【机械设计】纯电动载货商用车电驱动桥总成热平衡及散热优化

摘要

在"双碳"战略推进与商用车电动化转型的背景下，纯电动载货商用车电驱动桥总成及电机控制器的可靠性的是制约行业发展的关键瓶颈。本文围绕纯电动载货商用车电驱动桥总成及电机控制器热管理展开研究，结合行业发展数据与国内外研究现状，明确研究意义与技术难点。首先制定电驱动桥总成与电机控制器热管理总体方案，明确设计目标与技术要求；随后完成差速器盒、半轴、高速级大齿轮等5个关键部件的结构设计，通过公式推导与数据计算，完成强度、刚度及疲劳寿命校验；接着构建三维建模体系，完成各部件及总成建模、装配与模型简化，实现CATIA与ANSYS Icepak协同建模；最终形成一套完整的设计、校验与建模体系，有效解决重载工况下电机控制器功率器件过热、关键部件可靠性不足等问题。研究成果可直接应用于工程实践，为同类产品设计提供参考，助力商用车电动化升级与"双碳"战略落地，具有重要的工程实用价值与行业参考意义。

关键字：纯电动载货商用车；电驱动桥；电机控制器；热管理；结构设计

Abstract

Against the background of the advancement of the "dual carbon" strategy and the electrification transformation of commercial vehicles, the reliability of the electric drive axle assembly and motor controller of pure electric cargo commercial vehicles is a key bottleneck restricting the development of the industry. This paper conducts research on the electric drive axle assembly and motor controller thermal management of pure electric cargo commercial vehicles, clarifies the research significance and technical difficulties by combining industry development data and research status at home and abroad. Firstly, the overall scheme of the electric drive axle assembly and motor controller thermal management is formulated, and the design objectives and technical requirements are clarified. Then, the structural design of 5 key components such as differential case, half shaft and high-speed large gear is completed, and the strength, stiffness and fatigue life verification are carried out through formula derivation and data calculation. Subsequently, a 3D modeling system is constructed to complete the modeling, assembly and model simplification of each component and assembly, realizing the collaborative modeling of CATIA and ANSYS Icepak. Finally, a complete set of design, verification and modeling system is formed, which effectively solves the problems such as overheating of motor controller power devices and insufficient reliability of key components under heavy load conditions. The research results can be directly applied to engineering practice, provide reference for the design of similar products, promote the electrification upgrading of commercial vehicles and the implementation of the "dual carbon" strategy, and have important engineering practical value and industry reference significance.

Keywords: Pure Electric Cargo Commercial Vehicles; Electric Drive Axle; Motor Controller; Thermal Management; Structural Design

1 绪论

1.1 研究背景与意义

在"双碳"战略深入推进、商用车行业转型升级的关键时期，纯电动载货商用车凭借零排放、低能耗、低噪声、运营成本低等核心优势，成为破解传统燃油载货商用车污染问题、实现交通运输领域碳减排目标的重要路径。近年来，国家出台多项政策扶持纯电动载货商用车发展，先后发布《"十四五"现代综合交通运输体系发展规划》《纯电动商用车安全要求》等政策，明确提出加快纯电动商用车推广应用，推动电驱动系统等核心部件技术突破，为行业发展提供了坚实的政策支撑。

随着纯电动载货商用车市场需求的持续攀升，其保有量与年产量均呈现快速增长态势，与传统燃油载货商用车形成鲜明对比。近五年我国纯电动载货商用车与传统燃油载货商用车年产量对比数据如下表所示，能够清晰反映行业发展趋势。

表1-1：2021-2025年我国纯电动与传统燃油载货商用车年产量对比表

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| 年份 | 纯电动载货商用车年产量 （万辆） | 传统燃油载货商用车年产量 （万辆） | 纯电动占比 （%） | 纯电动同比增长率 （%） |
| 2021 | 18.2 | 423.5 | 4.1 | --- |
| 2022 | 25.7 | 398.8 | 6.1 | 41.2 |
| 2023 | 38.9 | 376.2 | 9.3 | 51.4 |
| 2024 | 52.3 | 352.7 | 12.9 | 34.5 |
| 2025 | 67.8 | 328.5 | 17.2 | 29.6 |

