通過(guò)對(duì)Drive System Design 、Xtrac、大陸汽車的專家的訪談，論述了電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì), 包括EV傳統(tǒng)系統(tǒng)的精密化、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)集成、共用流體潤(rùn)滑和冷卻及多擋變速器等。

編譯 | 清新汽車

來(lái)源 | Transmission Technology 

International 2018年9月

從高性能的超級(jí)跑車到大眾市場(chǎng)的掀背車，實(shí)用型電動(dòng)汽車的到來(lái)，使得變速器的設(shè)計(jì)在最近受到了更大的關(guān)注，傳動(dòng)系統(tǒng)的安靜、平穩(wěn)運(yùn)行和能源效率變得更加重要。

“總體上變速器效率是很高的。” 專門做電氣化動(dòng)力系統(tǒng)的公司Drive System Design (DSD)的負(fù)責(zé)人西蒙·謝波德（Simon Shepherd）說(shuō)，“ 但是，如果你看看電動(dòng)動(dòng)力系統(tǒng)，那里的電機(jī)和電子設(shè)備在90%的效率范圍內(nèi)，傳動(dòng)在總損失中所占的比例就變得更重要了，它可能是總損失的15%-20%。” 

因此，控制電池組的成本和延長(zhǎng)行駛里程是電動(dòng)汽車設(shè)計(jì)中的重要因素。與化石燃料汽車相比，即使是小幅度提高變速器效率也會(huì)大大提高其重要性。

”同樣的重點(diǎn)轉(zhuǎn)移也適用于安靜，因?yàn)闆](méi)有了咆哮的引擎，其他的噪音會(huì)很明顯。“變速器噪音通常令人不快，” 性能傳輸專家XTRAC的首席執(zhí)行官阿德里安·摩爾(Adrian Moore)說(shuō)。“旋轉(zhuǎn)的呼呼聲音是可以的，但是一旦你聽(tīng)到齒輪敲擊等類似的噪聲，那就真的很不愉快了。”為了獲得一種非常精確的變速器，需要做大量的工作，特別是當(dāng)它沒(méi)有被內(nèi)燃機(jī)掩蓋的時(shí)候。

“ 然而，這樣的挑戰(zhàn)很少是簡(jiǎn)單的。”謝波德說(shuō)，“在齒輪的宏觀和微觀幾何方面，系統(tǒng)內(nèi)部存在著權(quán)衡，但這也是一個(gè)完整的系統(tǒng)問(wèn)題。”

“這不僅關(guān)系到齒輪，還在于軸的設(shè)計(jì)、軸承、外殼的剛度和相互作用。” 同樣，效率的提高也得益于整體方法。例如，摩爾指出，提高轉(zhuǎn)速可以充分提高驅(qū)動(dòng)電機(jī)的效率水平，但往往會(huì)使嚙合齒輪的情況更糟。他補(bǔ)充道：“在電機(jī)效率和傳動(dòng)效率之間有一個(gè)折衷方案。” 作為這種相互關(guān)系的結(jié)果，優(yōu)化不僅必須跨越變速器和驅(qū)動(dòng)電機(jī)，而且還要跨越電動(dòng)汽車的電力電子，甚至其電池技術(shù)。

“ 現(xiàn)在，最大的趨勢(shì)是集成。” 摩爾說(shuō)，“這意味著我們可以用更少的連接器和電纜來(lái)減輕整個(gè)系統(tǒng)的重量。

此外，許多故障來(lái)自連接子系統(tǒng)。如果我提供一個(gè)完整的系統(tǒng)，我可以真正控制完整的測(cè)試和標(biāo)定。” 謝波德同意：“越來(lái)越多的電動(dòng)汽車系統(tǒng)正在變得高度集成，所以它不是變速器、馬達(dá)和一套電子設(shè)備的簡(jiǎn)單組合。”這些系統(tǒng)正變得高度集成在一個(gè)外殼內(nèi)，非常多地設(shè)計(jì)在一起。

共用流體

提高集成度可以在工程上提供多種好處。

“在賽車運(yùn)動(dòng)中，你讓一個(gè)部分做兩個(gè)工作，以減輕整體重量，” 摩爾說(shuō)，“如果開(kāi)始把這種想法應(yīng)用到汽車上，你就能得到一些非常好的解決方案。在電動(dòng)汽車中有一個(gè)非常重的電池組，所以在車輛的其他部件上，降低重量是非常重要的。”

謝波德說(shuō)，特斯拉和豐田已經(jīng)開(kāi)發(fā)出一種通用流體來(lái)潤(rùn)滑變速器和冷卻驅(qū)動(dòng)電機(jī)的動(dòng)力系統(tǒng)。在這個(gè)混合系統(tǒng)中增加電力電子是下一個(gè)合乎邏輯的步驟。 他預(yù)測(cè)：“ 一些進(jìn)入汽車運(yùn)動(dòng)的電子設(shè)備是更高溫度的設(shè)備，有可能用油冷卻。” 路德維希引用了大陸的類似發(fā)展：電機(jī)、電力電子和電池都是水冷的，但正在轉(zhuǎn)向油冷電機(jī)，還有對(duì)油冷電力電子，甚至是油冷電池的一些要求。

這種共用的方式是促使人們更密切地審視潤(rùn)滑油本身的因素。“潤(rùn)滑對(duì)效率有很大的影響，”謝波德繼續(xù)說(shuō)道，“這會(huì)造成很大的阻力，我們已經(jīng)做了大量工作，模擬和預(yù)測(cè)損失的影響。我們用清晰的外殼對(duì)此進(jìn)行測(cè)試，現(xiàn)在我們正在試驗(yàn)CFD中的一些最新技術(shù)來(lái)預(yù)測(cè)攪動(dòng)阻力。“ 

