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1 纯电商用车电驱动型式概述
在电动汽车领域,乘用车的发展显然快于商用车,个中原因不仅仅因为电动商用车的驱动机构更加复杂、型式更加多样,还由于电动商用车的应用场景在很多情况下是中长距离的运输,除固定路线外,其他如个体户等电动物流车并不是能够很容易得到电力能源的补给,即充电,这在很大程度上也限制了电动商用车的普及和推广速度。
但是由于传统商用车尤其是重型车,其相比乘用车更加巨大的排放污染(20～30),使得在城市中的电动化浪潮更加迫切,面临如今纯电商用车更加复杂和多样的驱动型式,对各种驱动型式进行研究,找出优缺点和不同的适用场景,分析国内外主流驱动系统供应商的典型产品,对于我国纯电商用车的发展具有十分重要的意义。
2 中心电机驱动系统
2.1 中心电机驱动系统概述
中心传动(central drive)是指在原燃油车变速器位置用驱动电机替代,由于电机的位置基本在整车的中心位置,故称之为中心电机驱动系统。
对传统燃油商用车来说,中心电机是最容易实现的方案:由于传动轴、后桥以及整个后悬挂系统能直接借用,不需要对现有底盘做大的改动即可把中心电机整合到当前平台中,所以这是一种在传统燃油车基础上最简单的改制方案。
▲上图是小编今年北京车展拍的照片,这是典型的中心传动(电驱动系统+传动轴+后桥)
当然缺点也很明显,由于电机的转速通常是柴油机转速的2～5倍,而其后的传动系统减速增扭的作用却没有变化,一般商用车驱动桥的速比在3～5,减速比不够大就意味着电机的潜力并不能够被完全发掘出来:高速能力过高,而低速扭矩又不够。
2.2 ZF中心驱动系统
配备ZF CeTrax中心驱动系统的车辆最大爬坡度能够提高到25%,最大输出及峰值扭矩分别达到300 kW和4400 Nm。
电机功率和传统燃油机相当,最大扭矩4400,配速比5的后桥,输出扭矩2万多,基本够用。
▲配备ZF CeTrax中心驱动系统的公交车
▲CeTrax中央电驱动装置可以与单级主减后桥和传统的低地板后桥相匹配,可用于低入口公交和低地板公交的所有车型。
该系统产品包还提供了驱动控制及逆变器,当提到性能、能效及使用寿命时,主机厂可对整体方案进行精密的调整。
与其他解决方案(中央电驱动桥和轮边电机以及轮毂电机)相比,采埃孚中央电驱动装置在重量、性能及效率方面具有低成本和改动量小的优势。
2.3 法士特中心电机驱动系统
法士特采用直驱+变速箱,通过变速箱调节转速,电机可以变小,功率降低,效率增加,能耗降低。比如法士特自主研发的2档纯电变速箱,最大扭矩500Nm,可匹配载重4-10吨轻卡。
直驱加了变速箱后,比如一档速比4,与直驱相比,相当于扭矩扩大4倍,相当于直驱4个电机功率,爬30%的坡也很轻松。一档适合爬坡,用户一般二档起步,二档速比约2.6。
2EZ110集成2挡AMT变速箱和电机,额定输入功率200千瓦,最大输入扭矩1100N.m,重量48kg。
电驱动系统采用独特的三中间轴设计,体积紧凑,重量更轻。全系AMT变速箱都采用气动换挡执行机构,可靠性和使用寿命相比电动换挡机构要高出很多。
▲法士特2EZ110纯电驱动系统
