技术解读GKN、BOSCH、Schaeffler电动汽车两档减速器

1 电动汽车需要两档减速器吗?

特斯拉的第一个车型Roadster的最初设计是180kW电机+2档变速箱,后来由于变速箱生产质量的问题,被迫采用了固定齿比减速器,但为了达到相同的动力性能,使电机功率增大到240kW才能达到相同的性能。

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为了配合更大的电机,电池也需要从60kWh增大到80kWh以提供更大的输出功率。以特斯拉Model S P85可以轻松赢在起步,但在中后段加速却频输对手。究其原因,问题就出在特斯拉匹配的单级变速箱上:它使特斯拉始终在一挡上行驶,完成从起步到最高时速的行驶。

这相当于开一辆燃油车,用一挡起步后不换挡,直到转速被拉高至红线区,发动机不能回到最佳扭矩输出区间,再加速能力被大幅削弱。

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单级变速箱造成电动机产生的扭矩输出一气呵成,也许不间断的动力输出对起步加速有利,但却不利于车辆的经济性与舒适性。尤其是为追求性能采用高转速电动机的Model S,它配置的高转电动机功耗较大,并且单级变速箱一挡大齿比,造成车辆巡航状态也处于较高的转速临界点,经济性不高。

目前大多采用单挡减速方案的原因也主要是因为电机的特性与内燃机不同,驱动电机一般具有低速恒转矩和高速恒功率的特性,在很低的转速下就能产生很大的扭矩,不像内燃机车需要减速增扭来起步。

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然而采用单挡减速器时,纯电动乘用车的动力性能完全取决于驱动电机,对驱动电机性能的要求较高,即要求驱动电机既能在恒转矩区提供较高的驱动转矩,又能在恒功率区提供较高的转速,以满足车辆加速、爬坡与高速行驶的要求。

当电动汽车的速度到达极限之后没有提升空间,所以的速度受到制约,高速经济性不高。同时,采用单挡减速器不利于高电驱动总成系统的效率,这是因为单一传动比通常无法同时兼顾纯电动乘用车的动力性和经济性,行驶过程中驱动电机多数情况下无法处于高效率工作点,尤其是在最高或最低车速以及低负荷条件下,驱动电机效率一般会降至 60-70%以下,严重浪费了车载电能而减少续驶里程。

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为什么国内绝大多数电动汽车还是匹配单级变速箱呢?并非他们不懂得锦上添花的道理,而是因为:

(1)国外:适配于高速电机的变速箱生产不出来

典型例子是特斯拉,那个变速箱供应商搞不出来,使特斯拉的车晚出来一年,差点把特斯拉搞死。

(2)国内:变速箱供应链弱、整车厂集成控制能力弱,导致不想用复杂的变速箱

这不是说厂商们已经放弃了提升经济性,只是现在还无暇顾及。多挡变速箱优势在哪里?

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所以如果能匹配一个速比范围合理的多挡变速箱,来优化电动机动力爆发的时机,那将会大幅提升经济性,其次是持续加速性能。

2010年,Zeroshift公司开发一款3挡自动变速器

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2011年,德国IAV公司研究开发出两挡行星变速电驱动单元DrivePacEV80(2AT)

Oerlikon/Graziano公司研究开发出可用于乘用车和轻型商用车的两挡自动变速器(2AMT)

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2012年,韩国现代汽车公司与韩国成均馆大学联合设计了一款类似于DCT的多轴式两挡自动变速电驱动总成(2DCT)

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2 吉凯恩GKN两档减速器

目前出现在市面上的电动分轴混合动力车型都是使用单速变速器,然而固定的齿比在加速性能和最高车速方面对电力驱动装置存在一定的限制,因为为了防止电动机转速过快,达到临界速度时电力驱动必须从整个系统中脱离。吉凯恩认为,其双速eAxle传动模块是第一款能够让电力驱动装置在整个速度区间内发挥效用的系列产品。

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该模块为电动机额外增加一个齿轮传动比,可以提高车辆的加速性能,同时增加纯电动模式行驶里程,有助于优化行驶动力学表现和二氧化碳排放量。吉凯恩的双速eAxle传动模块还使得电动机以及与其相连各系统的尺寸得到降低,减轻了重量,从而进一步提高了效能。

作为第一家生产混动车型双速驱动模块的一级供应商,吉凯恩奠定了其在电力驱动技术和混合动力传动系统领域的佼佼者地位。

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双速eAxle传动模块能够帮助汽车制造商提升混合动力和电力驱动传动系统的性能,另外顺应缩减尺寸的趋势,减小了电动机体积,达到了轻量化和节省成本的目的。这项先进技术的特性已经在高性能车上得到证实,可以显著降低二氧化碳的排放量。

