，均低于同类圆线绕组。
[图 3 相电阻与转速关系](Figure 3: Phase Resistance over Speed)
（四）铁损增加（磁滞损耗∝基波频率，涡流损耗∝基波频率 ²）
如标题所示，这些损耗会随绝对频率的升高而增加。基波频率的计算公式为：(f_{fund. }=n / 60 imes) 极对数。本高速电机的基波频率适中，为 1500 赫兹。逆变器中的电流调节功能（如同步调制）可确保较低的总谐波失真（THD）值。
材料方面，选用高频优化的电工钢片（NO20，厚度更薄）和分段式磁体（40UH），可降低电机损耗。同时，设计师需兼顾相关成本 —— 本方案选用的材料均为常用类型，成本适中。
（五）绕组技术
最终选用一侧为弯曲铜排、另一侧为激光烧结（印刷）端部的 6 层发卡绕组，其优势如下：
铜填充率更高（约 60%）绕组端部更小电阻低于焊接式绕组可回收性优于浸渍式绕组工装成本更低
[图 4 槽结构（含发卡绕组、槽衬、冷却通道）](Figure 4: Slot Arrangement with hair pins, slot liner, cooling channel)
（注：图中包含油流槽、薄 PEEK 槽衬）
[图 5 带绕组的定子（左侧为印刷端部，右侧为弯曲铜排）](Figure 5: Stator with Winding: left printed, right bended)
PEEK 槽衬的厚度仅为 0.1 毫米，为实现优异的铜填充率提供了保障。
（六）复合冷却方案
电机采用先进的直接油冷技术。根据配置不同，逆变器也可使用同一种冷却油进行冷却（整个系统仅需一种冷却介质）。
变速箱未采用该冷却油直接冷却，以避免金属磨损颗粒造成污染。变速箱配备独立的润滑油路和油泵，其冷却通过向靠近电机的冷却壳体喷射润滑油实现。
直接油冷意味着冷却介质与槽内及端部的铜绕组直接接触 —— 冷却油沿定子槽流动，可高效带走铜损耗产生的热量。绕组端部的专用密封件将油与转子区域隔离，避免了搅拌损耗或飞溅损耗。
冷却介质采用一种新型 dielectric 冷却油（目前处于测试阶段），预计其粘度和传热性能均优于传统自动变速箱油（ATF）。
（七）性能表现
永磁电机的电磁设计仿真结果显示，其扭矩特性如图 7 所示：在 0-10500 转 / 分的转速范围内，峰值扭矩可达 220 牛・米；在 10500 转 / 分时，峰值功率可达 240 千瓦。
[图 6 AVL 直接油冷：槽内冷却油流动路径](Figure 6: AVL Direct Oil Cooling: Flow of coolant in the slots)（注：冷却油流经绕组）
当转速达到 30,000 转 / 分的最高值时，仿真显示最大可用功率为 175 千瓦，相当于峰值功率的 72%。
持续运行状态下，每台电机在 11000 转 / 分以内可维持 80 牛・米的扭矩，持续功率为 92 千瓦。
与第一代圆线绕组电机相比，本方案的铜损耗显著降低，冷却油流量优化，进而实现了更高的持续功率输出。
[图 7 高速电机性能与效率（电机温度 150/180℃）—— 高效区（效率> 97%）覆盖范围广](Fig. 7: High Speed E- Machine Performance and Efficiency at 150/180° C Machine Temperature, wide area of >97% efficiency)
七、逆变器
集成式双逆变器配备共用直流母线电容和碳化硅（SiC）模块，开关频率可灵活调节至最高 20 千赫兹。该双逆变器采用交错控制策略，能够减小直流母线电容尺寸、降低电磁辐射，并减少电压纹波。
碳化硅半导体技术的应用提升了驱动系统的效率 —— 尤其是在需要更高开关频率（高基波频率、减小直流母线电容容量）的场景下，唯有碳化硅能实现逆变器的紧凑封装，并确保功率器件的优异散热性能。
八、变速箱
对于高速斜齿轮而言，润滑和冷却是关键参数。随着节圆线速度的提高，需满足更高的要求以保障齿轮的正常可靠运行。
当节圆线速度超过 20 米 / 秒时，飞溅润滑不再适用 —— 因为转速升高会导致拖拽损耗急剧增加，进而降低变速箱效率并升高油底壳温度。因此，必须采用压力润滑或强制润滑方式，为齿轮和轴承提供充足的润滑与冷却。
