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混動(dòng)變速器和電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)及發(fā)展?fàn)顩r
2020-04-03 17:55:57· 來(lái)源：EDC電驅(qū)未來(lái)
目前電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的集成度還不高，每輛電動(dòng)車(chē)需要相應(yīng)配備分立設(shè)計(jì)的電動(dòng)機(jī)、控制器和變速器，從而形成電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的類(lèi)別。電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)一般由汽車(chē)廠或者新能源電動(dòng)機(jī)
目前電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的集成度還不高，每輛電動(dòng)車(chē)需要相應(yīng)配備分立設(shè)計(jì)的電動(dòng)機(jī)、控制器和變速器，從而形成電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的類(lèi)別。電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)一般由汽車(chē)廠或者新能源電動(dòng)機(jī)企業(yè)根據(jù)開(kāi)發(fā)的電動(dòng)機(jī)特性，然后根據(jù)汽車(chē)廠要求的汽車(chē)性能和安裝空間，相應(yīng)設(shè)計(jì)和配置需要的變速器。汽車(chē)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)產(chǎn)品主要還是處于轉(zhuǎn)速較低，電動(dòng)機(jī)體積較大的狀況。電動(dòng)機(jī)、控制器和變速器集成化可以實(shí)現(xiàn)高功率密度，轉(zhuǎn)速高于15 000r/min的高速電動(dòng)機(jī)將會(huì)是主流批量汽車(chē)的標(biāo)準(zhǔn)配置。表3是目前國(guó)內(nèi)主要電驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品公司。
下面分析汽車(chē)驅(qū)動(dòng)特性和電動(dòng)機(jī)輸出特性帶來(lái)的對(duì)電動(dòng)車(chē)變速器（或者說(shuō)減速器）的設(shè)計(jì)特性要求及發(fā)展趨勢(shì)，然后給出一些產(chǎn)品實(shí)例。
1. 汽車(chē)驅(qū)動(dòng)特性和電動(dòng)機(jī)輸出特性對(duì)變速器擋位影響
由于電動(dòng)機(jī)輸出特性接近汽車(chē)動(dòng)力要求的理想需求，導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力源不需要很多擋位。圖24比較了發(fā)動(dòng)機(jī)加5擋變速器和電動(dòng)機(jī)加一個(gè)固定減速比后汽車(chē)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(dòng)車(chē)電驅(qū)動(dòng)一般以一擋為主，為了提高效率和驅(qū)動(dòng)動(dòng)力配置，兩速的電驅(qū)動(dòng)也會(huì)占市場(chǎng)一定份額。
表2 電動(dòng)機(jī)電控市場(chǎng)價(jià)格及規(guī)模預(yù)期（整理計(jì)算）
表3 國(guó)內(nèi)主要電驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品公司及配套供應(yīng)汽車(chē)商
圖23 電動(dòng)機(jī)成本構(gòu)成（來(lái)源：中國(guó)產(chǎn)業(yè)信息網(wǎng)）
圖24 發(fā)動(dòng)機(jī)5擋變速器和電動(dòng)機(jī)1擋減速器的汽車(chē)牽引力輸出特性比較
2. 從汽車(chē)到電驅(qū)動(dòng)到變速器的性能需求與設(shè)計(jì)
2. 從汽車(chē)到電驅(qū)動(dòng)到變速器的性能需求與設(shè)計(jì)
汽車(chē)作為交通工具，已經(jīng)從簡(jiǎn)單的能夠?qū)崿F(xiàn)輸出轉(zhuǎn)矩驅(qū)動(dòng)汽車(chē)到現(xiàn)在成為一個(gè)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(gè)方面，與品牌相關(guān)的價(jià)格競(jìng)爭(zhēng)力也是重要成功因素。圖25列出了一些汽車(chē)層面的需求，作為汽車(chē)主要的子系統(tǒng)電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，相應(yīng)的可以推導(dǎo)出其性能需求。
對(duì)電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的變速器在設(shè)計(jì)驗(yàn)證時(shí)主要需要保證下列性能要求：效率、可靠性（強(qiáng)度、壽命）和NVH。
效率方面：舉例一款電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)采用80kW的異步電動(dòng)機(jī)，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(dòng)系統(tǒng)14%的損耗。
壽命方面：汽車(chē)一般要求保證300 000km的壽命，汽車(chē)會(huì)行駛在不同的路況以及不同的駕駛場(chǎng)景，據(jù)此汽車(chē)廠會(huì)定義一個(gè)載荷譜用于電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的強(qiáng)度及壽命計(jì)算，對(duì)變速器設(shè)計(jì)需要考慮在不同車(chē)速下車(chē)輪功率，轉(zhuǎn)矩?cái)?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(dòng)系統(tǒng)（ABS）啟動(dòng)導(dǎo)致的轉(zhuǎn)矩載荷也要考慮在變速器設(shè)計(jì)之中。
NVH方面：NVH是電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的一個(gè)重要評(píng)價(jià)指標(biāo)，隨著電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的提高，NVH成為電驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)中的一個(gè)重要研究課題。這包括電動(dòng)機(jī)本身的噪聲、電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩波動(dòng)通過(guò)變速器帶來(lái)的噪聲、變速器本身的嚙合產(chǎn)生的振動(dòng)噪聲等。電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的NVH的計(jì)算優(yōu)化需要建立一套完善的工具鏈，并且需要正確細(xì)致的設(shè)計(jì)好測(cè)試驗(yàn)證環(huán)節(jié)。圖27顯示計(jì)算電驅(qū)動(dòng)NVH的示例。
結(jié)構(gòu)方面：電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)發(fā)展趨勢(shì)是采用高速電動(dòng)機(jī)，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(kāi)發(fā)的集成電驅(qū)動(dòng)橋eAxle。一般系統(tǒng)設(shè)計(jì)中包含潤(rùn)滑冷卻系統(tǒng)、駐車(chē)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(chē)和電驅(qū)動(dòng)的需求（基于VW發(fā)表整理）
