節(jié)能與新能源汽車(chē)傳動(dòng)技術(shù)的發(fā)展

林少宏

（廣州市機(jī)電高級(jí)技工學(xué)校 510370)

隨著《中國(guó)制造2025》和“互聯(lián)網(wǎng)+”等國(guó)家戰(zhàn)略的深入推進(jìn)，新能源汽車(chē)產(chǎn)業(yè)在“十三五”期間將出現(xiàn)新的發(fā)展高峰。國(guó)家層面，新能源汽車(chē)是中國(guó)由汽車(chē)大國(guó)向汽車(chē)強(qiáng)國(guó)邁進(jìn)的必由之路；企業(yè)層面，新能源汽車(chē)已經(jīng)成為企業(yè)占領(lǐng)制高點(diǎn)的必要條件[1]。但在國(guó)內(nèi)新能源汽車(chē)產(chǎn)業(yè)取得喜人成績(jī)的背后，依然存在諸多的挑戰(zhàn)和困難。目前，國(guó)內(nèi)新能源汽車(chē)傳動(dòng)系統(tǒng)在技術(shù)先進(jìn)性、可靠性和安全性等方面仍亟待提高。

1 背景簡(jiǎn)述

2017年，國(guó)內(nèi)車(chē)市的增速遭遇近年來(lái)的首次大幅度“跳水”，但新能源車(chē)在各類利好政策的扶持下則春風(fēng)依舊，依然保持高速增長(zhǎng)的發(fā)展態(tài)勢(shì)。據(jù)中國(guó)汽車(chē)工業(yè)協(xié)會(huì)發(fā)布數(shù)據(jù)顯示，2017年下半年新能源汽車(chē)生產(chǎn)75.1萬(wàn)輛，銷售50.68萬(wàn)輛，同比分別增長(zhǎng)2.6倍和2.7倍。其中2017年8月新能源汽車(chē)生產(chǎn)91 303輛，銷售118 054輛，同比分別增長(zhǎng)2.9倍和3.5倍。

在上海第4屆國(guó)際CTI論壇上，顧問(wèn)委員會(huì)主席、德國(guó)布倫瑞克工業(yè)大學(xué)汽車(chē)工程技術(shù)研究院院長(zhǎng)Ferit Kü?ükay教授在其演講一開(kāi)始就提到，“作為汽車(chē)制造的核心部件，傳動(dòng)系統(tǒng)及變速器研發(fā)領(lǐng)域在此大環(huán)境下，面臨的不僅是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)，同時(shí)也是一個(gè)巨大的機(jī)遇，汽車(chē)傳動(dòng)系統(tǒng)的效率及燃油消耗將在中國(guó)汽車(chē)市場(chǎng)扮演越來(lái)越重要的角色”[2]。針對(duì)新能源汽車(chē)發(fā)展對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)帶來(lái)的影響和挑戰(zhàn)，技術(shù)發(fā)展未來(lái)趨勢(shì)、人才培養(yǎng)等問(wèn)題仍需進(jìn)行必要的探究。

2 目前影響傳動(dòng)技術(shù)變革的因素

新能源汽車(chē)用電動(dòng)機(jī)來(lái)驅(qū)動(dòng)行駛，選擇合適的電動(dòng)機(jī)是提高各類電動(dòng)汽車(chē)性價(jià)比的重要因素。因此研發(fā)或完善能同時(shí)滿足車(chē)輛行駛過(guò)程中的各項(xiàng)性能要求，并具有堅(jiān)固耐用、造價(jià)低和效能高等特點(diǎn)的電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)方式顯得極其重要。

影響新能源汽車(chē)傳動(dòng)技術(shù)的因素主要來(lái)自于3個(gè)方面，即政策、經(jīng)濟(jì)和科技。各國(guó)節(jié)能減排標(biāo)準(zhǔn)日漸嚴(yán)苛，石油價(jià)格高漲，為滿足車(chē)企要求及車(chē)主用車(chē)成本，傳動(dòng)系統(tǒng)勢(shì)必要做出調(diào)整，無(wú)論

