技術解讀GKN、BOSCH、Schaeffler電動汽車兩檔減速器

1 電動汽車需要兩檔減速器嗎?

特斯拉的第一個車型Roadster的最初設計是180kW電機+2檔變速箱,後來由於變速箱生產質量的問題,被迫採用了固定齒比減速器,但為了達到相同的動力性能,使電機功率增大到240kW才能達到相同的性能。

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為了配合更大的電機,電池也需要從60kWh增大到80kWh以提供更大的輸出功率。以特斯拉Model S P85可以輕鬆贏在起步,但在中後段加速卻頻輸對手。究其原因,問題就出在特斯拉匹配的單級變速箱上:它使特斯拉始終在一擋上行駛,完成從起步到最高時速的行駛。

這相當於開一輛燃油車,用一擋起步後不換擋,直到轉速被拉高至紅線區,發動機不能回到最佳扭矩輸出區間,再加速能力被大幅削弱。

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單級變速箱造成電動機產生的扭矩輸出一氣呵成,也許不間斷的動力輸出對起步加速有利,但卻不利於車輛的經濟性與舒適性。尤其是為追求性能採用高轉速電動機的Model S,它配置的高轉電動機功耗較大,並且單級變速箱一擋大齒比,造成車輛巡航狀態也處於較高的轉速臨界點,經濟性不高。

目前大多采用單擋減速方案的原因也主要是因為電機的特性與內燃機不同,驅動電機一般具有低速恆轉矩和高速恆功率的特性,在很低的轉速下就能產生很大的扭矩,不像內燃機車需要減速增扭來起步。

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然而採用單擋減速器時,純電動乘用車的動力性能完全取決於驅動電機,對驅動電機性能的要求較高,即要求驅動電機既能在恆轉矩區提供較高的驅動轉矩,又能在恆功率區提供較高的轉速,以滿足車輛加速、爬坡與高速行駛的要求。

當電動汽車的速度到達極限之後沒有提升空間,所以的速度受到制約,高速經濟性不高。同時,採用單擋減速器不利於高電驅動總成系統的效率,這是因為單一傳動比通常無法同時兼顧純電動乘用車的動力性和經濟性,行駛過程中驅動電機多數情況下無法處於高效率工作點,尤其是在最高或最低車速以及低負荷條件下,驅動電機效率一般會降至 60-70%以下,嚴重浪費了車載電能而減少續駛里程。

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為什麼國內絕大多數電動汽車還是匹配單級變速箱呢?並非他們不懂得錦上添花的道理,而是因為:

(1)國外:適配於高速電機的變速箱生產不出來

典型例子是特斯拉,那個變速箱供應商搞不出來,使特斯拉的車晚出來一年,差點把特斯拉搞死。

(2)國內:變速箱供應鏈弱、整車廠集成控制能力弱,導致不想用複雜的變速箱

這不是說廠商們已經放棄了提升經濟性,只是現在還無暇顧及。多擋變速箱優勢在哪裡?

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所以如果能匹配一個速比範圍合理的多擋變速箱,來優化電動機動力爆發的時機,那將會大幅提升經濟性,其次是持續加速性能。

2010年,Zeroshift公司開發一款3擋自動變速器

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2011年,德國IAV公司研究開發出兩擋行星變速電驅動單元DrivePacEV80(2AT)

Oerlikon/Graziano公司研究開發出可用於乘用車和輕型商用車的兩擋自動變速器(2AMT)

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2012年,韓國現代汽車公司與韓國成均館大學聯合設計了一款類似於DCT的多軸式兩擋自動變速電驅動總成(2DCT)

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2 吉凱恩GKN兩檔減速器

目前出現在市面上的電動分軸混合動力車型都是使用單速變速器,然而固定的齒比在加速性能和最高車速方面對電力驅動裝置存在一定的限制,因為為了防止電動機轉速過快,達到臨界速度時電力驅動必須從整個系統中脫離。吉凱恩認為,其雙速eAxle傳動模塊是第一款能夠讓電力驅動裝置在整個速度區間內發揮效用的系列產品。