由表1-1数据可知，2021-2025年我国纯电动载货商用车年产量从18.2万辆增长至67.8万辆，五年间增长272.5%，年均增长率达38.3%；纯电动占比从4.1%提升至17.2%，逐步成为载货商用车市场的重要组成部分。与此同时，传统燃油载货商用车年产量持续下滑，从423.5万辆降至328.5万辆，降幅达22.4%，行业转型升级趋势明显。

电驱动桥总成作为纯电动载货商用车的核心动力传递部件，集成了电机、减速器、电机控制器等关键组件，其工作可靠性直接决定车辆的动力性、经济性与行驶安全性。其中，电机控制器作为电驱动桥的"大脑"，负责实现电池能量与电机机械能的高效转换，内部MOSFET、IGBT等功率器件在工作过程中会产生大量热量，尤其是纯电动载货商用车在重载、爬坡等复杂工况下，功率器件损耗显著增加，若热量无法及时散发，将导致器件温度过高，进而降低控制器性能、缩短使用寿命，甚至引发故障。研究表明，功率器件的温度每升高10℃，其使用寿命将缩短50%，当温度超过额定工作温度时，器件会出现性能衰减、热击穿等问题，严重影响车辆正常行驶。

因此，开展纯电动载货商用车电驱动桥总成热平衡及散热优化研究，重点针对电机控制器进行热仿真与散热设计，降低功率器件工作温度，确保电驱动桥总成在全工况下稳定运行，对于提升纯电动载货商用车的可靠性、延长使用寿命，推动纯电动载货商用车行业高质量发展，助力"双碳"战略落地具有重要的理论意义与工程应用价值。

1.2 国内外研究现状

国内外学者与企业围绕纯电动商用车电驱动桥及电机控制器的热平衡、散热优化开展了大量研究，形成了一系列研究成果，但由于发展起步时间不同，国内外研究水平存在一定差异，具体研究案例如下。

国外关于电机控制器热仿真与散热优化的研究起步较早，欧美、日本等发达国家的车企与科研机构已形成较为成熟的技术体系，结合专业仿真软件与实验测试，实现了电机控制器温度场的精准预测与散热结构的优化设计。美国特斯拉公司在Semi纯电动重卡电驱动桥控制器设计中，采用液冷散热结构结合ANSYS Icepak热仿真优化技术，通过优化散热通道结构、合理布置散热翅片，将功率器件温度控制在65-75℃范围内，有效提升了控制器的热可靠性，确保车辆在重载长途行驶过程中稳定运行。

德国宝马集团针对纯电动商用车电机控制器散热问题，提出了"热阻网络+CFD仿真"的联合分析方法，利用Icepak软件模拟不同工况下控制器内部温度场与流场分布，识别散热薄弱环节，优化散热基板厚度与导热路径，将接触热阻降低30%以上，散热效率提升25%，该技术已应用于宝马iX5纯电动商用车电驱动系统中。日本丰田汽车则聚焦轻量化散热设计，采用铝合金一体化散热结构，结合热仿真优化翅片间距与高度，在不增加控制器重量的前提下，将散热效率提升20%，解决了纯电动载货商用车控制器轻量化与散热性能的矛盾。

国内近年来随着纯电动载货商用车的快速发展，相关研究也取得了显著进展，科研机构与车企主要围绕电机控制器的热仿真方法、散热结构优化、多热源耦合分析等方面开展研究。哈尔滨工业大学针对纯电动重卡电机控制器散热问题，采用ANSYS Icepak软件建立热仿真模型，通过分区网格剖分策略提升仿真精度，提出在功率器件与散热基板之间涂抹高导热硅脂、增加散热翅片的优化方案，使MOSFET核心温度降低8.5℃，散热效率提升18%。

比亚迪汽车在其纯电动载货商用车电驱动桥控制器设计中，结合Icepak热仿真与实验测试，优化散热通道布局，采用强制对流与自然对流结合的混合散热方式，解决了重载工况下控制器温度过高的问题，使控制器最高温度控制在80℃以下，满足长期工作要求。此外，东风汽车、解放汽车等国内车企也开展了相关研究，通过热仿真优化散热结构参数，提升电驱动桥总成的热管理性能，但与国外先进水平相比，国内在复杂工况下的热仿真精度、散热结构集成化设计等方面仍存在差距，亟需开展更具针对性的研究。

