基于国产自主新能源汽车电驱动系统量产关键技术研究

余康，曹德峰，刘鹏飞，李云，王忠民，刘伟良

（株洲中车时代电气股份有限公司，株洲 412001）

引言

汽车产业是国民经济的重要支柱产业，在国民经济和社会发展中发挥着重要作用。新能源汽车产业的迅速发展，为我国积极构建汽车制造强国提供了重要历史机遇。《节能与新能源汽车产业发展规划》（2012-2020年）明确提出：加快培育和发展节能汽车与新能源汽车，既是有效缓解能源和环境压力，推动汽车产业可持续发展的紧迫任务，也是加快汽车产业转型升级、培育新的经济增长点和国际竞争优势的战略举措[1]。

电驱动系统是新能源汽车的动力“心脏”，是新能源汽车企业之间竞争的重要标杆，实现批量产业化应用对系统集成设计、产品验证、物料技术、量产阶段的质量控制以及满足国内外发展趋势的低成本与高可靠性等有着极其苛刻的要求[2]。从内燃机转变为电驱动系统，是新能源汽车与传统燃油汽车的最大差异。能够满足市场应用要求并能够批产的自主可控电驱动系统，是集IGBT、高可靠性软硬件设计体系、验证技术及稳定生产制造等为一体的核心技术、创新技术，是企业赖以生存、实现品牌自主创新、树立良好行业口碑的关键因素，是保证国家科技重大专项既定目标良好实现的关键因素，是保证中国由制造大国向制造强国转变的关键因素。

新能源汽车的整车研制及批量化生产中，高效、高可靠性的电驱动系统是各大汽车研制及生产单位实现其技术的累积与传承、颠覆性创新技术[3]引入及获得较多市场份额的关键因素，其关键技术的掌握程度已成为各大车企竞争的核心竞争力。基于国内、国际新能源乘用车及关键电驱动系统总成的实际发展需求，系统设计、技术薄弱环节分析、可靠性保证、产品量产阶段的质量控制等尤为重要。此外，在激烈的市场竞争下，低成本与高可靠成为业内追求的目标。

基于自主可控电驱动系统总成技术需求，以低成本、高可靠为目标，以产品零缺陷为质量理念，坚持创新技术引入、前沿技术探究，完善了以企业为主体、市场为导向、产学研相结合的技术创新体系，加强了新能源汽车电驱动系统关键技术研究并实现量产，用户反馈良好。为此，笔者就目前的成功探究及实践经验进行概括，旨在为国内行业发展提供借鉴，推动电驱动系统总成又好又快发展。

1 二合一电驱动系统总成及技术路线

电驱动系统的深度集成，是目前新能源车企发展的目标，主要包括二合一和三合一动力总成。其中，二合一是电机控制器与电机的集成，三合一是电机控制器、电机与减速器的集成。本单位在二合一、三合一总成方面均已经实现量产，并保证了其质量与可靠性，用户反馈良好。某型号二合一产品的实物如图1所示。

以往的新能源汽车电驱动系统总成，均由分立的电机控制器、电机及减速器，通过一定的方式组装于一体。随着产品轻量化、结构小型化及国内外前沿技术的推动，电驱动系统的深度集成成为行业发展的重点，其技术掌握程度不仅决定了企业的行业影响力，而且决定了未来传统汽车产业转型升级的总体技术等。为此，开展了电驱动系统总成的深度集成化设计技术研究。

电驱动系统总成的研究中，首先制定新能源汽车电驱动系统项目的总体需求，从系统角度进行功能分解，形成电驱动系统的总体设计研究方案。根据总体方案分解获得电机控制器和电机的系统设计方案，并据此进一步分解为各自的结构设计、硬件设计、电磁设计、软件设计和试验验证等方案，然后逐步开展详细设计研究，最后依据拟定的试验方案对最后的样机进行试验验证。某二合一总成的主要的技术路线如图2所示。

图1 某二合一总成实物图

图2 二合一总成技术路线

2 电驱动系统总成物料技术研究

物料，即产品研制及生产阶段所有生产资料的总和[4]。综合分析新能源电驱动系统总成及其它民用电子产品，其产品能够达到预期设定寿命甚至超年限服役，其基础及关键环节之一是物料保证环节，且多数集中于电子物料[5]。为此，本量产的电驱动系统总成在物料技术方面开展了详细的研究类工作，涵盖了物料技术研究类、物料技术认证类及物料技术资源管理类三大业务板块，实现了从物料选型、物料应用、关键物料及风险物料的失效分析技术研究、物料开发及物料替代到物料技术资源管理的全过程覆盖。物料技术总体及内容如图3所示。

电驱动系统总成的物料技术研究中，对IGBT功率模块、支撑电容及电源芯片等重点物料、关键物料开展了详细的技术研究工作，建立了较为完善的物料选型、物料验证、物料应用、供应开发等体系技术文档，对其可能的失效模式、产品应用关键问题、材料结构与可靠性、物料寿命预测模型及物料典型应用工况下的实际寿命模拟等进行了详细的研究，保证了各类物料的使用可靠性。