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該模塊為電動機額外增加一個齒輪傳動比,可以提高車輛的加速性能,同時增加純電動模式行駛里程,有助於優化行駛動力學表現和二氧化碳排放量。吉凱恩的雙速eAxle傳動模塊還使得電動機以及與其相連各系統的尺寸得到降低,減輕了重量,從而進一步提高了效能。

作為第一家生產混動車型雙速驅動模塊的一級供應商,吉凱恩奠定了其在電力驅動技術和混合動力傳動系統領域的佼佼者地位。

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雙速eAxle傳動模塊能夠幫助汽車製造商提升混合動力和電力驅動傳動系統的性能,另外順應縮減尺寸的趨勢,減小了電動機體積,達到了輕量化和節省成本的目的。這項先進技術的特性已經在高性能車上得到證實,可以顯著降低二氧化碳的排放量。

目前,寶馬混動動力超跑i8的驅動電機匹配了GKN供應的2速自動變速箱,這使得寶馬i8在純電動模式下加速到250km/h的用時明顯比特斯拉Model S短。

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在採用插電混動結構的車型中,寶馬i8已經率先為驅動前輪的電動機單獨裝配了一臺結構小巧的“雙級”變速箱。GKN已經推出量產電動機用兩級變速箱,雖然從擋位數看還有點名不副實,不過從寶馬i8裝配它後的性能表現看已經優於單級變速箱。

全新雙速eAxle傳動模塊技術讓汽車製造廠商生產分軸式混合動力車型成為可能,傳統或混合動力發動機把生成的機械能傳輸到車輛前軸或後軸之一,另外一個車軸則可以利用eAxle模塊進行驅動。

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為高性能跑車設計雙速eAxle傳動模塊,吉凱恩研發團隊面臨著苛刻的封裝要求,整個裝置重量僅27公斤,測量尺寸325毫米*562毫米*313毫米,擁有一個很高的扭力密度。

為了讓整套電力傳動系統更窄一些,換檔機構安裝在了輸入軸上,而不是變速器中部的中間軸上。即便輸入軸的轉速高達11,400轉/分鐘,憑藉吉凱恩的軟件控制也可以完成平滑換檔。

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駕駛者可以輕鬆操控兩個不同檔位,平滑的電機激勵換檔操作使得eAxle成為舒適性和平順性標杆產品,既不會產生換檔頓挫感,低速檔也沒有明顯噪聲。該換檔機構是一項質量過硬的技術,已經在一系列產品中得到證實,工作穩定且性價比高。

3 博世BOSCH兩檔減速器

對於目前的電動車來說,電動機的特性決定了其只需配備單級減速器即可完成動力的傳遞,並且取得了不錯的效果。

不過人類的慾望總是無盡的,在對電動機的研究中,德國零部件巨頭博世認為可以通過為傳動系統增加擋位來進一步增加電動車的經濟性和可靠性,於是也許在不久的將來,電動車主們也會以相互“攀比”各自愛車的檔位數量為樂。

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自內燃機車發明至今,傳統汽車廠家投入精力和金錢最多、技術積累最深的,恐怕就是動力和傳動這兩大系統,然而目前市場中的電動車卻摒棄了這兩個部分。

由於電動機擁有寬泛的轉速區間,只需要對輸入的電流進行調整,便可以完成對其動力輸出的控制,從而實現車輛的加速或減速,並可以適應幾乎所有的駕駛條件。因此在傳動方面,目前絕大部分的電動車只需要配備一臺單級減速器便可通過半軸完成從電動機到車輪的動力傳遞。

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不過,儘管目前的電動車使用單級減速器便可以正常行駛,但單級減速器依然存在著不足。在車輛高速行駛時,電動機需要保持極高的轉速,對噪音控制和續航里程方面都不利。

而如果使用多級減速器,增加速比範圍、並可以根據不同工況進行速比的改變,就可以在車輛起步時擁有更好的加速水平,並且在高速時降低發動機的轉速,從而降低噪音和電能的消耗。博世正是看到了多級減速器的這一優勢,已著手開發電動機使用的多擋“變速箱”,並有望在不久的將來推出。

