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一種BEV架構(gòu)下的兩檔變速-雙電機動力耦合電驅(qū)動系統(tǒng)開發(fā)平臺

2021-12-28 08:54:17·  來源：驅(qū)動視界  作者：龐瑞超  
　
摘要：本文根據(jù)BEV車型的架構(gòu)特點提出了動力艙的概念，主張在電驅(qū)動系統(tǒng)（EDS）開發(fā)的過程中，根據(jù)整車布置環(huán)境下前/后動力艙的實際空間特征進(jìn)行EDS系統(tǒng)架構(gòu)的開
摘要：本文根據(jù)BEV車型的架構(gòu)特點提出了動力艙的概念，主張在電驅(qū)動系統(tǒng)（EDS）開發(fā)的過程中，根據(jù)整車布置環(huán)境下前/后動力艙的實際空間特征進(jìn)行EDS系統(tǒng)架構(gòu)的開發(fā)；同時，提出了在整車動力艙空間下EDS功率密度的概念，即動力艙功率密度，相對于傳統(tǒng)的EDS單機功率密度指標(biāo)而言，動力艙功率密度能更加準(zhǔn)確、有效地反應(yīng)出動力系統(tǒng)在整車布置環(huán)境下的單位空間利用率；其次，根據(jù)BEV車型前/后動力艙的空間結(jié)構(gòu)特征，結(jié)合電驅(qū)動系統(tǒng)開發(fā)過程中的關(guān)鍵技術(shù)要素，提出了一種全新的兩檔變速-雙電機動力耦合電驅(qū)動系統(tǒng)開發(fā)平臺，該平臺基于模塊化開發(fā)的理念設(shè)計而來，通過不同的模塊組合衍生出的多種EDS構(gòu)型產(chǎn)品可以滿足從A~S級乘用車及中小型商用車車型的動力開發(fā)需求；最后，討論了在BEV車型開發(fā)的新階段下，OEM和Tier 1各自在電驅(qū)動系統(tǒng)開發(fā)過程中的定位和扮演的角色問題。
一. BEV車型動力艙的構(gòu)型特點
純電動汽車（BEV）區(qū)別于傳統(tǒng)燃油車輛最顯著的特征便是以電池+電驅(qū)動系統(tǒng)的動力組合取代了燃油車中油箱、發(fā)動機及復(fù)雜的變速傳動系統(tǒng)，極大地簡化了整車動力系統(tǒng)的硬件架構(gòu)，同時也更容易實現(xiàn)對整車動力及能量流的管理，實現(xiàn)更高的整車驅(qū)動效率。BEV車輛的基本架構(gòu)如圖1所示：


圖1. BEV整車基本架構(gòu)圖示
BEV車輛硬件架構(gòu)開發(fā)的重點是對整車動力及傳動系統(tǒng)簡化后各艙室空間的重新分配。BEV車型典型的整車空間布局主要包括坐艙（Passenger Space）、電池艙（Battery Compartment）、動力艙（Drive Space）和行李艙（Luggage Space）等。各艙室的開發(fā)訴求也各有區(qū)別，具體如下：
坐艙：主要為車輛的駕乘區(qū)域，較大的坐艙空間有助于乘客用車體驗的提升，坐艙開發(fā)是整車開發(fā)的核心內(nèi)容；
電池艙：主要為容納整車動力電池的區(qū)域，位于整車底部，結(jié)構(gòu)及空間位置、尺寸相對固定，其邊界對整車各艙室空間的劃分影響較?。?
動力艙：即車輛中容納電驅(qū)動系統(tǒng)硬件布置所需的空間，根據(jù)其在整車中的位置可分為前動力艙和后動力艙。一般車輛的驅(qū)動模式主要有前驅(qū)、后驅(qū)和四驅(qū)三種形式，則對應(yīng)的動力艙在整車中的分布位置分別為前動力艙、后動力艙和前+后動力艙。BEV車輛的驅(qū)動模式和動力艙配置對應(yīng)關(guān)系如表一所示：
表一. 整車動力艙配置列表