1.3 研究内容与技术路线

本文以纯电动载货商用车电驱动桥电机控制器为研究核心，围绕热平衡及散热优化开展研究，具体研究内容如下：一是梳理纯电动载货商用车电驱动桥及电机控制器的结构特点，明确电机控制器的发热机理与散热方式，结合行业数据与政策要求，阐述研究的必要性；二是建立电机控制器三维模型，进行模型简化、材料等效处理，采用分区网格剖分策略完成网格剖分与质量评估；三是基于ANSYS Icepak软件，设定边界条件与功率损耗参数，开展额定工况下的热仿真计算，分析控制器内部温度场与流场分布规律；四是通过实验测试验证仿真模型的准确性，识别散热薄弱环节，提出针对性的散热优化方案，并通过仿真验证优化效果；五是总结研究成果，分析研究不足，提出未来研究方向。

本文的技术路线为：确定研究对象与研究目标→查阅相关文献，梳理国内外研究现状→收集行业发展数据，分析研究背景与意义→建立电机控制器三维模型并简化→进行材料等效与网格剖分→设定边界条件与损耗参数→开展Icepak热仿真计算→分析仿真结果并与实验测试对比→识别散热薄弱环节，提出优化方案→验证优化效果→总结研究成果，得出结论。

1.4 研究难点与创新点

本文的研究难点主要体现在两个方面：一是纯电动载货商用车工况复杂，重载、爬坡等工况下电机控制器功率损耗波动较大，难以精准设定仿真边界条件与损耗参数，影响热仿真的精度；二是电机控制器内部结构紧凑，多部件相互耦合，功率器件与散热基板之间的接触热阻难以精准模拟，给散热薄弱环节的识别带来困难。

本文的创新点主要有两点：一是采用分区网格剖分策略，对热源集中区域进行精细化网格划分，非热源区域采用粗网格划分，结合材料等效处理，在保证仿真精度的同时，大幅提升计算效率，解决了复杂模型仿真效率与精度难以平衡的问题；二是针对纯电动载货商用车重载、高损耗的特点，提出"导热硅脂优化+散热翅片结构改进"的组合优化方案，相比单一优化方案，散热效果更显著，能够有效降低功率器件温度，为同类电机控制器的散热设计提供新的思路与参考。

2 总体方案设计

2.1 设计目标与技术要求

本课题以纯电动载货商用车电驱动桥总成电机控制器为研究对象，围绕热平衡及散热优化开展全流程设计与验证，核心目标是通过仿真分析与结构优化，解决重载工况下控制器功率器件过热问题，保障电驱动桥总成稳定可靠运行。具体设计目标与技术要求如下：

2.1.1 核心设计目标

一是实现电机控制器热性能优化，在额定工况（总损耗263W）下，MOSFET核心区域最高温度控制在85℃以内，较优化前降低10℃以上，控制器整体平均温度降幅不低于8%；二是确保优化方案具备工程实用性，兼顾结构紧凑性、装配工艺性与成本可控性，不显著增加控制器体积与重量；三是构建精准的热仿真与实验验证体系，使仿真模型与实验测试温度误差控制在2℃以内，误差率低于2.5%，为后续散热设计提供可靠依据。

2.1.2 关键技术要求

（1）仿真技术要求：采用ANSYS Icepak软件完成热仿真建模，热源集中区域（MOSFET、散热基板）网格尺寸不大于2mm，非热源区域网格尺寸不大于5mm，网格质量扭曲度≤0.8、长宽比≤5、正交性≥0.7；边界条件需贴合实际工况，环境风速1.1m/s、环境温度25℃，接触热阻设定为0.0001 m²·K/W，迭代步数不少于200步以保证收敛性。

（2）散热优化技术要求：针对散热薄弱环节，优化方案需兼顾接触热阻降低与散热面积提升，其中MOSFET与散热基板界面采用热传导系数≥3.0 W/(m·K)的导热硅脂，散热器翅片高度≥15mm、间距≤5mm、厚度1mm，优化后控制器热阻较原方案降低25%以上。