按照产品规划,2EZ110这款多挡变速箱新能源总成,主要用于8米以上纯电动客车和7-18吨纯电动专用车等市场,其相比中央直驱电机的优势就在于,通过多挡AMT变速箱的“嵌入”和变速器的增扭,大大减少驱动电机的尺寸和体积,并有效提高系统动力性能,提升车辆在复杂工况下的适应性和爬坡能力,进而降低能耗和使用成本。(发展带多挡变速箱的新能源驱动总成,也是当前新能源商用车市场的技术趋势之一。笔者注)
法士特4E50纯电动自动变速器
采用斜齿传动,承载能力大,寿命长,噪音低。变速器通过滑套结构换挡,不带同步器,质量可靠,重量轻,节能效果明显。其电机功率选择范围更宽,小功率电机成本低、能耗小,相同电量的情况下续航里程更长,可增加30%以上。
同时变速器的增扭作用,可以有效提高系统动力性能,提升整车起步能力,爬坡能力翻倍,适应各种不同工况。产品适用于6-8米纯电动客车和10T及以下物流车。
2.4 内蒙一机中心电机驱动系统
▲上图是内蒙古第一机械集团(617厂)七分公司展出的客车电驱系统
▲内蒙古第一机械集团(617厂)七分公司展出的客车电驱系统,其由两个电机+带同步器的减速器构成。
▲内蒙古第一机械集团(617厂)七分公司展出的客车电驱系统,从此图可以看出,此电驱系统为纵置系统,并不是常见的双电机各驱动一侧半轴的横置系统,纵置系统布置两个电机是因为减速器采用两档机构,为了弥补换挡动力中断而采取双电机布置方案。
2.5 凯博易控中心驱动系统
▲凯博易控
▲凯博易控
▲凯博易控
▲凯博易控
3 中央电机驱动桥
3.1 中央电机驱动桥的概念
中央电机驱动桥(Center Drive Axle)是指在原传动驱动桥主减速器的位置由驱动电机来替代。
上图是典型的中央电机驱动桥
▲这是一款纯电动轻卡,电机1500Nm的输出配速比5的后桥减速器,整车输出7500Nm。
▲中央电机+冲焊整体桥壳+板簧悬挂
3.2 AxleTech中央电机驱动桥
▲AxleTech中央电机双联驱动后桥
▲AxleTech中央电机驱动桥,载重11吨,电机功率265KW,电机扭矩2760Nm,当车桥减速比7.4时输出20424Nm;当车桥速比5.08时输出14020Nm。可匹配19.5寸、20寸和22.5寸轮辋。
▲AxleTech中央双电机驱动桥
3.3 比亚迪中央电机驱动桥
▲从目前披露的资料来看,比亚迪是唯一实现批量应用的中央电机驱动桥
▲前段时间,比亚迪中标深圳某公司500台纯电自卸车
▲比亚迪8x4纯电自卸车,采用双联中央电机驱动桥
▲比亚迪纯电重卡装配线
▲刚刚上线的车架
▲已经完成动力总成和车轮装配的重卡,即将落装驾驶室
▲比亚迪后悬挂和车桥轮端特写,从单侧4条骑马螺栓可以看出,这是一款重载车型,值得注意的是,之前国内重卡只有斯太尔的铸造平端盖和奔驰的冲压圆端盖,不出意外的话,比亚迪这种放射状端盖会成为国内第三种,会成为车辆识别的典型标志。
▲据称比亚迪电驱动桥采用4AMT,设置多档减速的方式有助于提高电机驱动效率,提高续航里程。不过从减速器铝壳体来看,设计显得非常生疏,去对比一下ZF铝合金变速器壳体就知道差距了。
▲电机+减速器+驱动桥,采用压缩空气制动,两侧是弹簧储能制动气室
▲由于车桥一侧集中了电机和减速器,导致翻转偏距增大,故车桥后侧安装了强壮的稳定杆来平衡重量,注意车桥后盖的设计方式
▲电机+减速器+驱动桥
▲电机+减速器+驱动桥
▲电机+减速器+驱动桥
▲正在车间转运中的电驱动桥,可以看到有盘式制动也有鼓式制动,有代表性的依然是带放射状结构端盖的轮边减速器