圖26 電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)損耗比較
圖27 電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)NVH分析工具鏈
電驅(qū)動(dòng)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(dòng)或者行星齒輪傳動(dòng)（見(jiàn)圖28）。
電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的變速器設(shè)計(jì)需要從電驅(qū)動(dòng)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(jì)邊界條件如汽車(chē)載荷、電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)支承結(jié)構(gòu)（各方向的剛度）等，然后開(kāi)始進(jìn)行強(qiáng)度、壽命以及NVH方面的計(jì)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(cè)試驗(yàn)證，經(jīng)過(guò)不同樣品階段到達(dá)量產(chǎn)產(chǎn)品的最終定型。電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)變速器設(shè)計(jì)參考流程如圖29所示。
電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)時(shí)還要考慮冷卻潤(rùn)滑結(jié)構(gòu)，冷卻主要涉及到電驅(qū)動(dòng)的電控和電動(dòng)機(jī)；軸承和齒輪需要潤(rùn)滑，圖30是針對(duì)電動(dòng)機(jī)、電控與變速器的潤(rùn)滑冷卻系統(tǒng)布局概念圖。
很多電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)一般也集成駐車(chē)鎖止機(jī)構(gòu)，特別是歐洲汽車(chē)公司的電動(dòng)汽車(chē)。駐車(chē)鎖止機(jī)構(gòu)必須與變速器同時(shí)設(shè)計(jì)，是電驅(qū)動(dòng)總體集成設(shè)計(jì)的一項(xiàng)重要任務(wù)，表5列出了駐車(chē)鎖止機(jī)構(gòu)的功能和其對(duì)應(yīng)的指標(biāo)要求，圖31給出了寶馬i3上采用的駐車(chē)鎖止機(jī)構(gòu)示意圖。
3. 市場(chǎng)上一些主要電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)示例
以下列舉幾個(gè)有代表性的電動(dòng)車(chē)電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)及其變速器特點(diǎn)。
（1）特斯拉Model S電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。
特斯拉電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)采用異步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，S60峰值功率為245kW，采用兩級(jí)一擋減速器，四個(gè)齒輪和一個(gè)差速器。特斯拉電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)實(shí)物圖和其中一款電動(dòng)機(jī)的峰值曲線如圖32所示。
整個(gè)電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的質(zhì)量大約77kg，材料構(gòu)成見(jiàn)表5。
（2）奔馳EQ平臺(tái)電動(dòng)車(chē)EQC電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。
圖28 電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)齒輪箱結(jié)構(gòu)實(shí)例
圖29 電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)變速器設(shè)計(jì)參考流程
圖30 電驅(qū)動(dòng)潤(rùn)滑冷卻系統(tǒng)布局概念圖
圖31 i3駐車(chē)鎖止機(jī)械機(jī)構(gòu)示意圖（整理，i3專(zhuān)利）
1.鎖止輪 2.（軸上）執(zhí)行器換口 3.卡位 4.彈簧卡銷(xiāo) 5.卡銷(xiāo) 6.3棘爪
奔馳汽車(chē)將于2019年推出第一臺(tái)基于電動(dòng)車(chē)平臺(tái)EQ開(kāi)發(fā)的電動(dòng)車(chē)EQC，其電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)性能指標(biāo)見(jiàn)圖，由采埃孚公司提供。也同樣采用兩級(jí)一擋減速器，減速比為9.6。駐車(chē)鎖止機(jī)構(gòu)也集成在電驅(qū)動(dòng)總成中。
（3）通用雪佛蘭Bolt電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。
雪佛蘭Bolt電動(dòng)汽車(chē)是北美產(chǎn)量比較大的電動(dòng)車(chē)。其電驅(qū)動(dòng)主要集成了電動(dòng)機(jī)與齒輪箱，電控部分獨(dú)立。也同樣出于成本考慮采用相對(duì)簡(jiǎn)單的兩級(jí)一擋減速器，其差速器的軸與電動(dòng)機(jī)同軸（見(jiàn)圖33）。
表5 特斯拉S60電驅(qū)動(dòng)材料質(zhì)量分布
圖32 特斯拉Model S 電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)及減速器（來(lái)源：互聯(lián)網(wǎng)整理）
圖33 通用雪佛蘭Bolt電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)
結(jié)語(yǔ)
國(guó)內(nèi)目前主要電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)生產(chǎn)產(chǎn)品是以開(kāi)發(fā)電動(dòng)機(jī)和電控為主，然后根據(jù)現(xiàn)有電動(dòng)機(jī)、汽車(chē)驅(qū)動(dòng)性能要求及空間位置設(shè)計(jì)配置相應(yīng)減速器，減速器不是作為電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的一個(gè)關(guān)鍵部分對(duì)待。
國(guó)內(nèi)電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)供應(yīng)商認(rèn)識(shí)到高端集成系統(tǒng)的主流趨勢(shì)，主要廠商正在大力開(kāi)發(fā)包含了電動(dòng)機(jī)、減速器與電控等集成電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，如大洋電動(dòng)機(jī)，精進(jìn)電動(dòng)機(jī)等。在這方面幾年后市場(chǎng)產(chǎn)品的格局會(huì)逐步清晰，國(guó)內(nèi)汽車(chē)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)、變速器及齒輪廠家一定要在目前的關(guān)鍵時(shí)機(jī)，開(kāi)發(fā)出適合大批量生產(chǎn)的具有競(jìng)爭(zhēng)力的模塊化集成電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。
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