對(duì)于傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)還是新能源車(chē)輛。此外近年來(lái)，可替代材料的出現(xiàn)、自動(dòng)駕駛以及車(chē)聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)的不斷滲透，都在影響著傳動(dòng)系統(tǒng)的變革。

3 不同驅(qū)動(dòng)力車(chē)型其傳動(dòng)技術(shù)未來(lái)的發(fā)展?fàn)顩r

新能源傳動(dòng)技術(shù)的快速發(fā)展，讓傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)感受到了壓力，因此，進(jìn)行不斷改進(jìn)來(lái)提升內(nèi)燃機(jī)技術(shù)，再加上成本較低，優(yōu)勢(shì)還是比較明顯[3]。在考慮電氣化之前，要充分挖掘傳統(tǒng)傳動(dòng)系統(tǒng)的潛力。然而，如果希望能進(jìn)一步降低油耗，混合動(dòng)力和電動(dòng)傳動(dòng)則是很好的補(bǔ)充。

目前，如果不配備混合動(dòng)力的話，傳統(tǒng)自然吸氣發(fā)動(dòng)機(jī)以4～5速的傳動(dòng)系統(tǒng)是無(wú)法達(dá)到節(jié)能減排相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的。以C級(jí)及更小級(jí)別的車(chē)型為例，只有通過(guò)采用小排量直噴渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)并配備7～9速的自動(dòng)變速器才能滿足法律法規(guī)需求。而對(duì)于運(yùn)動(dòng)型多功能車(chē)等大型車(chē)輛來(lái)說(shuō)，則必須采用混合動(dòng)力系統(tǒng)才能滿足油耗及排放的要求。電氣化將是未來(lái)發(fā)展的一個(gè)大趨勢(shì)，因此市場(chǎng)充斥多種解決方案是有必要的。

4 新能源汽車(chē)傳動(dòng)技術(shù)未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)

無(wú)論是HEV還是PHEV對(duì)所配置的傳動(dòng)系統(tǒng)都提出了較高的要求。在實(shí)現(xiàn)技術(shù)提升方面有一個(gè)有效的方案是在變速器內(nèi)集成1～2個(gè)電機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)我們所謂的“主動(dòng)變速器”，這類變速器有著以下的一些特征。

(1)變速器內(nèi)包含有電機(jī)、功率電子裝置、執(zhí)行器、傳感器、控制器。可以在變速器內(nèi)將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能從而實(shí)現(xiàn)汽車(chē)驅(qū)動(dòng)。

(2)變速器的主要功能與傳統(tǒng)變速器一樣，仍然是轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的轉(zhuǎn)換。

(3)為實(shí)現(xiàn)“主動(dòng)變速”，變速器可以與汽車(chē)內(nèi)所有控制單元進(jìn)行通信交流，特別是與驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、底盤(pán)系統(tǒng)、駕駛輔助系統(tǒng)以及車(chē)載資訊娛樂(lè)系統(tǒng)通信。

(4)變速器內(nèi)配有先進(jìn)的控制策略，以實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)性能的最優(yōu)化。包括駕駛性能、舒適性、動(dòng)力性、燃油經(jīng)濟(jì)性、最大行程及駕駛的安全性。為實(shí)現(xiàn)以上目標(biāo)，“主動(dòng)變速器”中的執(zhí)行裝置除了換擋任務(wù)外，還可以根據(jù)駕駛情況將發(fā)動(dòng)機(jī)或電機(jī)與傳動(dòng)系統(tǒng)分開(kāi)，在適當(dāng)?shù)臅r(shí)候再將其閉合。

以上所述的特征，主動(dòng)變速器將在混合動(dòng)力汽車(chē)（HEV）以及插電混動(dòng)汽車(chē)（PHEV，最大電動(dòng)行程20～50 km）中廣泛使用。與傳統(tǒng)汽車(chē)相比，這類新能源汽車(chē)將提供更好的燃油經(jīng)濟(jì)性。在法定的測(cè)試循環(huán)中，混合動(dòng)力汽車(chē)的燃油經(jīng)濟(jì)性可以比傳統(tǒng)汽車(chē)提升20%～30%，插電混動(dòng)汽車(chē)則可以最高提升70%。