▲比亚迪中央电机驱动桥
3.4 德纳中央电机驱动桥
▲德纳同轴电驱桥
▲德纳同轴电驱桥
▲德纳平行轴电驱桥
▲德纳平行轴电驱桥
▲目前这款车桥有15.29和11.23两个速比可以选择,这么大的速比是为了适应电动机的转速,经过特殊减速以后和普通的车桥无异。电动机最大功率为150KW,最大扭矩为635牛米,而最高转速可以达到8000转。
▲东风德纳推出的这款电驱桥是针对GVW 6-8吨纯电动城市物流卡车、8米纯电动城市公交客车、7米纯电动旅游客车,是东风德纳耗资1000多万研发出的具有“四合一”结构特点的纯电动驱动桥。
▲所谓的“四合一”就是车桥集成了发动机、变速箱、传动轴、差速器功能,节约了大量的空间,方便整车布置电池。电机、传动系统集成以后具有传动效率高、尺寸小的特点。
▲装配德纳中央电驱桥的商用车
3.5 特斯拉中央电机驱动桥
▲特斯拉电驱桥的布置形式可谓独树一帜,两个电机和减速器分别布置在桥壳前后
▲特斯拉双联驱动桥共装配4台驱动电机
▲马斯克、特斯拉电动重卡Semi和电驱动桥
▲可以清晰地看到前后的铝合金壳体
▲从侧面可以看到第一驱动桥和后减速器和第二驱动桥的前减速器
3.6 美驰中央电机驱动桥
2018年7月31日,美驰蓝色地平线BLUE HIRIZON电驱动桥在徐州工厂正式亮相,这也是美驰电驱动桥首次登陆中国市场。
据悉,这款BLUE HORIZON电驱动桥早在2017年的北美亚特兰大展会就已经发布,此次将正式引入中国市场。
此次下线的电驱动桥,搭载美驰纯电动主减,具备轻量化,能耗低,效率高等特点。据悉,这款纯电动主减是用来替代传统的嵌入式主减,并且不影响车辆的其他布置。
美驰纯电动主减的设计,可灵活变形,以更好地适用于不同的车型应用,如纯电动车、混合动力车等。
可供城间客车以及中短途车的应用,同时也能适用于非公路以及更严峻的工况。
在今年5月份,美驰宣布了蓝色地平线(Blue Horizon),这是一个新的技术品牌,代表着以电动传动系、效率和连接系统为中心的先进技术的新兴平台。
最初,蓝色地平线电气传动系统将以MiTror集成的EcRealver为特征,它利用车轴内的电动机来为车辆提供动力,将传统的机械发动机替换为集成在后驱动桥中的电机,该公司表示。
美驰的EcRealver将推出EOHOST和ESUV平台,在每个轴上提供150, 180和200千瓦的功率范围和250千瓦的峰值功率。
▲这就是刚刚引入中国的原型桥,从前面的主减形状可以判断,主减速器仍采用90°轴交角的准双曲面齿轮。
▲蓝色地平线美国展示
▲美驰中央电机驱动桥
▲电机轴与车桥输出轴垂直布置的方式,对主减速器的改造最小,甚至可以和传统主减通用。
但是依赖传统准双曲面齿轮的减速方式,也限制了速比提高,导致电机转速不能过高,那么电机的功率密度也就无从谈起;比起主流的平行轴布置,螺旋齿轮无论是成本、精度、NVH还是装配调整,都比圆柱齿轮困难得多。
▲美驰高效齿轮
3.7 Wrightspeed中央电机驱动桥
其实把Wrightspeed放到中央电机这里有点勉强,放到轮边电机桥更合适
▲Wrightspeed电动卡车底盘结构示意图
▲Wrightspeed电动卡车
▲Wrightspeed电动卡车
▲Wrightspeed电驱动单元,神似特斯拉
▲Wrightspeed电动卡车