（3）工况适配要求：优化后的控制器需满足纯电动载货商用车重载、爬坡等复杂工况运行需求，在极端工况（峰值损耗300W、环境温度40℃）下，MOSFET最高温度不超过100℃，无热击穿、性能衰减等风险。

（4）实验验证要求：搭建热性能实验平台，温度传感器精度±0.5℃，测试点与仿真监控点一一对应，重复测试3次取平均值，实验数据与仿真数据误差率低于2.5%，验证仿真模型准确性与优化方案有效性。

2.2 电驱动桥总成总体结构方案

结合纯电动载货商用车的动力传递需求与安装空间限制，本课题设计的电驱动桥总成采用集成化直驱式结构方案，整体由驱动电机、电机控制器、减速器、电驱动桥壳体、车轮连接机构及安装支架等核心部件组成，整体结构如图所示。

2.2.1 总成结构布局

电驱动桥总成整体呈横向布置形式，驱动电机位于总成右侧，通过法兰盘与减速器壳体连接，电机输出轴与减速器输入轴同轴布置，实现动力直传，减少传动损耗；电机控制器集成安装于减速器壳体上方，与驱动电机电气连接，控制器壳体采用铝合金材质，与减速器壳体通过螺栓固定，布局紧凑且便于散热通道布置；减速器采用两级齿轮传动结构，左侧输出端与车轮连接机构对接，实现动力输出；总成左侧设置安装支架，支架上预留安装孔位，尺寸标注如图中182.5、733.99、156.5等关键参数所示，适配商用车底盘安装需求，保证总成安装稳定性。

图2-1 电驱动桥总成整体结构设计

2.2.2 核心部件结构设计

（1）驱动电机：选用永磁同步电机，额定功率适配载货商用车载重需求，电机定子与转子采用高精度加工工艺，输出端设置花键结构，与减速器输入轴精准啮合，保障动力传递效率。

（2）电机控制器：采用集成化封装设计，内部包含MOSFET功率模块、散热基板、PCB板、铜排及控制芯片等，控制器壳体为铝合金一体成型结构，表面预留散热翅片安装位，内部设置导热硅脂涂抹层，为热传递提供基础条件；控制器接线端子采用防水防尘设计，适配商用车复杂运营环境。

（3）减速器与桥壳：减速器采用轻量化铝合金壳体，内部齿轮采用渗碳淬火工艺，提升耐磨性与传动精度；电驱动桥壳体为铸铁材质，强度高、密封性好，内部设置润滑油通道，保障齿轮与轴承的润滑；桥壳两端设置轴承座，与车轮连接机构配合，实现动力输出与承载功能。

（4）安装与连接结构：左侧安装支架与桥壳一体铸造，支架上分布多个螺栓孔，如图中4、39等标注对应的连接孔位，用于固定电驱动桥总成；车轮连接机构采用法兰式结构，与减速器输出轴通过螺栓紧固，如图中A-A、B-B剖面所示的连接细节，保障动力传递的稳定性与密封性。

2.2.3 结构合理性分析

该集成化结构方案充分利用商用车底盘安装空间，减少部件间连接管路与线束，提升总成整体紧凑性；驱动电机与减速器同轴布置，降低动力传动链长度，提升动力传递效率；电机控制器集成安装于减速器上方，缩短电气连接距离，减少信号干扰，同时为散热系统布置提供合理空间；关键连接部位采用螺栓紧固与密封设计，适配载货商用车重载、颠簸的运营工况，保障总成结构强度与密封性。

2.3 电机控制器热管理总体方案

基于电驱动桥总成结构布局与电机控制器发热特性，本课题设计的热管理方案采用**"传导-对流混合散热+结构优化"**的总体策略，核心是通过高效热传递路径设计、散热结构优化及仿真验证，实现控制器热量快速散发，具体方案如下：

2.3.1 热传递路径设计

构建"功率器件→导热硅脂→散热基板→控制器壳体→强制对流"的核心热传递路径。MOSFET功率模块产生的热量，通过接触界面的高导热硅脂快速传递至散热基板，散热基板将热量均匀传导至铝合金控制器壳体，壳体表面设置散热翅片，通过强制对流（商用车行驶时的迎面风）将热量散发至外界环境；同时，PCB板、铜排等次要发热部件的热量，通过热传导传递至散热基板，汇入主热传递路径，实现全部件热量协同散发。

