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2021-04-02 15:35

  第一种是混合动力,即在传统燃油车上加装电力驱动,成本较高,传统车向新能源汽车过渡的中间产品

  第二种是改装电动车,即在燃油车基础上,将发动机改换成电动机,依然保留传统车的复杂机械传动系统

  第三种是正向研发电动汽车,即按电动汽车的结构要求进行布置和设计,全新正向自主开发,与在传统汽车车身进行改装的电动汽车相比,结构合理性优势明显。

  现在市面上大部分商用车新能源驱动系统的结构是由中央电机通过传动轴连接一个传统的后桥,传动效率差,系统构成复杂。

  按照电机的布置形式,可以将电机驱动桥分成三类:轮边电机驱动桥、中央电机驱动桥以及轮毂电机驱动桥。轮边电机驱动桥常见于客车或商用车,比如比亚迪K9和长江E-Glory(逸阁);中央电机驱动桥普遍用于乘用车,比如特斯拉的经典车型P85D;而轮毂电机由于设计难度较大,尚不能广泛应用于电动汽车。

  轮边电动机驱动通常有轮毂电动机和狭义的轮边电动机两种方式。所谓狭义的轮边电动机方式是指每个驱动车轮由单独的电动机驱动,但是电动机不是集成在车轮内,而是通过传动装置(例如传动轴)连接到车轮。

  轮边电动机方式的驱动电动机属于簧载质量范围,悬架系统隔振性能好。但是,安装在车身上的电动汽车电机对整车总布置的影响很大,尤其是在后轴驱动的情况下。而且,由于车身和车轮之间存在很大的变形运动,对传动轴的万向传动也具有一定的限制。

  通过将传统汽车的动力系统总成高度集成为轮边电机驱动桥,用电动机、减速器机构、轮毂等部件替代发动机、离合器、变速箱、传动轴等传统汽车动力系统,能够为车辆提供足够的动力输出的同时,省略了离合器、变速器等环节,简化传动系统,提高传动效率,且整车零部件比传统燃油车减少30-40%,质量大大减轻。

  此外,这种轮边电机驱动桥还能够实现汽车安全系统及底盘系统的电子化、主动化,整车的安全性和可靠性显著提高。

  轮边减速电驱动系统采用高速内转子电机,同时装备固定传动比的减速器。为了获得较高的功率密度,适合现代高性能电动汽车的运行要求。电机的转速通常高达10000r/min。减速结构通常采用传动比在10∶1左右的行星齿轮减速装置,车轮的转速在在1000r/min左右。常电动机的最高转速设计在4000-20000r/min,其目的是为了能够获得较高的比功率

  通过在轮边电机驱动系统的一级减速器总成上或者半轴套管上设置液压制动器,使液压制动器与设置在轮毅上的制盘相配合,实现对轮毅液压制动,制动反应快,噪音小。通过采用这种液压制动方式,整个驱动桥结构紧凑,占用空间少,一改以往的轮边电机驱动桥诸多弊端,扩大了轮边电机驱动桥的适用范围。

  作为动力的输出者,电机驱动桥需要根据具体车型而设计,以上这种形式的轮边电机桥具有良好的安全性和可靠性,配合电子差速装置,能更好的适应坏路面,所以常见于载重较大的商用车。

  与传统内燃机车桥相比,轮边双电机驱动桥便于实现电子差速与转矩协调控制,可回收制动能量,具有能量利用率高的独特优势。在以电动车为代表的新能源汽车进入加速发展阶段,竞争日益激烈的今天,谁能提高能源利用率,提高电动车的使用寿命和性能,谁就能站在新能源领域的制高点。

  轮边双电机驱动桥优势在于不再经由长半轴部件传动并且舍弃了传统的离合器、传动系统等机械部件,简化了机械传动结构,降低了车载自重。同时提高了对车轮控制的动态响应。

  并且电动机的选型由于减速器的存在可以有最小程度从集成整体式驱动构型的改变,但能够对驱动轮有更加精准的掌控力。是从集中式到轮毂式构型之间的过渡构型。

  轮边减速器构型相对于驱动桥式其减速比固定,容易维修,而且电机和减速器并没有放入轮辋内,刹车系统可以很好地布置。ZF公司在2011年第四季度开始量产其新式低地板轮边电驱动桥车桥。