行李艙：即車輛的行李存儲空間，由于BEV車輛整車架構(gòu)的調(diào)整，除具備常規(guī)車輛的后行李艙外，還可通過車輛前部空間的分配，配置整車前行李艙。
在整車的四大艙室中，坐艙直接和乘客交互，充足的座艙空間有助于乘客駕乘體驗的提升；動力艙容納了動力單元，動力系統(tǒng)的優(yōu)劣直接決定了車輛動力性能的好壞。座艙和動力艙也是整車開發(fā)的重中之重。
BEV車輛動力系統(tǒng)硬件架構(gòu)的簡化賦予了整車在各艙室空間布局和分配上的靈活性，如可以通過調(diào)整前后懸參數(shù)等措施最大化地拓展車內(nèi)客艙空間，為乘客提供更好的座艙體驗。以奔馳S級車型為例，其新推出的2022 BEV款EQS車型以燃油車常規(guī)版S級車型的車身尺寸實現(xiàn)了加長版的艙內(nèi)使用空間，就是得益于驅(qū)動系統(tǒng)電動化帶來的對整車空間分配設(shè)計理念的改變。奔馳S級BEV車型EQS及燃油版不同車型的車身參數(shù)對比與圖示分別如表二和圖2，圖3所示。
表二. 奔馳S級車型典型參數(shù)列表



圖2. 2022 EQS車型參數(shù)圖示


圖3. 2021 S-Class L車型參數(shù)圖示
BEV車輛的動力艙根據(jù)電驅(qū)動系統(tǒng)布置的位置主要分為前動力艙（Front Drive Space-FDS）和后動力艙（Rear Drive Space-RDS），其在整車中的位置圖示如圖4所示。


圖4. BEV車輛動力艙位置圖示
如圖所示，前動力艙（FDS）位于駕駛室前方的前軸中間位置，后動力艙（RDS）位于車輛后排座椅下方的后軸中間位置。前/后動力艙位置上的區(qū)別也影響了其艙室的空間特征，如在車輛的前艙位置，出于整車碰撞安全的考慮，會在整車的X方向設(shè)計有充足的碰撞緩沖區(qū)域；在車輛定義時，為了最大限度保證整車的座艙空間，會要求坐艙前艙盡量前移；同時，其他的如VCU、小三電（如OBC、DC/DC、PDU）、熱管理系統(tǒng)等電氣部件一般布置在車輛前艙上部，這樣就在車輛的前艙位置形成了一個“瘦高”的區(qū)域，這也是前動力艙-FDS的典型空間形狀特征。同樣的，為了保證坐艙后排的乘坐空間，會要求后艙的高度盡可能降低，這樣就在車輛的后軸位置形成了一個“扁平”的區(qū)域，這便是后動力艙-RDS典型的空間形狀特征。據(jù)此，根據(jù)前動力艙“瘦高”、后動力艙“扁平”的動力艙室典型空間特征可以提取出如圖5所示的電驅(qū)動系統(tǒng)構(gòu)型設(shè)計要素。


圖5. FDS、RDS艙室空間要素圖示
結(jié)合電驅(qū)動系統(tǒng)中電機、控制器和減速器的結(jié)構(gòu)特點，則前動力艙“瘦高”、后動力艙“扁平”的空間要素可以轉(zhuǎn)化為前動力艙為“同軸”、后動力艙為“三明治”結(jié)構(gòu)布局的電驅(qū)動系統(tǒng)架構(gòu)基本的設(shè)計要素。前、后動力艙電驅(qū)動系統(tǒng)的基本動力單元構(gòu)型如圖6所示。


圖6. FDS、RDS電驅(qū)動系統(tǒng)基本構(gòu)型圖示
前動力艙采用“瘦高”的“同軸”結(jié)構(gòu)、后動力艙采用“扁平”的“三明治”結(jié)構(gòu)布局的電驅(qū)動系統(tǒng)也成為了BEV車輛平臺化開發(fā)的基礎(chǔ)動力模塊，被全球各主流OEM廣泛地應(yīng)用于面向未來的BEV架構(gòu)整車平臺的開發(fā)中，如大眾的MEB、豐田的e-TNGA、現(xiàn)代的E-GMP、通用的BEV3等平臺，其各自的BEV電驅(qū)系統(tǒng)架構(gòu)分別如圖7、圖8、圖9、圖10所示。


圖7. MEB底盤架構(gòu)圖示


圖8. e-TNGA平臺電驅(qū)系統(tǒng)架構(gòu)圖示


圖9. E-GMP底盤架構(gòu)圖示


圖10. BEV3底盤架構(gòu)圖示
二. 兩檔變速-雙電機動力耦合電驅(qū)動系統(tǒng)開發(fā)平臺
在整車的開發(fā)過程中，根據(jù)不同車型的定位和實際開發(fā)需求，一般會進(jìn)行相應(yīng)的空間布局劃分和整車動力匹配，不同車型的整車尺寸、功率需求、驅(qū)動形式等的參數(shù)劃分如表三所示。
表三. 車型參數(shù)劃分列表