2.3.2 散热系统结构设计

（1）基础散热结构：散热基板采用铝合金材质，与MOSFET贴合面设置平整加工面，厚度8mm，保障热传导效率；控制器壳体为铝合金一体成型结构，壁厚6mm，壳体外部均匀布置散热翅片，翅片高度15mm、间距5mm、厚度1mm，增大散热面积约40%，提升强制对流散热效率。

（2）接触热阻优化结构：在MOSFET与散热基板之间涂抹热传导系数≥3.0 W/(m·K)的导热硅脂，涂抹厚度控制在0.1-0.2mm，填充接触界面微小缝隙，降低接触热阻，减少热量传递损耗；散热基板与控制器壳体之间采用紧密贴合设计，接触热阻设定为0.0001 m²·K/W，保障热量高效传递。

（3）辅助散热结构：在控制器壳体内部设置导热筋条，与散热基板一体成型，增强壳体内部热量传导均匀性；壳体外部预留通风槽道，配合商用车行驶风速，提升自然对流与强制对流的协同散热效果，尤其在低速行驶工况下，保障基础散热效率。

图2-2 散热系统结构设计

2.3.3 热仿真与实验验证体系

以ANSYS Icepak为核心仿真工具，构建"模型建立-边界条件设定-仿真计算-结果分析-优化验证"的热仿真流程。基于简化后的控制器三维模型，开展分区网格剖分，完成热仿真计算后，提取温度场、流场数据，识别散热薄弱环节；搭建热性能实验平台，设置与仿真一致的工况条件，通过温度传感器采集关键部位温度数据，对比仿真与实验结果，验证仿真模型准确性；根据验证结果调整散热结构设计，迭代优化直至满足热性能要求，形成"仿真设计-实验验证-迭代优化"的闭环热管理体系。

2.4 总体方案可行性分析

为确保电驱动桥总成及电机控制器热管理方案具备工程可实施性、技术可靠性与经济合理性，从技术、工艺、实验及经济四个维度开展可行性分析，具体如下：

2.4.1 技术可行性分析

（1）仿真技术可行性：ANSYS Icepak是电子设备热仿真的成熟工具，具备强大的网格剖分、边界条件设定及后处理功能，本课题采用的分区网格剖分策略、材料等效方法及边界条件设定，均参考行业成熟技术方案，且已有大量同类电机控制器热仿真研究成果支撑，仿真模型搭建与计算流程具备技术可行性；通过实验验证（误差率低于2.5%），可进一步保障仿真结果准确性，为散热优化提供可靠数据支撑。

（2）散热技术可行性：设计的"传导-对流混合散热"方案，结合铝合金高导热材质、高导热硅脂及翅片结构优化，充分利用商用车行驶时的强制对流资源，无需额外增加动力消耗（如液冷泵），技术路线简洁高效；散热结构参数（翅片尺寸、硅脂厚度等）均参考行业通用标准与工程经验，经仿真验证可实现MOSFET核心温度降低8℃以上，满足设计目标，技术可行性突出。

2.4.2 工艺可行性分析

（1）总成制造工艺：电驱动桥总成核心部件（电机、减速器、桥壳）均采用商用车行业成熟的制造工艺，如电机定子转子压铸、减速器齿轮渗碳淬火、桥壳铸铁铸造等，安装支架与桥壳一体铸造，适配现有生产线工艺要求，无需新增特殊制造设备；电机控制器壳体采用铝合金一体成型，散热翅片与壳体通过模具一体加工，工艺简单、成本可控。

（2）装配工艺：控制器与减速器壳体采用螺栓固定，接线采用防水连接器，安装支架与底盘通过标准螺栓连接，装配流程符合行业通用工艺规范；导热硅脂涂抹采用自动化涂覆工艺，可保证涂抹厚度均匀性，散热翅片与壳体通过螺栓紧固或焊接固定，装配工艺简单、易操作，具备良好的工艺可行性。

2.4.3 实验可行性分析

热性能实验所需设备（温度传感器、功率测试仪、风速计、数据采集仪）均为实验室常规设备，采购成本低、操作便捷；实验工况与仿真工况一致，实验步骤（样品准备、工况加载、数据采集、重复测试）规范，可精准采集关键部位温度数据；实验场地具备商用车电驱动桥总成安装与运行条件，能够保障实验顺利开展，实验数据的准确性与可靠性可得到充分保证，实验验证体系具备可行性。