  1)采用两个电机+两个控制器,为满足各轮运动协调,对两个电动机的同步协调控制要求高,增加了电控系统的设计难度,所以将两个电机控制器融合在一起,做成双电机控制器是非常有必要的;

  2)省略了变速箱后,汽车的加速完全依靠电机转速的提升,由于电机的峰值外特性,当电机转速超过峰值扭矩基速点后,无法继续输出峰值扭矩而降扭输出,电机不能一直在高效区运行,损失了一部分电机效率。

  3)电动机的分散安装布置提出了结构布置、热管理、电磁兼容以及振动控制等多方面的技术难题。

  众所周知,当电机越来越轻量高效,动力电池可以相应少装一些,整备质量也就能进一步实现轻量化。

  在运营过程中,用户和电机技术专家发现,常规单电机直驱逐渐表现出高坡度区域爬坡力不足、中高速性能不足,在重量、成本方面也有不足。该问题被“非对称双电机动力分配系统”解决:即把一个大电机(低速区高效)和一个小电机(中高速区高效)结合起来,使得系统在更加宽广的工况区中有更高的效率,在实现高动力的同时,进一步改善能绍,这一技术比同级别的单电机系统电耗水平降低5-10%,效能明显提升。

  双电机直驱近些年陆续在电动客车上应用,当使用偏置门式桥的时候,电动公交车也可以很好地实现低地板,满足了广大公交用户的需要。

  中央驱动方式对传统的整车设计冲击较小,而且可以调整成多种多样的驱动方式,如单电机直驱、双电机直驱、变速方案、减速方案、混动(含增程式)方案,而后文提到的(轮边或轮毂)驱动方式缺乏这些灵活性,限制了产品的普及和发展。

  无论是从传统零部件搭载,还是生产规模经济效益来看,中央集中驱动电机是未来客车市场的主流,这个时间至少要持续3-5年。也有专家认为,“中央直驱”表述不如“集中驱动”更科学,因为直驱电机也就是集中驱动。本文两种说法均采纳。

  当中央直驱电机(集中直驱)已经广泛被客车用户所接受的时候,部分用户悄悄把眼光看向了更高处:一方面电动客车对整车轻量化的需求越来越强烈,另一方面公交车需要更大面积的低地板,轮边驱动电机应运而生。

  轮边电机可以让传动系统进一步减重瘦身,取消了商用车“后牙包”,实现了前后贯通低的地板,其独立悬架可以使公交车实现宽通道——部分公交公司的目光立即被吸引住了。

  轮边电机的技术要求比其他驱动电机更高一些。轮边电机居于簧下,需要更好的抗振性和密封性,还要以较小的体积、较低的重量获得足够的扭矩、低噪音、低发热,设计难度加大,实用验证时间不如中央直驱电机,市场还需要给轮边电机更多的时间来验证。

  但随着轮边电机的规模化产业化,我们相信,轮边电机的成本会逐渐降低,这对中国电动客车的技术进步和轻量化意义重大。

  3)电机与车轮集成导致非簧载质量较大,恶化悬架隔振性能,影响不平路面行驶条件下的车辆操控性和安全性。同时,轮毂电机将承受很大的路面冲击载荷,电机抗振要求苛刻

  4)车辆大负荷低速爬长坡工况下容易出现冷却不足导致的轮毂电机过热烧毁问题,电机的散热和强制冷却问题需要重视

  6)轮毂电机运行转矩的波动可能会引起汽车轮胎、悬架以及转向系统的振动和噪声

  而且从整车控制角度考虑,也是由很多问题需要解决的,比如电子差速控制,牵引力控制,汽车的横摆角速度控制等等,这里就不展开说了。

  用在大巴上的要比用在私家车上更能体现轮毂电机的优势,毕竟大巴对乘坐空间、行驶舒适性方面的要求很低,各方面的空间尺寸(比如说轮子的大小)都没有私家车这么狭促。还有就是底盘高度可以下降很多。

