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混動變速器和電驅(qū)動系統(tǒng)及發(fā)展?fàn)顩r

2020-04-03 17:55:57·  來源：EDC電驅(qū)未來  
　
目前電驅(qū)動系統(tǒng)的集成度還不高，每輛電動車需要相應(yīng)配備分立設(shè)計的電動機、控制器和變速器，從而形成電驅(qū)動系統(tǒng)的類別。電驅(qū)動系統(tǒng)一般由汽車廠或者新能源電動機
目前電驅(qū)動系統(tǒng)的集成度還不高，每輛電動車需要相應(yīng)配備分立設(shè)計的電動機、控制器和變速器，從而形成電驅(qū)動系統(tǒng)的類別。電驅(qū)動系統(tǒng)一般由汽車廠或者新能源電動機企業(yè)根據(jù)開發(fā)的電動機特性，然后根據(jù)汽車廠要求的汽車性能和安裝空間，相應(yīng)設(shè)計和配置需要的變速器。汽車驅(qū)動電動機產(chǎn)品主要還是處于轉(zhuǎn)速較低，電動機體積較大的狀況。電動機、控制器和變速器集成化可以實現(xiàn)高功率密度，轉(zhuǎn)速高于15 000r/min的高速電動機將會是主流批量汽車的標(biāo)準(zhǔn)配置。表3是目前國內(nèi)主要電驅(qū)動產(chǎn)品公司。

下面分析汽車驅(qū)動特性和電動機輸出特性帶來的對電動車變速器（或者說減速器）的設(shè)計特性要求及發(fā)展趨勢，然后給出一些產(chǎn)品實例。

1. 汽車驅(qū)動特性和電動機輸出特性對變速器擋位影響

由于電動機輸出特性接近汽車動力要求的理想需求，導(dǎo)致電動機作為動力源不需要很多擋位。圖24比較了發(fā)動機加5擋變速器和電動機加一個固定減速比后汽車牽引力的輸出特性。

表4給出了不同變速器應(yīng)用的擋位數(shù)目前考慮的范圍，可以看出電動車電驅(qū)動一般以一擋為主，為了提高效率和驅(qū)動動力配置，兩速的電驅(qū)動也會占市場一定份額。

表2 電動機電控市場價格及規(guī)模預(yù)期（整理計算）
 
表3 國內(nèi)主要電驅(qū)動產(chǎn)品公司及配套供應(yīng)汽車商
 
圖23 電動機成本構(gòu)成（來源：中國產(chǎn)業(yè)信息網(wǎng)）

圖24 發(fā)動機5擋變速器和電動機1擋減速器的汽車牽引力輸出特性比較

2. 從汽車到電驅(qū)動到變速器的性能需求與設(shè)計

汽車作為交通工具，已經(jīng)從簡單的能夠?qū)崿F(xiàn)輸出轉(zhuǎn)矩驅(qū)動汽車到現(xiàn)在成為一個復(fù)雜的系統(tǒng)，其功能方面以及非功能方面的需求已經(jīng)涉及各個方面，與品牌相關(guān)的價格競爭力也是重要成功因素。圖25列出了一些汽車層面的需求，作為汽車主要的子系統(tǒng)電驅(qū)動系統(tǒng)，相應(yīng)的可以推導(dǎo)出其性能需求。

對電驅(qū)動系統(tǒng)的變速器在設(shè)計驗證時主要需要保證下列性能要求：效率、可靠性（強度、壽命）和NVH。

效率方面：舉例一款電驅(qū)動系統(tǒng)采用80kW的異步電動機，10kHz的逆變器，在綜合工況下其功率損耗及其占比如圖26所示，變速器大約占電驅(qū)動系統(tǒng)14%的損耗。

壽命方面：汽車一般要求保證300 000km的壽命，汽車會行駛在不同的路況以及不同的駕駛場景，據(jù)此汽車廠會定義一個載荷譜用于電驅(qū)動系統(tǒng)的強度及壽命計算，對變速器設(shè)計需要考慮在不同車速下車輪功率，轉(zhuǎn)矩數(shù)值，包括城市、高速、鄉(xiāng)間等駕駛工況，還要包括最大功率及峰值功率下的最大轉(zhuǎn)矩，防抱死制動系統(tǒng)（ABS）啟動導(dǎo)致的轉(zhuǎn)矩載荷也要考慮在變速器設(shè)計之中。

NVH方面：NVH是電驅(qū)動系統(tǒng)的一個重要評價指標(biāo)，隨著電動機轉(zhuǎn)速的提高，NVH成為電驅(qū)動設(shè)計中的一個重要研究課題。這包括電動機本身的噪聲、電動機轉(zhuǎn)矩波動通過變速器帶來的噪聲、變速器本身的嚙合產(chǎn)生的振動噪聲等。電驅(qū)動系統(tǒng)的NVH的計算優(yōu)化需要建立一套完善的工具鏈，并且需要正確細致的設(shè)計好測試驗證環(huán)節(jié)。圖27顯示計算電驅(qū)動NVH的示例。

結(jié)構(gòu)方面：電驅(qū)動系統(tǒng)發(fā)展趨勢是采用高速電動機，功率密度大，把變速器和電控單元集成在一起。典型的如博世新開發(fā)的集成電驅(qū)動橋eAxle。一般系統(tǒng)設(shè)計中包含潤滑冷卻系統(tǒng)、駐車鎖止的統(tǒng)一考慮。