新能源汽車(chē)區(qū)別于傳統(tǒng)車(chē)最核心的技術(shù)是“三電”（電驅(qū)動(dòng)，動(dòng)力電池，電控）。目前，新能源汽車(chē)所使用的控制系統(tǒng)大多是在傳統(tǒng)汽車(chē)控制器基礎(chǔ)上，再進(jìn)行一些適應(yīng)性的更改，形成適應(yīng)于新能源汽車(chē)工作的控制軟件。國(guó)內(nèi)在電機(jī)、電控領(lǐng)域的自主化程度仍遠(yuǎn)落后于動(dòng)力電池，部分電機(jī)電控核心組件如IGBT 芯片等仍不具備完全自主生產(chǎn)能力，具備系統(tǒng)完整知識(shí)產(chǎn)權(quán)的整車(chē)企業(yè)和零部件企業(yè)仍是少數(shù)。隨著國(guó)內(nèi)電機(jī)電控系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)鏈的逐步完善，電機(jī)電控系統(tǒng)的國(guó)產(chǎn)化率逐步提高，電機(jī)電控市場(chǎng)具有的增速有望超過(guò)新能源汽車(chē)整車(chē)市場(chǎng)的增速。

此外，隨著整車(chē)車(chē)體結(jié)構(gòu)輕量化的推進(jìn)，電池、動(dòng)力電機(jī)、電控系統(tǒng)在新能源汽車(chē)整車(chē)中的成本占比也逐漸上升。根據(jù)Argonne國(guó)家實(shí)驗(yàn)室統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，新能源汽車(chē)動(dòng)力總成(電機(jī)、電控、變速器)的成本分別占整車(chē)成本的15.67%(轎車(chē))和13.69%(小型貨車(chē))，總成占比僅次于電池和BMS系統(tǒng)。在新能源汽車(chē)補(bǔ)貼逐步上升的政策驅(qū)動(dòng)下，動(dòng)力總成成本下降的壓力將逐步向上傳導(dǎo)至電機(jī)、電控產(chǎn)品上。因此，電機(jī)電控市場(chǎng)在很大程度上仍將影響新能源汽車(chē)市場(chǎng)的走向。

5 電動(dòng)汽車(chē)傳動(dòng)技術(shù)

為了實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排，降低對(duì)石化能源的依賴程度，從“十三五”計(jì)劃開(kāi)始，中國(guó)政府出臺(tái)了一系列鼓勵(lì)政策推動(dòng)新能源汽車(chē)發(fā)展，特別是電動(dòng)汽車(chē)的發(fā)展，經(jīng)過(guò)多個(gè)五年計(jì)劃和規(guī)劃的努力，到“十三五”規(guī)劃時(shí)期的2018年，中國(guó)內(nèi)地的電動(dòng)汽車(chē)銷量突破120萬(wàn)輛，占比降超過(guò)世界電動(dòng)車(chē)銷量的一半。

伴隨著電動(dòng)汽車(chē)近幾年的高速增長(zhǎng)，電動(dòng)汽車(chē)傳動(dòng)技術(shù)也日益引起重視。電動(dòng)汽車(chē)傳動(dòng)系統(tǒng)分為2大類，一類是集中式電驅(qū)動(dòng)技術(shù)電機(jī)與變速器或減速器直接通過(guò)傳動(dòng)軸連接，實(shí)現(xiàn)動(dòng)力傳動(dòng)。另一類是分布式電驅(qū)動(dòng)技術(shù)，又可以細(xì)分為輪邊驅(qū)動(dòng)和輪轂驅(qū)動(dòng)。