對于確定車型的動力開發(fā)而言，就是在整車給定的動力艙室條件下容納能滿足整車動力性能目標(biāo)所需的動力參數(shù)，即在整車給定的前后動力艙室空間下，布置整車所需的功率。目前整車開發(fā)的趨勢是動力艙室的空間在壓縮，而整車的功率需求在提升，此消彼長的限制，在電驅(qū)動系統(tǒng)上車搭載布置的過程中，充分利用給定的艙室空間就顯得尤為重要。據(jù)此，對電驅(qū)動系統(tǒng)架構(gòu)的優(yōu)劣應(yīng)該約束在整車動力艙空間下能布置容納的功率進(jìn)行評價，即動力艙空間下電驅(qū)動系統(tǒng)（EDS）功率。相應(yīng)的，對電驅(qū)動系統(tǒng)評價的指標(biāo)可以轉(zhuǎn)化為整車動力艙功率密度，即在動力艙室空間下單位體積所能容納的功率。相對于傳統(tǒng)的基于電驅(qū)動系統(tǒng)（EDS）單機的功率密度指標(biāo)而言，動力艙功率密度能更加準(zhǔn)確、有效地反應(yīng)出在給定的整車架構(gòu)下動力系統(tǒng)在整車布置環(huán)境里的空間利用率。
根據(jù)圖5、圖6所示的整車動力艙室空間要素和標(biāo)準(zhǔn)電驅(qū)動系統(tǒng)動力單元構(gòu)型，結(jié)合動力艙功率密度的評價標(biāo)準(zhǔn)可以看出，前動力艙“瘦高”的EDS構(gòu)型充分的利用了整車動力艙室空間，而后動力艙“扁平”的平行軸EDS構(gòu)型，其半軸輸出的三角區(qū)域在一定程度上造成了對后動力艙空間的極大浪費，降低了后動力艙的空間利用率。
結(jié)合表三中不同車型的開發(fā)定位和動力需求，考慮到電驅(qū)動系統(tǒng)作為BEV車輛基本的動力單元，再結(jié)合在車輛及其零部件開發(fā)中需滿足平臺化和模塊化開發(fā)的基本要求，以通過大批量生產(chǎn)的規(guī)模效應(yīng)來實現(xiàn)成本最優(yōu)控制的產(chǎn)品開發(fā)策略的實際。因此在BEV動力系統(tǒng)的產(chǎn)品定義和開發(fā)的過程中，對EDS架構(gòu)的開發(fā)就提出了較高的要求，需要有較寬的功率邊界，以盡可能滿足更多車型的動力需求；又要能靈活的進(jìn)行功率和功能拓展，以快速匹配特定功能的開發(fā)要求，縮短產(chǎn)品開發(fā)周期。比如在B~C級車型的的開發(fā)過程中，要優(yōu)先強調(diào)動力系統(tǒng)有較高的傳動效率，就需要對電驅(qū)動系統(tǒng)的效率進(jìn)行著重優(yōu)化；而S~S+級車型會著重強調(diào)動力系統(tǒng)應(yīng)該具備優(yōu)越的動力性能，這就需要搭載更大功率的電驅(qū)動系統(tǒng)和諸如兩檔變速箱等傳動技術(shù)，以滿足整車良好的加速體驗和具備較高車速等的整車開發(fā)要求。
為此，筆者提出一種新的BEV架構(gòu)下的兩檔變速-雙電機動力耦合電驅(qū)動系統(tǒng)開發(fā)平臺，其系統(tǒng)架構(gòu)和產(chǎn)品結(jié)構(gòu)分別如圖11、圖12所示。


圖11. 兩檔變速-雙電機動力耦合電驅(qū)動系統(tǒng)架構(gòu)圖示


圖12. 兩檔變速-雙電機動力耦合電驅(qū)動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖示
該系統(tǒng)主要由驅(qū)動電機EM1、EM2和兩檔變速系統(tǒng)構(gòu)成，采用同軸輸出。該開發(fā)平臺基于模塊化的開發(fā)理念設(shè)計而來，可以靈活的進(jìn)行產(chǎn)品方案拓展，通過不同的功能模塊組合，衍生出多種構(gòu)型的電驅(qū)動系統(tǒng)產(chǎn)品，其可衍生的部分構(gòu)型如表四所示。
表四. 兩檔變速-雙電機動力耦合EDS開發(fā)平臺拓展電驅(qū)動系統(tǒng)構(gòu)型匯總