图3 物料技术总体及内容

为了实现成本降低、新技术研究等多重目标，在电驱动系统总成产品开发过程中，在物料的固有可靠性保证后，有效结合了可靠性设计技术[6]，涵盖了可靠性预计、可靠性分配、故障树分析(FTA)、故障模式及影响分析(FMEA)及潜在通路分析等，较好地识别了电机控制器控制板与驱动板的技术薄弱环节，对处于技术薄弱环节的元器件进行重点研究并采用更高等级的元器件，进行了元器件选型、应用及验证技术层面的分析、验证，对IGBT功率模块、三元乙丙橡胶(EPDM)密封圈、支撑电容等关键物料/核心物料开展极限评估技术研究，并将上述工作获得的技术成果反馈于产品研制环节。经过新技术探究、颠覆性创新技术引入、科学合理的物料管控体系建设等，研制的电驱动总成经相应的试验验证效果良好。

上述研究成果，一方面在电驱动系统新技术应用、前沿技术探究等方面起到积极推动作用，另一方面能够实现技术的累积与传承。此外，还能够在技术能力保证的情况下不断降低因产品质量问题导致的人力、物力以及成本的增加，保证其产品能够满足用户不断提高的要求标准，提高了客户满意度，提升了产品核心竞争力，树立了良好的行业口碑。

3 电驱动系统总成验证技术研究

为了保证电驱动系统总成批次性质量，其相应的验证技术研究尤为重要。通过对总成进行科学、合理的验证，能够从技术层面找出技术薄弱环节或问题风险点[7]，进而依据相应的结果提出改进意见，不断解决产品研制过程中的各类技术问题，完善验证技术结构体系，有效避免了产品量产后因市场质量问题等导致的返修、退换货以及问题原因查找分析等。

产品验证技术研究过程，坚持了国内外同行业技术调研并结合本单位产品特点开展的原则，实现了电驱动系统总成产品的验证技术全面覆盖。以DV/PV试验为例，本电驱动系统总成的验证技术[8]坚持国内、国际行业标准比对分析原则，对各类试验的适用性等进行了详细研究，得出能够适用于在研/量产电驱动系统总成的DV/PV试验共计30余项，涵盖了电性能、外观检查、液冷系统冷却回路密封性能、温度循环试验、防水试验及耐振动试验等，保证了电驱动系统总成验证技术的科学性、符合性、合理性及先进性。因DV/PV试验工作项目较多，本文以电机控制器总成机械冲击和正弦振动为例进行描述，其试验项目如表1所示，相应的谱图如表2所示。

表1 电机控制器机械冲击与正弦振动实验条件

表2 电机控制器机械冲击结果图谱

4 产品量产阶段质量控制研究

产品质量是制造企业的生命线，产品质量直接影响产品的市场销量，直接决定了企业能否深入发展。生产过程中，会因各种原因导致出现很多质量类问题，产品销售于市场后其返修率、退回率较高，从而导致人力、财力和物力的浪费，典型问题是所有物料均合格但制造出来的产品问题频发[9]。因此，如何保证电驱动系统总成的可制造性，是量产环节需要解决的关键问题。为此，本单位开展了产品量产阶段的质量控制研究类工作。

产品质量的保证，一方面是产品来料检验环节，另一方面是量产阶段的质量控制。此外，还包括产品研制过程中的质量问题处理以及各类物料本身质量及装配质量。本电驱动系统总成量产阶段，制定了来料检验标准并进行了较为严格的来料检验，包括机械零部件的表面粗糙度、尺寸和形位误差的测量、材料化学成分及组织结构的表征，材料力学性能及表面缺陷检测，密封圈高分子材料的比较分析等，从而判定零部件是否满足产品实际技术要求[10]。元器件方面进行外观检查及性能检查等，期间关注了假冒翻新元器件的识别。产品量产阶段，较好地应用了汽车行业质量管理工具，结合自身产品建立了较为详细的质量大纲及质量控制程序文件等并有效执行，保证了量产产品的批次性质量。

电驱动系统总成的批量化生产环节，在产品成本、技术竞争的情形下，其各类物料不可能类似军品进行100 %的质量保证，其零部件存在缺陷和偏差在所难免[11]。因此，电驱动系统量产阶段的质量控制以及使用环节的故障分析等，对后续量产产品具有较大的促进作用。为此，用户使用环节的电驱动系统总成出现故障时，及时进行产品修复并与用户保持良好的合作关系，同时基于该类售后问题进行原因分析，解决相关问题并提出合理化的整改措施，建立质量信息统计数据库并实现供应商的合理管控。上述工作的有序开展，显著降低了同类产品的故障率，量产的电驱动系统总成用户整体反馈良好。

本文以某驱动电机轴承损坏及解决措施为例，出现问题环节是高速循环耐久试验。试验过程中，发现对拖中有一台电机（转矩环）发生转轴抱死故障，其高速循环耐久试验拟开展240 h，当试验进行到186 h时，电机发生转轴抱死故障，其转轴形貌如图4所示。