乘用車(chē)普遍采用集中式電驅(qū)動(dòng)技術(shù)，采用單級(jí)減速器。盡管電機(jī)有比發(fā)動(dòng)機(jī)更好的調(diào)速特性，但由于單級(jí)減速器速比調(diào)節(jié)范圍有限，使動(dòng)力性、特別是中高速階段的加速性能受到較大的限制，高效工作區(qū)也不能得到充分的利用。為了擴(kuò)寬傳動(dòng)比范圍并提升驅(qū)動(dòng)電機(jī)效率，烏克蘭Anto nov汽車(chē)公司研發(fā)了一款3擋的可動(dòng)力換擋的ET( electric vehicle transmission)，并在NEDC循環(huán)測(cè)試中，可以提升15%的工作效率。德國(guó)的GKN傳動(dòng)公司亦設(shè)計(jì)出了一款基于同步器換擋的2擋自動(dòng)變速器，目前已經(jīng)搭載于混合動(dòng)力跑車(chē)上，大大降低了對(duì)前軸電機(jī)的性能需求。

在理論研究方面，國(guó)外高校做了充分的研究。英國(guó)桑德蘭大學(xué)的Ren等通過(guò)仿真研究了單擋減速器、多擋位及無(wú)級(jí)變速器在不同的循環(huán)工況中，對(duì)純電動(dòng)汽車(chē)效率的提升影響。德國(guó)達(dá)媽施塔特工業(yè)大學(xué) Eberleh等針對(duì)一款最高轉(zhuǎn)速23 000 r/min的高速電機(jī)設(shè)計(jì)匹配了一款可動(dòng)力換擋的2擋自動(dòng)變速器。英國(guó)薩里大學(xué)的專家教授們以動(dòng)力性與經(jīng)濟(jì)性作為優(yōu)化目標(biāo)，針對(duì)2款不同的驅(qū)動(dòng)電機(jī)優(yōu)選出了2組不同的傳動(dòng)比，該團(tuán)隊(duì)還設(shè)計(jì)一種新型的單高合器且無(wú)動(dòng)力中斷的純電動(dòng)車(chē)用2擋自動(dòng)變速器，并研究了相應(yīng)的換擋控制策略。此外，該團(tuán)隊(duì)還聯(lián)合 Oe rli kon grazia no公司研發(fā)了一款將2個(gè)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)電機(jī)耦合起來(lái)的4擋自動(dòng)變速。雖然通過(guò)同步器進(jìn)行擋位切換，但通過(guò)協(xié)調(diào)雙電機(jī)的控制實(shí)現(xiàn)了動(dòng)力不中斷換擋。韓國(guó)成均館大學(xué)的Hong等，針對(duì)純電動(dòng)車(chē)用2擋DCT研究了相應(yīng)的換擋控制策略，以改其換擋品質(zhì)。

6 結(jié)束語(yǔ)

汽車(chē)電動(dòng)化對(duì)汽車(chē)傳動(dòng)技術(shù)提出了新的要求。為了進(jìn)一步節(jié)能、環(huán)保，傳統(tǒng)內(nèi)燃汽車(chē)的傳動(dòng)系統(tǒng)需要有更多的擋位、更寬的速比范圍、更高的傳動(dòng)效率。在動(dòng)力電池續(xù)航里程和充電基礎(chǔ)設(shè)施完善之前，混合動(dòng)力汽車(chē)和插電式混合動(dòng)力汽車(chē)是實(shí)現(xiàn)汽車(chē)節(jié)能減排的有效技術(shù)途徑，混合動(dòng)力和插電式混合動(dòng)力構(gòu)型方案設(shè)計(jì)和控制技術(shù)是關(guān)鍵，方案構(gòu)型創(chuàng)新和最優(yōu)能能量管理是國(guó)內(nèi)外研究的重點(diǎn)。為了更好地優(yōu)化電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力性，降低電耗和成本，純電動(dòng)汽車(chē)多擋位自動(dòng)變速器和集成式電驅(qū)動(dòng)橋日益受到國(guó)內(nèi)的重視，而分布式輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)則是未來(lái)純電動(dòng)汽車(chē)驅(qū)動(dòng)技術(shù)的發(fā)展方向。