新能源商用車電驅(qū)動系統(tǒng)綜述

王特特，趙鐵栓

（長安大學(xué)工程機(jī)械學(xué)院，陜西 西安 710000）

客車、貨車、半掛牽引車等之類的商用車，在日常生活生產(chǎn)中扮演著重要的角色。物品運(yùn)輸、人員轉(zhuǎn)移、戰(zhàn)略資源及快遞物流運(yùn)輸、春運(yùn)等日常生活出行，商用車的身影隨處可見。近幾年，隨著國家相關(guān)戰(zhàn)略政策的轉(zhuǎn)移和對生活環(huán)境的重視，新能源汽車領(lǐng)域日新月異。對新能源汽車的補(bǔ)貼、鼓勵和支持使得各大汽車廠商紛紛進(jìn)入這一領(lǐng)域。新能源汽車有著效率高、零排放、環(huán)境友好、控制狀態(tài)不會受到外界影響等優(yōu)點(diǎn)，其占有量也越來越多。新能源商用車也在這一過程中應(yīng)運(yùn)而生。而新能源汽車與傳統(tǒng)現(xiàn)代汽車的區(qū)別主要在于新能源汽車的驅(qū)動方式改為了電驅(qū)動。電驅(qū)動系統(tǒng)主要分為驅(qū)動電機(jī)、變速器、功率變換器、控制器四大部分。電驅(qū)動系統(tǒng)是整個(gè)新能源汽車的核心所在，直接影響其經(jīng)濟(jì)性、安全性、可靠性等性能。

1 電驅(qū)系統(tǒng)簡介

新能源汽車結(jié)構(gòu)主要是由電驅(qū)動系統(tǒng)、底盤部分、車身構(gòu)架以及各種相關(guān)輔助裝置等部分組成。除電力驅(qū)動系統(tǒng)部分外，其余部分的功能和結(jié)構(gòu)組成大體與傳統(tǒng)汽車類同，但有些部件因所選驅(qū)動方式的不同，被簡化改動或者替換撤除了。電力驅(qū)動系統(tǒng)的組成與工作原理如圖1所示，可劃分為輔助模塊、車載電源模塊、電力驅(qū)動主模塊三大部分。

圖1 電力驅(qū)動系統(tǒng)的組成與工作原理圖

2 電驅(qū)系統(tǒng)的布置分類及其特性

1）中央電驅(qū)總成如圖2所示，將驅(qū)動電機(jī)與變速箱集成在一起，替代傳統(tǒng)的發(fā)動機(jī)和變速箱，但仍需要傳動軸以及傳統(tǒng)車橋。在布置形式方面與傳統(tǒng)汽車動力總成相近。且傳動路線長、能量損耗較大，系統(tǒng)效率低；底部空間被大量占據(jù)，導(dǎo)致動力電池布置困難。如德國采埃孚股份公司生產(chǎn)的型號為CeTrax的中央電驅(qū)總成，如圖3所示，該款系統(tǒng)方案適用于低層和高層客車。CeTrax基于“即插即用（plug-and-drive）”設(shè)計(jì)方法，可被整合到當(dāng)前車用平臺中，且無需對底盤、前后橋或差速器進(jìn)行較大的改動。最大輸出及峰值扭矩分別達(dá)到300 kW和4 400 N·m。我國陜西法士特汽車傳動集團(tuán)有限責(zé)任公司的電驅(qū)產(chǎn)品以中央電驅(qū)總成為主。

圖2 中央電驅(qū)總成

圖3 采埃孚CeTrax中央電驅(qū)總成

2）集成電驅(qū)動橋（平行軸/同軸/垂直軸）如圖4所示，將傳統(tǒng)驅(qū)動橋和電機(jī)集成在一起，電機(jī)經(jīng)過減速增扭后直接用于驅(qū)動車輪。節(jié)省了以往的傳動軸、懸置支架等零部件，這使得裝車的成本變低；傳動效率高；占用的空間小，且更方便于動力電池包的布置；而在NVH方面效果差；簧下質(zhì)量大并且偏置，整車的可操控性不高。如東風(fēng)德納車橋有限公司生產(chǎn)的型號為EP-AXLE13的集成式驅(qū)動橋，如圖5所示，適用于8 m～9 m純電動公交，額定載荷8 500 kg。駕駛室噪音不超過68 dB，駕駛體驗(yàn)更加愉悅。傳統(tǒng)系統(tǒng)集成度集成有效釋放底盤空間，通過性更好。