該兩檔變速-雙電機動力耦合電驅(qū)動系統(tǒng)開發(fā)平臺可顯著的提高電驅(qū)動系統(tǒng)的開發(fā)效率，其主要由以下優(yōu)點：
1、采用雙電機構(gòu)型，有效地拓展了電驅(qū)動系統(tǒng)的功率范圍；
2、采用兩檔變速，有助于優(yōu)化和提高電驅(qū)動系統(tǒng)的效率；
3、雙電機系統(tǒng)可實現(xiàn)無動力中斷換擋，有助于提升動力系統(tǒng)的換擋品質(zhì)，改善駕乘體驗；
4、采用基于模塊化的平臺架構(gòu)，提高了系統(tǒng)的靈活性，可通過不同模塊的組合快速形成多種電驅(qū)動系統(tǒng)構(gòu)型，可極大地縮短電驅(qū)產(chǎn)品的開發(fā)周期，能更多地涵蓋不同的整車應(yīng)用場景，可以滿足從A~S級乘用車及中小型商用車車型的動力開發(fā)需求；
5、該開發(fā)平臺基于模塊化的零部件設(shè)計，可有效提高產(chǎn)品零部件的通用性，有助于大幅降低產(chǎn)品成本；
6、雙電機的構(gòu)型方案更符合BEV車型后動力艙的空間要素，可顯著提高后動力艙的動力艙功率密度。
以上，通過兩檔變速-雙電機動力耦合電驅(qū)動系統(tǒng)開發(fā)平臺進(jìn)行電驅(qū)動系統(tǒng)架構(gòu)的策劃和產(chǎn)品開發(fā)，不失為一種電驅(qū)動產(chǎn)品開發(fā)的有效策略。
三. 新階段下OEM和Tier 1各自的角色定位
根據(jù)上文可知，電驅(qū)動系統(tǒng)開發(fā)的關(guān)鍵在于對整車開發(fā)需求的理解，即根據(jù)整車給定的動力艙空間要素，提供滿足整車動力要求的動力系統(tǒng)。
而目前的困境在于，OEM和Tier 1供應(yīng)商的相互關(guān)系以及產(chǎn)品開發(fā)策略在新能源汽車時代仍然沿襲了燃油車開發(fā)的邏輯：Tier 1以貨架產(chǎn)品的思路完成產(chǎn)品開發(fā)，OEM再根據(jù)各供應(yīng)商的產(chǎn)品型譜進(jìn)行整車匹配。由于在新能源汽車發(fā)展的當(dāng)下，電驅(qū)動系統(tǒng)供應(yīng)商數(shù)量的增加、OEM企業(yè)話語權(quán)的增強以及整車開發(fā)節(jié)奏的加快，導(dǎo)致Tier 1以貨架產(chǎn)品開發(fā)和供應(yīng)的電驅(qū)動系統(tǒng)在OEM整車開發(fā)過程中的匹配難度越來越大，且各Tier 1供應(yīng)商的產(chǎn)品同質(zhì)化嚴(yán)重，供應(yīng)商之間高度內(nèi)卷，這在一定程度上浪費了大量資源，也不利于行業(yè)的長遠(yuǎn)發(fā)展。
比如，目前市面上主流的電驅(qū)動系統(tǒng)產(chǎn)品根據(jù)其系統(tǒng)架構(gòu)主要有兩種類型：“三明治”的扁平構(gòu)型和‘I’形構(gòu)型，分別是根據(jù)MEB平臺的后動力艙電驅(qū)動系統(tǒng)和Tesla平臺的電驅(qū)動產(chǎn)品構(gòu)型借鑒開發(fā)而來，或許是由于未能充分理解該兩種構(gòu)型產(chǎn)品定義和開發(fā)背后的邏輯，只是“機械的”進(jìn)行了相似的概念設(shè)計，導(dǎo)致其基于Tier 1思路開發(fā)出來的貨架產(chǎn)品在市場推廣和整車搭載的過程中受到較大挑戰(zhàn)；另一方面，國內(nèi)主流的BEV OEM和VW、Tesla迥異的整車平臺、車型架構(gòu)、車型開發(fā)和生產(chǎn)模式也進(jìn)一步限制了Tier 1企業(yè)電驅(qū)動產(chǎn)品在整車端的應(yīng)用；其次，傳統(tǒng)的Tier 1企業(yè)嚴(yán)重缺乏對EDS產(chǎn)品在整車匹配過程中全部訴求的準(zhǔn)確理解，且各OEM車企車型產(chǎn)品的開發(fā)思路和車型定位的差別，導(dǎo)致其對搭載的EDS產(chǎn)品的需求各有不同，這也是限制Tier 1企業(yè)開發(fā)電驅(qū)動系統(tǒng)平臺產(chǎn)品的關(guān)鍵因素。鑒于以上因素，在BEV車型開發(fā)新的語境下，由Tier 1企業(yè)獨立完成電驅(qū)動系統(tǒng)平臺的開發(fā)是不可能實現(xiàn)的美好愿景，也不符合技術(shù)應(yīng)用與發(fā)展的規(guī)律。MEB平臺后艙電橋和Tesla平臺典型電橋及市面上對應(yīng)的電橋供應(yīng)商列表如表五所示。
表五. 典型電驅(qū)動系統(tǒng)供應(yīng)商列表