  纯电动客车中央式驱动系统也可称为集中式驱动,该种驱动形式基于传统动力汽车的传动系统而来,由主电机通过传动轴连接驱动桥,简而言之,是将传统的内燃机动力系统替换成以电机为核心的驱动系统。

  集中式驱动又分单电机与双电机两种方案,单电机有直驱、电机+变/减速器与中央驱动桥三种形式。双电机方案则有双电机并联+变/减速器、双电机串联+变/减速器方案以及两个电机+变/减速器(两个电机分立在变速器两端)等形式,这些方式分别能满足各种规格的客车产品,属于技术比较成熟的驱动类型。

  这其中直驱电机是目前纯电动客车上应用最为广泛的一种方案,该系统由一台电机通过传动轴与驱动桥连接,结构简单、可靠性高且便于维护,由于直驱电机技术成熟度较高,更容易被广大客户所接受,这也是客车企业普遍采用直驱电机方案的原因所在。

  此外,中央驱动桥可以看作是集中式驱动发展至今的升级版。据了解,中央驱动桥是将电机横置集中在驱动桥上,由于取消了主减速器,有助于降低能耗,同时集成化的设计也减轻了整体重量,目前在8米以下的车型上具备一定的优势。

  不过,集中式驱动技术虽然成熟度较高,但从细分驱动方案来看,也存在着缺陷。例如,直驱电机就存在爬坡性能不足、中高速性能欠缺、重量较大、成本较高等问题。

  即便如此,汽车企业为了产品能够早日投放市场,一开始基本会选择集中式驱动技术方案,在新能源客车市场化初期,政策红利是主要驱动力,车企肯定会寻求一种改动较为简易的驱动方案来快速抢占市场,而集中式驱动技术就是那时的最佳方案。

  随着纯电动汽车技术研究逐渐深入,其驱动系统的布置结构也逐渐由单一动力源的集中式驱动向多动力源的分散式驱动发展,与集中式驱动相比,分散式驱动省去了变速器、传动轴、机械差速器、半轴等部件,把电机移动到车轮侧,使其传动结构变得更为简单。

  目前分散式驱动中较为常见的是轮边驱动,该驱动形式是将驱动电机布局在车轮旁边,通过减速机构直接驱动车轮行驶。采用轮边驱动可以使车辆驱动系统及整车结构更加简洁、紧凑,容易实现低地板及站立面积和载客数的增加。同时,还能使整车重心降低,提高车辆行驶稳定性。

  另外,轮边驱动系统由于动力传动链短,而且能通过能源管理和动力系统控制策略优化驱动及制动力分配,降低能源消耗,提升车辆燃油经济性。与内燃机、集中电机驱动车辆相比,轮边驱动技术还能大大改善车辆的行驶动力学性能,能够通过电机控制技术,较为容易的实现ABS、TCS及ESP功能;除此之外,该系统可提高车辆转向行驶性能,并有效减小转向半径,甚至零转向半径,大大增加了转向灵便性。

  与轮边驱动技术相比,被誉为纯电动客车终极解决方案的轮毂驱动技术则将“分布式驱动”的精髓发挥到了极致。

  轮毂电机系统最大的特点就是将动力装置、传动装置和制动装置全部整合到轮毂内,得以将电动车的传统系统大为简化。装配轮毂电机的底盘比传统底盘少了很多零部件,在成本上会有较大优势。另外,其传动效率比集中式驱动和轮边驱动都要高。

  初步测算,轮毂电机系统要比集中式驱动的效率高出13%~16%。而轮边驱动系统虽然原理上也是将电机布置在车桥上,但电机系统在通过减速机构后,会有10%左右的效率损失。而轮毂电机则是直接驱动车轮,避免了效率损失这一问题。