▲Wrightspeed电动卡车底盘实拍
3.8 断开式中央电机驱动桥
▲这种结构估计军用场合比较多
3.9 汉德中央电机桥
▲汉德中央电机驱动桥
▲汉德HDE 5T中央电机集成驱动桥,正反转扭矩相同,具备能量回收功能,适用6~8米纯电动客车
3.10 中央电机桥小结
从前面的介绍可以看出:
1.中央电机桥根据桥壳型式可以分为整体式和断开式
2.根据电机数量可以分为单电机和双电机驱动
3.根据电机的位置可以分为中央式(集中式)和轮边式(分布式)
4.根据电机轴和车桥输出轴可以分为平行轴、垂直轴和同轴
中央电机在未来一段时间内是主流,但是在客车和货车的应用上会逐步分化,这种分化不是人为主导的,而是由用途性质决定的:货车对地板高度没有过高要求,所以中央电机在货车的应用还会持续更长时间;但是在客车上就有所不同:低地板客车使得中央电机的缺点无法避免。
4 轮边电机驱动桥
4.1 轮边电机的概念
轮边电机桥最显著的特点就是取消了中央主减速器,从而能够把车内地板高度降下来,这大概就是轮边电机桥设计的初衷。
4.2 ZF轮边电机驱动桥
▲在轮边电机桥界,ZF称第二,大概没有人敢称第一
▲ZF轮边电机桥最显著的优势就是降低了车内底板的高度
▲ZF的经典:AVE130
▲ZF的经典:AVE130
▲ZF的经典:AVE130
4.3 奔驰轮边电机驱动桥
▲奔驰电动重卡Actros
▲奔驰电动重卡伪装测试车底盘俯瞰图
▲奔驰电动重卡Actros
▲奔驰电动重卡Actros
▲伪装测试的奔驰电动重卡
▲奔驰电动重卡Actros
▲电池组、电驱动桥和底盘
▲奔驰电动重卡Actros
▲奔驰电动重卡Actros
▲奔驰电动重卡Actros装配的电驱动桥,由ZF AVE130改造而来
▲奔驰电动重卡Actros
▲奔驰电动重卡Actros
▲奔驰电动重卡Actros
▲奔驰电动重卡Actros
▲伪装测试的奔驰电动重卡
4.4 比亚迪轮边电机驱动桥
▲比亚迪轮边电驱桥
▲包括出口以色列的K9U、出口英国K10在内的电动大巴的核心驱动单元,就是比亚迪研发、制造的4点气囊悬架、双轮边电机的门式驱动桥总成。
黄色箭头:后气囊
红色箭头:前气囊
白色箭头:高压空气制动分配阀体
蓝色箭头;通风制动盘及制动分泵
▲局部剖视图,据说,比亚迪K9电动大巴用的就是这种轮边电机桥,刚开始应用时出现了大面积的轮胎磨损,很容易判断出是电子差速的问题,想必是当时不太成熟,不过电子和软件技术进步很快,相信比亚迪不久后就解决了这个问题。而且解决电子差速问题不像传统机械结构那样拆解、更换会带来很大的损失,电子差速的升级只要升级软件就可以了,随时随地都可以。
▲最新状态的TYC-90系列轮边驱动电机总成。
白色箭头:小型化的驱动电机控制器
黄色箭头:轮边驱动电机油冷散热器
红色箭头:再次轻量化的驱动电机壳体
需要注意的是,出口以色列的K9U电动大巴,在较中国使用环境复杂的中东地区。高温、干燥气候特征,要求K9U电动大巴在满负载工况下,散热效能更强。
▲比亚迪轮边电驱桥,尽管有ZF的同类产品,但是比亚迪很可能是世界上销量最大的此类产品,毕竟K9电动大巴已经量产多年,并且销往欧美日
▲比亚迪轮边电驱桥,电机+减速齿轮
▲电机出来的动力经过三轴两级减速,再经过轮边减速器输出,注意所有的圆柱齿轮都是斜齿
▲轮边部分特写
▲老板亲自站台