对故障电机进行拆解分析，发现该电机的旋变定转子、非传动端轴承均已严重烧毁，且轴承内圈与转轴出现松脱，轴承内圈呈现椭圆形且与转轴之间存在毫米级间隙。由于非传动端轴承被破坏，电机靠近非传动端位置处出现定转子扫膛。将电机定转子解体分离后，复测定子三相直流电阻，阻值均在合格范围。同时，测量定子对地绝缘和匝间耐压，均满足技术要求。研究分析该电机的轴承损坏非电机绝缘问题引起的故障，而为偶发性机械故障导致电机的轴承损坏。上述问题的分析，对后续类似问题的分析有一定的参考价值。

图4 某电机转轴形貌

电驱动系统总成量产过程中，始终坚持各种质量问题统计、原因分析原则并制定整改对策，及时将整改对策等信息反馈于生产线，同时在电机部门、电机控制器部门、质量部、采购部等开展质量问题培训，提高相关工作人员的质量意识，显著降低了电驱动系统总成批产后因质量问题造成的售后维修及索赔费用等问题，提高了用户满意度，同时为后期产品量产质量问题改进、质量能力提升等不断积累经验。

5 低成本高可靠要求下的电装工艺评价技术研究

随着国内外半导体技术的发展，制备的元器件功能、性能逐渐趋于稳定，批次性质量问题较少发生。目前的半导体器件正朝结构小型化、功能多样化方向发展，65 nm制程及以下的工艺器件已经上市并批量使用[12]，尤其是各类产品开发中有效地结合了可编程逻辑器件（如FPGA、CPLD），大大推动了电子产品的发展。然而，在激烈的市场竞争下，结构小型、功能先进的低成本与高可靠产品成为各行业的主要研究目标，其技术的掌握及应用程度成为各电驱动系统总成研制及生产单位核心竞争力的重要体现。

电驱动系统总成，其产品寿命能否达到用户要求，量产产品能否减少质量问题，其电路板的电装工艺保证至关重要。随着产品结构小型、功能多样及电驱动系统集成技术的发展，要求选用的PCB尽可能精细，而PCB上布置的元器件尽可能多且间距越来越小，新型元器件数量增多[13]。此外，全球无铅、无卤工艺的实施，传统的成熟可靠的有铅电装工艺（63Sn37Pb）逐步被无铅工艺（SAC焊料）所取代。传统有铅工艺焊接典型温度为183 ℃，而无铅工艺焊接典型温度为217 ℃，两者相差近40 ℃[14]；此外，焊接时间也存在差异，有铅工艺焊接时间一般为3～5 s，而无铅工艺焊接时间通常为数十秒，且无铅工艺容易出现系列可靠性问题，如PCB分层、爆板、虚焊、元器件立碑、导电阳极丝（CAF）以及黑焊盘等[15]，成为电子产品行业面临的共性技术问题，也成为影响电路板寿命的关键因素，尤其是无铅工艺下元器件温度适应性问题、润湿性问题等。

基于电驱动系统总成实际要求，研究过程结合了可靠性系统工程理论，对驱动电路板、驱动控制板以及IGBT模块、直流薄膜支撑电容等关键、核心物料，开展了典型应用工况下的典型应力对产品可靠性的影响研究，包含温度、振动典型应力对产品可靠性的影响行为研究、不同应力下SAC焊料焊点微观层面的技术分析研究、金属间化合物（IMC）的生长规律技术研究、锡须生长规律技术研究及抑制措施技术研究、三防工艺技术研究及静电防护技术研究等，不断建立、验证并夯实了电装工艺评价技术。此外，研究中对机电系统，有效地建立了威布尔分布模型；对电子产品有效地建立了阿伦尼斯模型并经过实践检验，保证了电驱动系统的电装工艺可靠性，保证了批次性产品质量。

基于国产自主新能源汽车电驱动系统总成量产项目的关键技术研究，还涉及的其它内容，在此不进行阐述。

6 结论

本文就国产自主新能源汽车电驱动系统总成量产项目的关键技术开展相应技术研究并实现量产，其主要结论如下：

1）二合一产品深度集成技术。基于新能源汽车电驱动系统项目总体需求，从系统角度进行功能分解，形成总体设计方案。

2）物料技术体系及研究。涵盖了物料技术研究类、物料技术认证类及物料技术资源管理类三大业务板块，实现了产品研制及量产物料保证的全过程覆盖。

3）电驱动系统总成验证技术。坚持了国内外同行业技术调研并结合产品自身特点开展相应工作，完善了电驱动系统总成的验证技术。

4）产品量产阶段质量控制技术。产品量产阶段，结合汽车行业质量管理工具，建立了较为详细的质量控制措施并保证了产品的量产质量。

5）电装工艺评价技术。对电子产品开展电装工艺评价技术研究，量产产品整体反馈良好。