  虽然优势显而易见,但分布式驱动技术存在的技术难题同样不容忽视,轮边电机簧下质量变大会影响整车的平顺性和操控性;另外,目前仍没有一个理想的方案来解决轮边驱动的差速问题,尤其在高速转弯与路面颠簸情况下的差速控制。而轮毂电机的可靠性及非簧载质量加大的问题则更为明显,同时,由于所有部件均集中在轮毂内,散热及电子控制问题也亟待解决。

  分布式驱动方案高昂的成本也是影响其市场化的另一重要原因,分布式驱动至少需要两个电机,成本大概是直驱系统的三倍以上,分布式驱动在降低电耗上所创造的收益与系统的成本并不对等,造价和成本问题是困扰分布式驱动布局批量应用的难题之一。

  业内普遍认为,新能源汽车动力系统分为三个技术发展阶段,第一阶段是集中式驱动技术,第二阶段是轮边电机技术,第三阶段是被称为终极解决方案的轮毂电机技术。

  从目前市场格局来看,集中式驱动技术占据纯电动客车市场主导地位是不争的事实。那么,分散式驱动技术作为更为先进的驱动方案,未来能否后来居上?

  无论从生产规模,还是从经济效益来看,集中式驱动技术在未来相当长的时间内会是纯电动客车市场的主流,这个时间至少要持续3~5年。集中式驱动技术在纯电动客车市场主导地位近期无法撼动,而2020年之后,补贴的退坡又使分布式驱动技术市场化难度再次加大。

  未来,分散式轮毂驱动技术将在纯电动客车和纯电动专用车市场上占据一席之地。除此之外,轮毂电机技术与自动驾驶结合所带来的市场机会也会更大。

  福田欧辉在2015年已批量生产了18米轮边驱动纯电动产品,海格客车也有12米轮边驱动客车出口海外。相信未来分散式驱动技术将会是行业主流,而成本也会随着产量的增加而降低。

  不可否认,轮边驱动、轮毂驱动是新能源客车电驱动系统的发展方向,系统集成化、控制数字化的发展趋势也会助力分布式驱动技术的快速普及,不过就目前而言,分布式驱动技术还需尽快完成技术积累,待到迎来市场机遇,就能实现厚积薄发。

  轮边电机是电机装在车轮边上以单独驱动该车轮,两侧分别一个电机+减速箱,取消了主减速器和差速器,综合电耗比较好。通过控制两个电机来实现驱动和差速,但是差速控制一直都是个难题,目前还没有一个理想的方案完全解决轮边驱动的差速问题,尤其在高速转弯与路面颠簸上的差速控制难题未解决。而且非簧载质量较高,影响舒适性,目前有少数车型采用此方案。

  轮边驱动,在应用于汽车之前,其实更多的是应用在地铁和高铁上中国称雄世界的先进技术,时速380公里的高铁,使用的就是轮边电机。中国客车网关注到,在2016年下半年,比亚迪推出的云轨商用车上,应用了自主研发的轮边电机技术。

  ZF采埃孚是国际上第一家电驱动车桥的轮边电机,最早在沃尔沃客车上应用。其后,国内陆续有比亚迪、长江客车(长江公司),中植客车带独立悬架轮边电机的客车进入公告目录,宇通也在研发生产轮边电机,应该很快进入公告。

  有一些汽车公司已经推出了双轮边电机驱动的电动客车(注意,是客车),比如比亚迪K9,已经在西安的大街小巷跑了。但仅仅是客车的推广。四轮驱动或者是小型汽车,都没有投放市场。为什么?说简单了两个字,成本。电动客车的研发大多数都有国家财政支持,举例说某家车企一个项目拿了国家六千万,但是小型汽车都没有这种福分。

  根据技术级别由低向高来看,比亚迪的e6、北汽150EV都属于前轮驱动的电动汽车。电动机在车辆前部横直置,连接到减速机并通过传动轴将动力传递给车轮,驱动车辆前进。这样结构与采用传统汽油机的小型汽车相似。这样设计可结合电动汽车零排放的优势,兼备传统汽车驱动系统的成熟技术,将研发风险降低,快速形成量产和利润。但是因较为落后的传统技术影响了先进的电驱动技术的最大效能的发挥。