圖4 集成電驅(qū)動橋

圖5 東風(fēng)德納EP-AXLE13集成式驅(qū)動橋

3）輪邊電驅(qū)動橋如圖6所示，高度集成化的電機(jī)、減速器以及傳統(tǒng)驅(qū)動橋，取消了傳動軸和差速器，由于其采用了電子化差速傳動，故傳動效率高；且占用的空間小，動力電池布置更加方便；但簧下質(zhì)量較大，對于整車操控性不利，且電子差速控制難度大。如德國采埃孚股份公司生產(chǎn)的型號為AVE130的輪邊驅(qū)動橋，如圖7所示，電機(jī)類型采用異步電機(jī)，應(yīng)用于10 m～18 m客車，最大功率為2×125 kW，最大軸荷質(zhì)量13 000 kg，其控制器逆變器未集成在車橋上，帶有兩級減速機(jī)構(gòu)。

圖6 輪邊電驅(qū)動橋

圖7 采埃孚AVE130輪邊驅(qū)動橋

4）輪轂電機(jī)橋如圖8所示，輪轂電機(jī)部分與驅(qū)動橋部分進(jìn)行了高度集成[1]，驅(qū)動電機(jī)直接驅(qū)動車輪是未來的發(fā)展方向。這種驅(qū)動系統(tǒng)傳動效率最高，且具有重量輕、能耗低等優(yōu)點(diǎn)；制動能量回收效率更是接近100%，但造價(jià)成本高。電機(jī)尺寸大時(shí)存在過熱、退磁、產(chǎn)業(yè)鏈體系等問題，目前，這方面的技術(shù)不成熟。如荷蘭e-Traction公司生產(chǎn)的輪轂電驅(qū)橋，如圖9所示，零排放、較低的使用成本，從電池到車輪效率高達(dá)94%，比普通電驅(qū)動系統(tǒng)高出15%，減少了活動部件。續(xù)航里程提高20%，電池尺寸降低20%。易維護(hù)低噪音、高舒適性高冗余的車輪獨(dú)立控制占地面積小、空間利用率高，控制方式靈活，適用于12 m～18 m客車及貨車，應(yīng)用領(lǐng)域廣泛。

圖8 輪轂電機(jī)橋

5）國內(nèi)外部分電驅(qū)動產(chǎn)品一覽表如表1所示。

通過上述分析可知，目前，新能源商用車常見的電驅(qū)動系統(tǒng)類型主要為中央集成式電驅(qū)系統(tǒng)、輪邊電驅(qū)動橋、集成電驅(qū)動橋。其中，中央集成式同軸電驅(qū)動橋用于中型、重型貨車以及寬體自卸車。輪邊電驅(qū)動橋則常用于10 m以上的大巴客車系列。集成電驅(qū)動橋常用于貨車及6 m～7 m中巴客車系列。而集成電驅(qū)橋又分為平行軸、同軸、垂直軸三種形式。其中，垂直軸集成電驅(qū)橋的驅(qū)動電機(jī)與驅(qū)動橋以垂直的角度進(jìn)行連接傳動，采用雙曲面齒輪減速方式，速比較小，系統(tǒng)功率密度低。平行軸集成電驅(qū)橋，電機(jī)與驅(qū)動橋呈平行狀態(tài)布置，電機(jī)多偏置。多采用圓柱齒輪傳動，速比大，功率密度高；由于簧下質(zhì)量大且偏置，故而整車操控性、舒適性較差。國內(nèi)集成式電驅(qū)橋多采用平行軸式。