4 舍弗勒schaeffler兩檔減速器

舍弗勒開發的電橋為混合動力和純電動汽車提供了一種模塊化的解決方案。該系列的入門級產品為單檔速比,採用同軸式或平行軸式設計。由於採用了行星齒輪差速器,減速器非常緊湊,無論電機是否內置功率電子設備,都可以為其提供足夠的安裝空間,包括永磁同步電機(PSM)或異步電機(ASM)。

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德國舍弗勒公司研製出兩擋DCT,通過裝車對比試驗,兩擋DCT純電動車可以比單級減速器純電動車提高續駛里程10%

在基本配置的基礎上,還可以添加其他功能單元,例如集成停車鎖。針對插電式混合動力汽車 ,如果車輛要求高動態性能、高達120公里/小時的純電動行駛速度和更高的車速,還可增加一個減速齒輪。

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此外,利用舍弗勒開發的兩檔電橋,還可以通過扭矩矢量分配單元來提升車輛的側向動態性能。該功能通過增加一個變速箱和7kW的電機來實現。

該產品優化了設計成本,可實現高達3000Nm的輸出扭矩,以及210km/h的最高車速。用於混合動力解決方案.

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由於採用了兩擋設計,該電橋能夠在高車速時降低電機的工作轉速,可以讓驅動電機始終工作在高效區域,系統效率更高,可以使整車獲得更長的純電動續航里程(EV模式)。

與此同時,兩擋設計還可以在高車速時降低電機的工作轉速。此外,該電橋外形尺寸較小,大大減小了設計空間,同時提高了整車的承載能力。

採用舍弗勒兩檔減速器的車型:

長安CS75 PHEV

長安CS75 PHEV新車首次應用P134技術平臺,搭載前後三電機+1.5T渦輪增壓發動機的組合,從而實現全時電四驅。

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其中1.5T渦輪增壓發動機,最大功率105kw。P134結構的前雙電機+後橋獨立集成電機組成的三電機系統中,P1電機(70kw)與發動機曲軸相連,主要負責啟動機+發電機的工作,不參與動力輸出。

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P3電機位於前軸動力輸出端,可輸出70kw最大功率,200N·m的最大扭矩,前橋的減速器由GKN提供,是一個多模組的單級減速器。P4電機與舍弗勒提供的兩檔減速器位於後橋,可以輸出80kw最大功率、200N·m的最大扭矩。

長城P8 PHEV

與眾多純電動汽車採用單速減速器的做法不同,WEY為P8的後軸匹配了一部舍弗勒兩擋減速器。

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純電機在常規轉速下如果直接輸出動力,只能維持110公里/小時左右的時速,在四驅模式下會拖累前橋的汽油發動機。

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匹配兩擋減速器後,P8能夠在純電模式下達到130公里/小時的車速,可以很好地配合前軸的汽油動力部分。

5 Drive Shift 3檔減速器

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▲IMSEP_main_image_with_logos

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▲3檔減速器參數

附件:國外電動汽車兩檔減速器高清大圖

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▲antonov-develops-2-speed-alternator-for-military-vehicles-21092_1

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▲2-speed-transmission-for-m3-rated-at-750-hp2-speed-transmission-for-m3-rated-at-750-hp

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▲Eaton two speed electric vehicle transmission

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▲Getrag 2 speed transmission for EV

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▲Clutchless four-speed EV transmission debuts

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▲Two speed PHEV-Transmission

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▲antonov-3-speed-ev-transmission-2

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▲Eaton develops 2-speed transmission for electric vehicle

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▲Patent two speed transmission

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▲GKN two speed eaxle powers BMW i8

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▲Kreisel_2_Gang_Getriebe_Foto-800x536

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▲Boosted-Range-Extender_2

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▲驅動電機-扭矩-效率圖,可以直觀的看出,電機轉速接近1500rpm的時候效率才超過90%,2250rpm、100Nm才達到最高效率93%(系統效率)

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▲red-tesla-electric-roadster-b02

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▲GKN Multi-Mode eTransmission

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