▲比亚迪轮边电机桥轮边端盖原来采用的是奔驰式的冲压原型端盖,但是最近开始使用重卡中央电机桥那种放射加强筋结构端盖,看来是经过优化的轮边结构取代了老结构
▲已经换代的轮边减速器
4.5 长江轮边电机驱动桥
▲2018北京车展的长江轮边电机桥
▲长江轮边电机桥
▲长江轮边电机桥
▲长江轮边电机桥,轮端部分特写,从实物外形可以看出,设计团队水平不错,记得是简式设计操刀
▲轮边减速器较小,表明说出扭矩较小,只能用于客车,无法拓展到重卡
▲轮边减速器部分显得细长,一方面说明齿宽较宽,另一方面说明采用的是斜齿,为了抵消轴向力,行星排两侧的圆锥轴承也加长了轴向尺寸
▲长江轮边电机桥
▲长江轮边电机桥
4.6 AxleTech轮边电机驱动桥
4.7 汉德轮边电机驱动桥
汉德轮边电驱桥,虽然汉德是传统老国企,没有特斯拉和比亚迪那么新锐的思维,但毕竟是重型桥NO.1,实力不是盖的。
4.8 方盛轮边电机驱动桥
从方盛轮边电机端盖来看,显然直接借用奔驰桥轮边减速器,猜想其内部的齿轮是直齿而非斜齿
4.9 独立悬挂轮边电驱桥
▲独立悬挂轮边电机桥
▲受限于独立悬挂的承载能力,独立悬挂轮边电机桥一般用于中型客车或公交车,双A臂的运用使得车辆行驶平顺性更好,提高了舒适性
▲方盛独立悬挂轮边电机桥适用6～7米公交车
轮边电机桥小结:轮边电机的优点总结起来有两个:一是降低了地板高度,因为两个电机布置在车辆两侧,也就是出现了比较低的地板通道;而且缩短了传动链长度,取消了传统差速器,传动效率得以提高。缺点也要说:就是电子差速问题,并不是那么容易实现的,尤其对于传统桥厂来说,没有相关电子和软件方面的积累是非常现实的困难。
5 电动轮边
5.1 法士特电动轮边
FJXBL400/1100轮边减速机
法士特根据市场需要,应用最新技术设计开发的传动链变短,车辆动态响应更快,传动效率更高的减速机产品,产品集驱动系统、传动系统、制动系统等于一体,使整车结构更为简单,节省了大量的整车空间,便于电池的安全布置。
采用轮边直驱系统,全斜齿、全磨齿设计,重量轻、体积小,噪音低,可靠性高,承载能力强,节能效果明显,使用寿命长。可广泛应用于商务车、公交车及高端中轻型客车。
5.2 AxleTech电驱动轮边
5.3 美驰电动轮边
6 轮毂电机
6.1 轮毂电机概述
轮毂电机技术也被称为车轮内装电机技术,它的最大特点就是将动力装置、传动装置和制动装置都整合一起到轮毂内,得以将电动车辆的机械部分大为简化。
轮毂电机被一部分人认为是新能源汽车驱动系统最佳解决方案。其最大的特点就是将驱动、传动和制动装置都整合到轮毂内,省略了离合器、变速器、传动轴、差速器、分动器等传动部件。它的出现,很有可能颠覆汽车零部件产业格局。
轮毂电机驱动系统根据电机的转子型式主要分成两种结构型式:内转子式和外转子式。其中外转子式采用低速外转子电机,电机的最高转速在1000-1500r/min,无减速装置,车轮的转速与电机相同。
而内转子式则采用高速内转子电机,配备固定传动比的减速器,为获得较高的功率密度,电机的转速可高达10000r/min。随着更为紧凑的行星齿轮减速器的出现,内转子式轮毂电机在功率密度方面比低速外转子式更具竞争力。
内转子轮毂电机转矩小、转速高,需配备减速器方可驱动车轮。
目前轮毂电机有内转子和外转子两种技术方案路线,内转子和外转子的区别:
1.转子和电机主轴一起转、电机机座固定是内转子电机