摩爾描述了XTRAC的類似的研究，“我們有一個(gè)完全清晰的變速器臺(tái)架，它可以在轉(zhuǎn)彎和制動(dòng)時(shí)全速運(yùn)轉(zhuǎn)，以真正優(yōu)化變速器的油位，從而使攪動(dòng)量降至最低。”進(jìn)一步積極的潤(rùn)滑油管理是可能的。路德維希說(shuō)，大陸已經(jīng)建立了一個(gè)帶有自己的電動(dòng)泵和過(guò)濾器的傳動(dòng)潤(rùn)滑系統(tǒng)。摩爾說(shuō)：“對(duì)這種方法的需求正在增加。我們真的認(rèn)為潤(rùn)滑油系統(tǒng)需要一些壓力。這顯然更復(fù)雜，但效率提升的效果很好。”

增加轉(zhuǎn)速

從飛濺潤(rùn)滑向加壓潤(rùn)滑的轉(zhuǎn)變將被更高的電機(jī)速度的趨勢(shì)所推動(dòng)。

路德維希指出：“目前，我們正在討論一些預(yù)開(kāi)發(fā)項(xiàng)目，該項(xiàng)目的電機(jī)轉(zhuǎn)速將顯著超過(guò)20,000 rpm，我認(rèn)為一些電機(jī)正在實(shí)驗(yàn)室運(yùn)行，轉(zhuǎn)速為3萬(wàn)至3.5萬(wàn)轉(zhuǎn)。” 他補(bǔ)充稱，這樣一臺(tái)電機(jī)或其齒輪的突然鎖死可能會(huì)令人討厭。他解釋說(shuō)：“轉(zhuǎn)速越高，風(fēng)險(xiǎn)就越高，這確實(shí)是驅(qū)動(dòng)對(duì)可控潤(rùn)滑的需求。你必須確保潤(rùn)滑是有效的，如果你只依靠被動(dòng)潤(rùn)滑，你就無(wú)法控制它，也就不知道發(fā)生了什么。” 

“提高電機(jī)速度的動(dòng)力來(lái)自于對(duì)效率的整體追求，因?yàn)楦叩乃俣瓤梢允贵w積較小的電機(jī)上提供（與大的電機(jī)）相同的功率和扭矩，節(jié)省重量、材料和成本，以及使安裝更容易。缺點(diǎn)是，更高的輸入速度會(huì)給下游動(dòng)力系統(tǒng)的其他部分帶來(lái)問(wèn)題。” 謝波德說(shuō)：“你在處理高速齒輪嚙合，或者如果你想用多個(gè)速比來(lái)實(shí)現(xiàn)它，那么你就有了一個(gè)更復(fù)雜的齒輪系統(tǒng)來(lái)控制。” 

路德維希繼續(xù)說(shuō)：“你需要更多的重量和能量來(lái)驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，需要更復(fù)雜的傳動(dòng)控制，所以你必須把這些與從電機(jī)方面所獲得的好處進(jìn)行比較。” 如今，大多數(shù)電動(dòng)汽車都依賴于電機(jī)和車輪之間的一個(gè)固定傳動(dòng)比。這一共識(shí)可能很快就會(huì)被推翻，因?yàn)槎嗨僮兯倨骺梢詭椭鷾p少電機(jī)的大小和保持性能，同時(shí)在一個(gè)更有效的運(yùn)行區(qū)域運(yùn)行。路德維希預(yù)測(cè)說(shuō)：“我們看到浪潮來(lái)了。”

路德維希補(bǔ)充說(shuō)：“我們已經(jīng)在和客戶討論2速的方案，有些人要求3速解決方案。” 市場(chǎng)需求首先出現(xiàn)在運(yùn)動(dòng)型電動(dòng)汽車的開(kāi)發(fā)中，在這種情況下，固定速比很難平衡電機(jī)效率水平與轉(zhuǎn)矩和速度指標(biāo)之間的關(guān)系。

與之形成對(duì)比的是，謝波德說(shuō)，DSD認(rèn)為重型電動(dòng)汽車(如卡車)對(duì)多速傳動(dòng)系統(tǒng)的需求最多，它們有自己棘手的扭矩和速度要求。他補(bǔ)充說(shuō)：“設(shè)計(jì)一種寬速度范圍的電機(jī)會(huì)損害其峰值效率。作為一名電機(jī)設(shè)計(jì)師和一名電力電子工程師，使用多速技術(shù)可以幫助您在較小的范圍內(nèi)集中精力進(jìn)行操作。如果你使用一個(gè)特定的電機(jī)，并使用一個(gè)多速比的變速器，就可以在一個(gè)驅(qū)動(dòng)周期內(nèi)提高效率。”  

“ 今天，雙離合器變速器被廣泛認(rèn)為是多速電動(dòng)汽車的最佳選擇，盡管從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，可能會(huì)出現(xiàn)更多奇怪的選擇。” 路德維希透露，“我們正在對(duì)所謂的磁傳動(dòng)進(jìn)行深入的研究。” 他描述了在電子控制下啟動(dòng)的帶有可變數(shù)量轉(zhuǎn)子和定子極的電機(jī)。路德維希補(bǔ)充道：“我們還可以在現(xiàn)有的電機(jī)上添加一種電磁變速器，在那里，我可以用不同的磁鐵進(jìn)行電子換檔，這些磁鐵被激活和停用，第一批原型正在實(shí)驗(yàn)室運(yùn)行。我認(rèn)為這是一個(gè)重大的技術(shù)變化。”