  技术级别更高一些的则是采用轮边减速系统与轮毂电机整合在一起的动力解决方案。如目前正在量产的K9系列电动大巴。采用轮边电机集成减速的驱动系统的后轮驱动设定。这样的好处则是将电动机与减速器融入到驱动桥上,采用刚性连接、减少高压电器数量和动力传输线路长度。优化后的驱动系统可降低车身高度、提高承载量、提升有效空间,增加公交运营性价比。但是不足的是轮边减速系统的可靠性,电动机小型化需要大量的研发投入,技术提升成本更高。从目前得到的信息来看,采用这一电驱动技术的K9大巴出口欧洲数个国家并在美国建厂。

  电动化在大巴、城市公交车领域,国内目前发展的比欧洲还要好,AVE130车桥作为采埃孚最新研发的创新产品,主要应用于纯电动和串联混合动力公交车;该产品基于电动独立轮驱动,车桥两侧轮端分别内置一个水冷式三相异步感应电机,与标准低地板车桥拥有几乎相同的安装尺寸。采埃孚AVE130车桥引入国内需要解决本地化问题。

  AVE130门式电驱动车桥系统广泛适用于各种车型,牵引力强劲。AVE 130电驱动桥由两个感应电机构成,以每侧电机125Kw的功率输出——合计输出250千瓦,相当于335 bhp(340 PS)。功率与传统发动机相当。加速没有任何动力中断,所以乘客们不会有顿挫感。与传统发动机相比,使车辆的乘坐体验更舒适,底盘振动更低,驾乘更安静。

  3、水冷高转速电机与大减速比减速机构的设计,使得电机尺寸更小,系统高效区更宽

  4、在整车设计应用时,不需要传动轴等机械硬连接,经测算重量一般能轻250-500kg.

  长江汽车以及天津天海同步科技公司对于轮边电机驱动桥技术的研发投入,长江公司在该领域成为全球最强最大的研发与生产基地,迄今已经形成5吨、8-10吨、ag追杀模式一般多久13吨等规格的轮边电机驱动桥。

  在商用车领域,长江汽车全新自主研发了轮边电机驱动桥,取代了传统车的发动机、变速器、离合器、传动轴和后桥,实现了高度集成,提高了可靠性和传动效率。同时采用低速高扭驱动电机,自带配置IMU,实现ESC主动控制策略+协调再生制动策略,由电机直接驱动减速器。全新行星太阳轮设计,能够满足峰值扭矩内的任意扭矩回收或辅助制动,多处部件采用铝合金材料,实现轻量化设计。

  与传统燃油车相比,长江电动车的轮边电机驱动桥省略了离合器、变速器等环节,简化传动系统,提高传动效率,且整车零部件比传统燃油车减少30-40%,质量大大减轻。

  以长江汽车的轮边双电机桥为例,图中除去所示的空气弹簧及悬架系统,剩下的就是电机驱动桥了:驱动电机和减速器构成动力总成;制动卡钳和制动盘构成制动系统;起承载作用的则是驱动桥体。

  此外,长江的轮边电机驱动桥还能够实现汽车安全系统及底盘系统的电子化、主动化,整车的安全性和可靠性显著提高,真正实现了所有新能源汽车追求的“轻”、“快”、“好”。便于实现电子差速与转矩协调控制,可回收制动能量,具有能量利用率高的独特优势。在以电动车为代表的新能源汽车进入加速发展阶段,竞争日益激烈的今天,谁能提高能源利用率,提高电动车的使用寿命和性能,谁就能站在新能源领域的制高点。

  长江电动车在轮边电机驱动桥方面拥有多年的研究经验和丰富的技术储备,拥有包括1X(一种齿轮支撑结构、轮边电机驱动系统及轮边电机驱动桥)、26(减速器总成的端盖结构、轮边电机驱动系统及驱动桥)等7项专利。