2.转子随着电机外壳一起旋转、电机主轴固定,这是外转子电机
3.简单说就是前者用外壳做定子,内部和主轴做转子,这是传统的
4.后者是用外壳做转子,内部和主轴做定子
5.内转子一般极数少,转速高,转矩小
6.外转子一般极数多,转速低,转矩大
外转子轮毂电机
外转子轮毂电机可以用在商用车上,也可以用在乘用车上。
外转子电机由于转速低、转矩大,通常都不需要减速机构,而采用直驱方案。但是由于外转子电机的结构特性,决定了其体积较大,导致占用空间大、重量偏大,这是其最大问题。
优点:取消机械减速机构,减少传动链条,也就减少了故障可能,效率更高。
缺点是:在起步、顶风或爬坡等需要承载大扭矩的情况时需要大电流,很容易损坏电池和永磁体,电机效率峰值区域小,负载电流超过一定值后效率下降很快。
外转子轮毂电机虽然节省了半轴和减速机等部分,但是巨大的体量是其无法规避的弱项,尤其在没有减速器的情况下,要获得足够大的扭矩,就必须把转速降下来,就是低速大扭矩,大家都知道,在扭矩恒定下,功率和转速成正比,所以转速上不去的话,功率密度无法提高,就导致体积巨大,重量就轻不了。
外转子轮毂电机尽管体积大、重量大,但是由于结构相对简单、传动链条少、效率高,已经有部分企业进入量产状态。
▲外转子电机和内转子电机内部结构对比图
内转子轮毂电机
内转子轮毂电机转矩小、转速高,需配备减速器方可驱动车轮。内转子轮毂电机和轮边电机在传动结构上已经趋同:都是内转子电机+减速器,所不同的只是一个把电机藏在轮毂里,一个放在轮边。
优点是:由于内转子电机在高转速下运转,故具有较髙的比功率和效率,而且体积小,质量轻,通过减速结构的增矩后,输出转矩大,爬坡性能好,能保证汽车在低速运行时获得较大的平稳转矩。
缺点是:难以实现润滑,会使行星齿轮减速结构的齿轮磨损较快,使用寿命变短,不易散热,噪声比较大。
由于内转子轮毂电机需要集成减速器,对于乘用车前轮来说,狭小的空间内需要布置电机、减速器、制动器、转向系统等等,故内转子轮毂电机较少见于乘用车应用。
内转子+减速器方案理论上功率密度更高、结构更紧凑,但由于技术过于复杂,目前尚未见到量产的产品。
6.2 荷兰e-Traction公司
这家位于荷兰的公司成立于1981年,专注于商用车轮毂电机的研发及应用,至今已超过36年。e-Traction公司目前拥有200余项专利,包括100余项发明专利。
▲外转子电机巨大的外形导致传统钢圈无法使用
e-Traction 可以提供先进的技术和优秀的客户服务。技术开发、生产和销售都与施乐百和德州仪器等伙伴开展了重大的战略合作。
▲外转子需要特制钢圈配大单胎
作为全球最先进水平的轮毂电动直驱传动技术和系统的专利组合受让人,e-Traction 拥有的独特知识产权地位允许通过技术许可的方式将知识产权授予全球内的合作伙伴。
6.3 湖北泰特轮毂电机
湖北泰特机电有限公司也是或内比较早布局轮毂电机的企业。早在2016年9月,作为天海集团子公司的泰特机电便耗资5500万欧元全资收购了e-Traction公司。
外转子轮毂电机虽然节省了半轴和减速机等部分,但是,巨大的体量是其无法规避的弱项,尤其,在没有减速器的情况下,要获得足够大的扭矩,就必须把转速降下来,就是低速大扭矩,大家都知道,在扭矩恒定下,功率和转速成正比,所以转速上不去的话,功率密度无法提高,就导致体积巨大,重量就轻不了。