表4 不同變速器應(yīng)用的擋位數(shù)合理范圍
 
圖25 汽車和電驅(qū)動的需求（基于VW發(fā)表整理）

圖26 電驅(qū)動系統(tǒng)損耗比較

圖27 電驅(qū)動系統(tǒng)NVH分析工具鏈

電驅(qū)動系統(tǒng)的變速器結(jié)構(gòu)布局可以是并行軸或者同軸，可以采用定軸齒輪傳動或者行星齒輪傳動（見圖28）。

電驅(qū)動系統(tǒng)的變速器設(shè)計需要從電驅(qū)動系統(tǒng)整體角度出發(fā)，首先獲得系統(tǒng)和零部件的需求，了解設(shè)計邊界條件如汽車載荷、電驅(qū)動系統(tǒng)支承結(jié)構(gòu)（各方向的剛度）等，然后開始進行強度、壽命以及NVH方面的計算，不斷優(yōu)化、選取合適的軸承標(biāo)準(zhǔn)件等，隨后是原型的制造與測試驗證，經(jīng)過不同樣品階段到達量產(chǎn)產(chǎn)品的最終定型。電驅(qū)動系統(tǒng)變速器設(shè)計參考流程如圖29所示。

電驅(qū)動系統(tǒng)總體設(shè)計時還要考慮冷卻潤滑結(jié)構(gòu)，冷卻主要涉及到電驅(qū)動的電控和電動機；軸承和齒輪需要潤滑，圖30是針對電動機、電控與變速器的潤滑冷卻系統(tǒng)布局概念圖。

很多電驅(qū)動系統(tǒng)一般也集成駐車鎖止機構(gòu)，特別是歐洲汽車公司的電動汽車。駐車鎖止機構(gòu)必須與變速器同時設(shè)計，是電驅(qū)動總體集成設(shè)計的一項重要任務(wù)，表5列出了駐車鎖止機構(gòu)的功能和其對應(yīng)的指標(biāo)要求，圖31給出了寶馬i3上采用的駐車鎖止機構(gòu)示意圖。

3. 市場上一些主要電驅(qū)動系統(tǒng)示例

以下列舉幾個有代表性的電動車電驅(qū)動系統(tǒng)及其變速器特點。

（1）特斯拉Model S電驅(qū)動系統(tǒng)。

特斯拉電驅(qū)動系統(tǒng)采用異步電動機驅(qū)動，S60峰值功率為245kW，采用兩級一擋減速器，四個齒輪和一個差速器。特斯拉電驅(qū)動系統(tǒng)實物圖和其中一款電動機的峰值曲線如圖32所示。

整個電驅(qū)動系統(tǒng)的質(zhì)量大約77kg，材料構(gòu)成見表5。

（2）奔馳EQ平臺電動車EQC電驅(qū)動系統(tǒng)。
圖28 電驅(qū)動系統(tǒng)齒輪箱結(jié)構(gòu)實例

圖29 電驅(qū)動系統(tǒng)變速器設(shè)計參考流程

圖30 電驅(qū)動潤滑冷卻系統(tǒng)布局概念圖

圖31 i3駐車鎖止機械機構(gòu)示意圖（整理，i3專利）

1.鎖止輪 2.（軸上）執(zhí)行器換口 3.卡位 4.彈簧卡銷 5.卡銷 6.3棘爪

奔馳汽車將于2019年推出第一臺基于電動車平臺EQ開發(fā)的電動車EQC，其電驅(qū)動系統(tǒng)性能指標(biāo)見圖，由采埃孚公司提供。也同樣采用兩級一擋減速器，減速比為9.6。駐車鎖止機構(gòu)也集成在電驅(qū)動總成中。

（3）通用雪佛蘭Bolt電驅(qū)動系統(tǒng)。

雪佛蘭Bolt電動汽車是北美產(chǎn)量比較大的電動車。其電驅(qū)動主要集成了電動機與齒輪箱，電控部分獨立。也同樣出于成本考慮采用相對簡單的兩級一擋減速器，其差速器的軸與電動機同軸（見圖33）。

表5 特斯拉S60電驅(qū)動材料質(zhì)量分布
 
圖32 特斯拉Model S 電驅(qū)動系統(tǒng)及減速器（來源：互聯(lián)網(wǎng)整理）

圖33 通用雪佛蘭Bolt電驅(qū)動系統(tǒng)

結(jié)語

國內(nèi)目前主要電驅(qū)動系統(tǒng)生產(chǎn)產(chǎn)品是以開發(fā)電動機和電控為主，然后根據(jù)現(xiàn)有電動機、汽車驅(qū)動性能要求及空間位置設(shè)計配置相應(yīng)減速器，減速器不是作為電驅(qū)動系統(tǒng)的一個關(guān)鍵部分對待。

國內(nèi)電驅(qū)動系統(tǒng)供應(yīng)商認(rèn)識到高端集成系統(tǒng)的主流趨勢，主要廠商正在大力開發(fā)包含了電動機、減速器與電控等集成電驅(qū)動系統(tǒng)，如大洋電動機，精進電動機等。在這方面幾年后市場產(chǎn)品的格局會逐步清晰，國內(nèi)汽車驅(qū)動電動機、變速器及齒輪廠家一定要在目前的關(guān)鍵時機，開發(fā)出適合大批量生產(chǎn)的具有競爭力的模塊化集成電驅(qū)動系統(tǒng)。
 
 
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