對于目前的困局，筆者傾向于一種新的電驅(qū)動系統(tǒng)開發(fā)思路，即與傳統(tǒng)的整車動力系統(tǒng)開發(fā)模式進(jìn)行切割，由OEM、Tier1聯(lián)合完成BEV 電驅(qū)動系統(tǒng)的開發(fā)工作，分別發(fā)揮各自在整車系統(tǒng)集成和零部件級產(chǎn)品功能實現(xiàn)的特長，探索出既符合整車需求又能推動電驅(qū)動系統(tǒng)正向開發(fā)的可行路徑。
對于具體的電驅(qū)動系統(tǒng)開發(fā)而言，應(yīng)加強OEM企業(yè)的頂層規(guī)劃能力，根據(jù)車企的車型開發(fā)計劃，確定相應(yīng)的EDS系統(tǒng)架構(gòu)，在該框架下完成與整車規(guī)劃相適應(yīng)的系統(tǒng)集成開發(fā)，再在Tier 1企業(yè)的配合下完成EDS系統(tǒng)部件級產(chǎn)品的功能實現(xiàn)，從而完成整個電驅(qū)動系統(tǒng)的開發(fā)工作，在這個過程中，需要OEM企業(yè)的部分職能下沉，Tier 1企業(yè)系統(tǒng)級的功能弱化。在新模式下，將由OEM主導(dǎo)，負(fù)責(zé)規(guī)劃、分解、傳遞整車的動力系統(tǒng)開發(fā)要求，承擔(dān)更多產(chǎn)品開發(fā)中的規(guī)劃與溝通協(xié)調(diào)工作；由Tier 1企業(yè)進(jìn)行協(xié)同，負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)Tier 2…等的相關(guān)企業(yè)，提供滿足相應(yīng)功能需求的電驅(qū)動系統(tǒng)功能模塊，進(jìn)而完成整車所需電驅(qū)動系統(tǒng)的正向開發(fā)。由此，才能走出OEM和Tier 1企業(yè)相得益彰、長遠(yuǎn)發(fā)展的電驅(qū)動產(chǎn)品開發(fā)之路。
四. 總結(jié)
本文主要探討了在目前發(fā)展階段下關(guān)于電驅(qū)動系統(tǒng)開發(fā)中總成架構(gòu)開發(fā)的一些關(guān)鍵問題，區(qū)別于以往基于Tier 1思路的電驅(qū)動系統(tǒng)開發(fā)邏輯，提出了以整車需求為導(dǎo)向的電驅(qū)系統(tǒng)開發(fā)思路；同時，提出了一種BEV架構(gòu)下的兩檔變速-雙電機動力耦合電驅(qū)動系統(tǒng)開發(fā)平臺，通過平臺化的開發(fā)模式可以提高電驅(qū)動產(chǎn)品的開發(fā)效率，降低產(chǎn)品的開發(fā)及制造成本；其次，討論了在電驅(qū)動系統(tǒng)開發(fā)過程中OEM和Tier 1扮演的角色問題，通過開發(fā)鏈條中OEM和Tier 1等參與企業(yè)的角色互補，充分發(fā)揮各自所長，以開發(fā)出更好匹配整車需求的電驅(qū)動系統(tǒng)。最后，也希望借此能將BEV電驅(qū)動系統(tǒng)的開發(fā)引入一個新的階段。
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