  长江电动车通过在轮边电机驱动系统的一级减速器总成上或者半轴套管上设置液压制动器,使液压制动器与设置在轮毅上的制盘相配合,实现对轮毅液压制动,制动反应快,噪音小。通过采用这种液压制动方式,整个驱动桥结构紧凑,占用空间少,一改以往的轮边电机驱动桥诸多弊端,扩大了轮边电机驱动桥的适用范围。

  现长江电动商用车均采用轮边电机驱动桥,含5吨、8吨、10吨、13吨四种吨级,用于高端中巴车的5吨级轮边电机驱动桥集成了ESC等功能,在商用车领域全球首创,不仅具有世界领先技术水平,其结构特点也为电动车的整车布置提供了极大的便利,大大改善了电动车安全等性能,直接秒杀比亚迪和特斯拉。

  2014年起,比亚迪装载轮边电机的客车在国内问世,其后在南京、杭州、深圳等地推广,受到了广大公交公司的欢迎。藉此,比亚迪客车品牌在业内迅速渗透。目前搭载轮边电机的K9已经有数千辆公交车在运行。

  资料显示,比亚迪云轨的轮边电机技术,在体积、重量、扭矩、精度、噪音以及全寿命周期养护费用层面进行有效的平衡,其技术全部自主研发、自行生产的轮边驱动电机,采用永磁同步技术,电动机直接驱动行走机构。

  2014年比亚迪搭载轮边电机的公交车在国内问世以后,已在南京、杭州、深圳等地推广数千辆,产品在深圳的运营里程已经突破了40万公里。

  K9的轮边电机与减速器的横截面特写:可看到减速器齿轮以及轮毂内部的轴承。

  第一台量产版轮边电机参数:最大功率90千瓦(122马力)、最大转速7500rpm、工作电压640V。

  在研发上,匹配轮边电机的减速器通过三至四组齿轮(包括重要的行星齿轮)顺势将驱动力减速到正常范围(电动机转速在正常状态下可达到7000-12000rpm,通过减速器将及电动机的高转速减速到500-5000rpm不等)。这就要求减速齿轮的质量、减速器与轮边电机的加工精度以及设计可靠性都要达到一定高度。

  K9大巴在海外成功运营,意味着轮边电机带减速器技术的驱动桥已经十分成熟。如果在现有技术基础上,将K9的驱动桥增加转向系统,对全车电传控制系统、车身结构稍加调整,就意味着一套电动四驱系统初具雏形。

  K9系列电动大巴采用的是比亚迪自行研发生产的轮边驱动电机,最大功率90kW。双轮驱动的结构省去了传统大巴的驱动桥(包含差速器)和传动轴,腾出了大量空间用来降低地板高度。对于之前毫无制造大巴经验的比亚迪,解决2台轮边电机协作运行存在着不小困难。

  上图是K9系列后驱动桥总成特写,2台轮边电机由副车架(连接)、拖曳臂、上下推力杆以及黄石提供的空气悬架和萨克斯提供的减震器构成。每台轮边电机组成的驱动单元由减速器、盘式制动组件以及电机控制单元组成。除空气悬架和减震套筒其余部件都是比亚迪独立研发和制造。

  经过2年的磨合与改进(控制程序),匹配到K9系列电动大巴上的运转情况良好。当然,在国内绝大多数电动大巴仍然采用落后的轴间电机推进(由传统车桥去掉差速器换装轴间电机,继续使用驱动桥和传动轴)技术的车厂。

  这套轮边电机宗成采用的是风冷自散热体系,全铝合金材质有利于快速散热。相对以往电动车采用液冷散热结构,更加简单可靠。但为了保证整套系统工作稳定性,还是对最高转速进行了限定。

  动力总成机构长这样,那些斜齿就是轮边减速器,右侧还有一组行星齿轮用以将动力输入和制动分隔开。

  电动大巴轮边减速电机驱动桥总成,完全替代了“传统”的电动机和减速器驱动解决方案。