集成電驅(qū)橋與中央驅(qū)動系統(tǒng)相比，在電機(jī)、減速器、差速器與車橋方面，集成化程度高；自動變速器設(shè)計(jì)與控制、電驅(qū)系統(tǒng)控制技術(shù)難度小；底盤占用空間小，電池布置方便；能實(shí)現(xiàn)較高的能量回收，重量輕，比中央驅(qū)動低10%～25%，有效降低電耗，電機(jī)轉(zhuǎn)速高，外形尺寸小，功率密度高。但電機(jī)、變速箱在懸架之下，簧下質(zhì)量大，不利于整車操控性和舒適性提高。在自動變速器設(shè)計(jì)與控制、電驅(qū)系統(tǒng)控制技術(shù)、商用車驅(qū)動橋方面的開發(fā)難度大。中央驅(qū)動系統(tǒng)的電機(jī)、變速箱在懸架之上，簧下質(zhì)量小，整車操控性、舒適性較高。自動變速器設(shè)計(jì)與控制、電驅(qū)系統(tǒng)控制技術(shù)開發(fā)難度小。

3 重卡領(lǐng)域電驅(qū)系統(tǒng)方案分析

3.1 新能源重卡電驅(qū)動系統(tǒng)現(xiàn)狀

在搭配低速電機(jī)的電驅(qū)系統(tǒng)整體構(gòu)型有低速大扭矩單/雙電機(jī)直驅(qū)型和低速電機(jī)搭配AMT變速箱型，兩者的優(yōu)缺點(diǎn)如表2所示。

表2 不同電驅(qū)動類型優(yōu)缺點(diǎn)一覽表

3.2 電機(jī)+減速器與電機(jī)+多檔變速箱方案對比

1）為同時(shí)滿足上坡加速以及最高車速的動力性能需求，采用固定檔減速器類型的電動汽車需要和大扭矩、高轉(zhuǎn)速的驅(qū)動電機(jī)匹配，兩方案之間對比如圖10、圖11所示。

圖10 兩方案扭矩-轉(zhuǎn)速對比關(guān)系圖

圖11 兩方案扭矩-轉(zhuǎn)速對比關(guān)系圖

2）采用兩檔AMT的電動汽車[2-3]，用增大一檔傳動比的方法來滿足上坡、加速、復(fù)雜路段情況下對驅(qū)動力的要求，用減小二檔傳動比來滿足在最高車速對電機(jī)的高轉(zhuǎn)速要求，進(jìn)而使得電機(jī)的最大扭矩值和最高轉(zhuǎn)速值降低[4]。

3）在整體車輛性能的相關(guān)參數(shù)保持不變的前提條件下，采用兩檔AMT將會大大增加電動機(jī)處于最佳效率區(qū)工作的概率，如圖12所示，進(jìn)而使得整車的經(jīng)濟(jì)性和續(xù)航里程得到大幅度的改善。

圖12 兩檔?AMT工作效率對比圖

4）從成本角度來看，與固定檔減速器相比，雖然改為采用兩檔變速器令變速器的成本提升了1 000～3 000元，但是與此同時(shí)，在電機(jī)和電池方面的成本有一定程度的下降，由于工作效率的提升使百公里的用電量降低，進(jìn)而降低了用電成本，也使得充電頻次降低，工作周期變長。從電池的壽命周期角度來看，采用兩檔變速器將使得電動車全生命周期成本下降。

5）從舒適性角度來看，多檔變速器在高車速時(shí)通過高傳動比降低了電機(jī)的工作轉(zhuǎn)速，從而改善了整車的NVH特性（工作過程中產(chǎn)生的噪聲、振動與聲振粗糙度，這是衡量汽車用戶舒適性的指標(biāo)之一）。而且，提高舒適性的前提是盡可能地解決多檔變速器在換檔過程中產(chǎn)生的沖擊振動而造成的舒適性技術(shù)難點(diǎn)。

汽車自動變速器主要有液力自動變速箱（AT）、機(jī)械無級自動變速箱（CVT）、電控機(jī)械自動變速箱（AMT）和雙離合自動變速箱[5]。其中，AMT具有效率高、成本低、結(jié)構(gòu)簡單、生產(chǎn)繼承性好、維修保養(yǎng)方便等優(yōu)點(diǎn)，最為適合純電動商用車汽車使用。