[图 8 变速箱结构](Fig. 8: Transmission layout)
[图 9 由于主减速器的旋转方向，飞溅润滑不可行](Fig. 9: Splash lubrication is not feasible due to the rotational direction of final drive)
（一）高速应用轴承
在高转速工况下，轴承保持架成为核心关注点之一。若保持架的设计和材料无法承受高转速下的作用力，可能会发生膨胀并与轴承外圈接触。加速和减速过程中，轴承保持架会承受巨大应力。高速应用面临的其他挑战还包括：密封轴承的润滑脂泄漏（可能导致润滑失效和轴承滚道损坏）；工作温度最高可达 180℃，对轴承材料提出了特殊要求。
当前斯凯孚（SKF）轴承的速度因子（轴承平均直径与转速的乘积，简称 ndm）约为 60-70 万 ndm，而高速应用场景需要 120-150 万 ndm 的速度因子。
为应对这些挑战，斯凯孚开发了新型密封轴承设计，其速度因子最高可达 180 万 ndm。该设计对保持架进行了重新优化，以降低应力和功率损耗；采用聚合物材料，确保其能承受高离心力；对密封轴承所用的润滑脂类型进行了专项优化，避免过热并最大限度降低损耗；同时重新评估了密封件的类型和材料，以保证足够的清洁度。大量测试表明，该轴承在功率损耗和速度容量方面均实现了显著提升。
九、车辆集成
该 EDU 的设计适配 AVL 的演示车 —— 特斯拉 Model S 90 后轮驱动版。
[图 10 底盘测功机上的演示车（用于效率和性能测试）](Fig.10: Demo Vehicle on Chassis Dyno for Efficiency and Performance Tests)（注：标注 850E）
自 2020 年起，该车辆已搭载第一代高速 EDU 在公共道路和测试跑道上运行。车辆配备 800 伏大功率升压转换器和整车控制器（VCU）软件，作为演示和验证平台。
该技术已通过研发项目层面的验证。第二代 EDU 将在样品制备完成且台架测试允许进一步道路测试后（预计 2023 年第二季度）进行搭载。
十、扭矩矢量控制
高速 EDU 支持扭矩矢量控制，左右车轮的扭矩差最高可达额定扭矩的 200%；在极端工况下，可实现左侧 + 3000 牛・米、右侧 - 3000 牛・米的扭矩指令输出。
第一代高速电驱动桥已在测试场地完成验证，重点考察了其对双移线、转向速度、不足转向和转弯半径等驾驶工况的影响。
驱动功能软件集成于整车控制器（VCU）中，系统利用特斯拉原车的传感器设备（方向盘转角、车轮速度、横摆率）实现控制。
测试结果显示，车辆的横向加速度最高可达 12 米 / 秒 ²，不足转向倾向低，且易于操控。此外，该系统还具备滑移控制功能，并优化了 μ- 分离路面行驶性能。
[图 11 扭矩矢量控制效果：减少不足转向，提升横向加速度](Figure 11: Torque Vectoring, less understeer, higher lateral acceleration)
十一、结论
本 EDU 中的电机设计目标为最高转速 30,000 转 / 分，且采用了滚子轴承、电工钢片和磁体等标准部件和材料。其小巧的尺寸降低了电机成本，并便于集成到多种车型中。通过调整逆变器电流、电压和电机有效长度，该设计具备可扩展性，可提供模块化电驱动系统解决方案。
变速箱采用单速结构，设计简洁。高速运行下的核心挑战是齿轮啮合处的润滑和无接触轴密封，对此我们采用了最新型的高性能滚子轴承。
该技术正在持续测试中，例如搭载于 AVL 大功率演示车（自 2020 年起投入运行）。
扭矩矢量控制功能作为一项特色功能已开发完成，并已在匈牙利扎拉 Zone（ZALAzone）测试跑道向特定受众进行了演示。
该 EDU 的功率密度达 4.2 千瓦 / 千克，不仅提供了高性能的电驱动系统解决方案，还通过在生产中避免使用贵金属，为提升可持续性提供了实践范例。
第一代 EDU 的整体效率为 93%，通过在电机中应用发卡绕组技术，系统最优工况下的效率有望进一步提升至 94%-95%。
参考文献
1. Mathias Deiml, et.al.: High Speed EDU for the next generation. CTI Berlin 2018