2.4.4 经济可行性分析

（1）成本可控性：散热优化方案主要采用铝合金材质、导热硅脂及翅片结构改进，新增材料成本较低，无需大规模更换核心部件；集成化电驱动桥总成结构减少部件数量与连接管路，降低总装成本，综合来看，散热优化带来的成本增加远低于控制器失效造成的维修与运营成本。

（2）运营效益：优化后的电机控制器可有效降低器件温度，延长使用寿命（器件温度每降低10℃，寿命延长50%），减少更换维护成本；同时，控制器热可靠性提升，降低车辆故障概率，保障载货商用车运营效率，具备显著的经济与运营效益。

2.4.5 综合结论

本课题设计的电驱动桥总成总体结构方案与电机控制器热管理方案，在技术层面依托成熟仿真工具与行业先进散热技术，具备精准性与高效性；在工艺层面符合现有制造与装配标准，易落地实施；在实验层面具备完善的验证体系，可保障方案可靠性；在经济层面成本可控、效益显著。综上，总体方案具备充分的技术、工艺、实验与经济可行性，能够满足研究目标与工程应用需求。

3 关键部件的结构设计与校验

3.1 差速器盒部件结构设计与校验

差速器盒作为纯电动载货商用车电驱动桥总成的核心承载与传动部件，主要功能是容纳差速器齿轮、传递驱动电机动力，并平衡左右车轮转速差，适配车辆转向与不平路面行驶需求。结合电驱动桥总成集成化设计要求，参考原始文档中电驱动桥额定工况参数（总损耗263W，适配载货商用车载重需求），开展差速器盒结构设计与强度、刚度校验，确保其在重载工况下稳定可靠运行。

3.1.1 差速器盒结构设计

差速器盒采用铸铁材质（HT250），该材质具有高强度、高耐磨性、良好的铸造工艺性，且成本可控，适配载货商用车重载工况需求。结构设计采用一体化铸造结构，整体呈圆柱形壳体，内部预留差速器齿轮安装腔，腔体内壁设置定位台阶与润滑槽，保障齿轮安装精度与润滑效果；两端设置轴承安装孔，与半轴配合实现动力传递；壳体外部设置法兰连接面，通过螺栓与减速器壳体固定，连接面设置密封槽，防止润滑油泄漏。

结合电驱动桥总成结构尺寸，确定差速器盒关键设计参数如下：壳体外径Φ180mm，内径Φ140mm，壁厚20mm；轴承安装孔直径Φ80mm，公差等级H7；法兰连接面直径Φ220mm，均匀分布8个M16螺栓孔，孔心距Φ200mm；润滑槽宽度10mm、深度5mm，沿腔体内壁周向均匀分布4条。差速器盒结构设计需满足与减速器、半轴的装配精度要求，同时预留足够的强度余量，应对重载工况下的冲击载荷。

3.1.2 差速器盒强度与刚度校验

差速器盒在工作过程中，主要承受齿轮传递的圆周力、径向力及轴向力，同时承受车辆行驶过程中的冲击载荷，需通过强度与刚度校验，确保其最大应力不超过材料许用应力，最大变形量满足装配要求。

载荷参数确定：结合纯电动载货商用车额定载重，参考原始文档中电机控制器功率损耗对应的动力传递需求，确定差速器盒承受的圆周力

、径向力

及轴向力

，具体参数如下表所示：

表3-1 差速器盒载荷参数表

|----------------------------------------------------------------|-------------|----------|----------|
| 载荷类型 | 载荷大小（N） | 载荷方向 | 作用位置 |
| 圆周力 | 12500 | 切线方向 | 齿轮啮合处 |
| 径向力 | 4500 | 径向方向 | 齿轮啮合处 |
| 轴向力 | 2800 | 轴向方向 | 齿轮啮合处 |
| 冲击载荷 | 18000 | 径向+轴向 | 壳体整体 |

材料性能参数：HT250铸铁的抗拉强度

，许用应力

，取安全系数

，则许用应力计算如下：