3.3 新能源重卡電驅(qū)動系統(tǒng)發(fā)展趨勢

目前，新能源電驅(qū)系統(tǒng)主要構(gòu)型有低速大扭矩單電機(jī)或低速大扭矩雙電機(jī)直驅(qū)型，低速電機(jī)搭配AMT變速箱型，高速電機(jī)搭配減速器型等。部分整體系統(tǒng)構(gòu)型分類及技術(shù)難點(diǎn)如表3所示。

表3 不同驅(qū)動類型及技術(shù)難點(diǎn)一覽表

3.4 新能源重卡發(fā)展趨勢

隨著業(yè)界對新能源重卡的開發(fā)與研究，考慮到經(jīng)濟(jì)性、集成度、安全性等主要因素與輕量化、高速化、高效率、高可靠性、良好的NVH的電驅(qū)系統(tǒng)未來發(fā)展趨勢相結(jié)合，新能源重卡發(fā)展趨勢主要有以下幾個(gè)方面。

1）低制作成本和低維護(hù)費(fèi)用。新能源重卡在日常的使用過程中，充電樁、車輛保養(yǎng)、電池壽命都需要一定的資金投入。為保證經(jīng)濟(jì)性要求，追求更低成本和維護(hù)費(fèi)用是推廣新能源汽車的主要目標(biāo)之一。

2）車身質(zhì)量的輕量化，電控系統(tǒng)的模塊化。自身質(zhì)量越大，在工作過程中的電池能耗就越高。電驅(qū)系統(tǒng)需要控制的部件更多更復(fù)雜，而模塊化是一種將復(fù)雜系統(tǒng)分解為更好的可管理模塊的方式。在輕量化、優(yōu)化自身結(jié)構(gòu)的同時(shí)，還需滿足強(qiáng)度要求，提升原材料的利用率。使其高速化，降低電機(jī)扭矩；高效率，降低整車能耗。

3）更大的爬坡度及較強(qiáng)的動力性能。電驅(qū)動系統(tǒng)所能提供的動力受制于電機(jī)功率、電池大小等因素。重卡汽車自身質(zhì)量較重且負(fù)載量較高，往往在爬坡、道路狀況較差（泥濘、多坑等）時(shí)出現(xiàn)動力不足的情況。

4）低能耗及高可靠性。續(xù)航里程是新能源汽車的重要性能指標(biāo)之一，在新能源重卡運(yùn)行過程中更是顯得尤為重要。剩余里程的多少，復(fù)雜路況下的能耗情況，都對可靠性提出了更高程度的要求。深入進(jìn)行載荷譜研究，找出易損元件，增加整體系統(tǒng)的工作壽命。加強(qiáng)極限工作狀況下的仿真分析和試驗(yàn)驗(yàn)證能力。

5）良好的駕乘體驗(yàn)。用高功率和扭矩密度來獲得更好的加速、復(fù)雜路況、上坡、超車性能。優(yōu)化電驅(qū)系統(tǒng)自身的NVH，從而實(shí)現(xiàn)整車NVH品質(zhì)的提升。

4 結(jié)語

綜上所述，課題小組介紹了電驅(qū)動工作原理、布置形式的分類和具體產(chǎn)品，簡述了現(xiàn)階段電驅(qū)動系統(tǒng)構(gòu)型和實(shí)現(xiàn)方案。隨著新能源電動汽車逐步發(fā)展，低端產(chǎn)品的更新迭代在性能、傳動效率、續(xù)航里程方面有很大提升，進(jìn)而使得變速器多檔化成為了未來電動汽車傳動系統(tǒng)的發(fā)展趨勢。在新能源商用車方面主要的電驅(qū)動系統(tǒng)形式為輪邊電驅(qū)橋、集成電驅(qū)橋及中央電驅(qū)總成?？蛙嚩嗖捎幂嗊呺婒?qū)橋，卡車多采用集成式電驅(qū)橋或中央驅(qū)動總成，重卡適合采用集成式電驅(qū)橋或中央驅(qū)動總成的形式。經(jīng)過對比，為了滿足更高的性能需求，取得更好的經(jīng)濟(jì)效益，采用高速電機(jī)與多檔變速箱整體構(gòu)型的電驅(qū)系統(tǒng)方案更符合未來的發(fā)展趨勢。