目前,宝马混动动力超跑i8的驱动电机匹配了GKN供应的2速自动变速箱,这使得宝马i8在纯电动模式下加速到250km/h的用时明显比特斯拉Model S短。

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在采用插电混动结构的车型中,宝马i8已经率先为驱动前轮的电动机单独装配了一台结构小巧的“双级”变速箱。GKN已经推出量产电动机用两级变速箱,虽然从挡位数看还有点名不副实,不过从宝马i8装配它后的性能表现看已经优于单级变速箱。

全新双速eAxle传动模块技术让汽车制造厂商生产分轴式混合动力车型成为可能,传统或混合动力发动机把生成的机械能传输到车辆前轴或后轴之一,另外一个车轴则可以利用eAxle模块进行驱动。

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为高性能跑车设计双速eAxle传动模块,吉凯恩研发团队面临着苛刻的封装要求,整个装置重量仅27公斤,测量尺寸325毫米*562毫米*313毫米,拥有一个很高的扭力密度。

为了让整套电力传动系统更窄一些,换档机构安装在了输入轴上,而不是变速器中部的中间轴上。即便输入轴的转速高达11,400转/分钟,凭借吉凯恩的软件控制也可以完成平滑换档。

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驾驶者可以轻松操控两个不同档位,平滑的电机激励换档操作使得eAxle成为舒适性和平顺性标杆产品,既不会产生换档顿挫感,低速档也没有明显噪声。该换档机构是一项质量过硬的技术,已经在一系列产品中得到证实,工作稳定且性价比高。

3 博世BOSCH两档减速器

对于目前的电动车来说,电动机的特性决定了其只需配备单级减速器即可完成动力的传递,并且取得了不错的效果。

不过人类的欲望总是无尽的,在对电动机的研究中,德国零部件巨头博世认为可以通过为传动系统增加挡位来进一步增加电动车的经济性和可靠性,于是也许在不久的将来,电动车主们也会以相互“攀比”各自爱车的档位数量为乐。

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自内燃机车发明至今,传统汽车厂家投入精力和金钱最多、技术积累最深的,恐怕就是动力和传动这两大系统,然而目前市场中的电动车却摒弃了这两个部分。

由于电动机拥有宽泛的转速区间,只需要对输入的电流进行调整,便可以完成对其动力输出的控制,从而实现车辆的加速或减速,并可以适应几乎所有的驾驶条件。因此在传动方面,目前绝大部分的电动车只需要配备一台单级减速器便可通过半轴完成从电动机到车轮的动力传递。

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不过,尽管目前的电动车使用单级减速器便可以正常行驶,但单级减速器依然存在着不足。在车辆高速行驶时,电动机需要保持极高的转速,对噪音控制和续航里程方面都不利。

而如果使用多级减速器,增加速比范围、并可以根据不同工况进行速比的改变,就可以在车辆起步时拥有更好的加速水平,并且在高速时降低发动机的转速,从而降低噪音和电能的消耗。博世正是看到了多级减速器的这一优势,已着手开发电动机使用的多挡“变速箱”,并有望在不久的将来推出。

4 舍弗勒schaeffler两档减速器

舍弗勒开发的电桥为混合动力和纯电动汽车提供了一种模块化的解决方案。该系列的入门级产品为单档速比,采用同轴式或平行轴式设计。由于采用了行星齿轮差速器,减速器非常紧凑,无论电机是否内置功率电子设备,都可以为其提供足够的安装空间,包括永磁同步电机(PSM)或异步电机(ASM)。

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德国舍弗勒公司研制出两挡DCT,通过装车对比试验,两挡DCT纯电动车可以比单级减速器纯电动车提高续驶里程10%

在基本配置的基础上,还可以添加其他功能单元,例如集成停车锁。针对插电式混合动力汽车 ,如果车辆要求高动态性能、高达120公里/小时的纯电动行驶速度和更高的车速,还可增加一个减速齿轮。

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此外,利用舍弗勒开发的两档电桥,还可以通过扭矩矢量分配单元来提升车辆的侧向动态性能。该功能通过增加一个变速箱和7kW的电机来实现。

该产品优化了设计成本,可实现高达3000Nm的输出扭矩,以及210km/h的最高车速。用于混合动力解决方案.

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由于采用了两挡设计,该电桥能够在高车速时降低电机的工作转速,可以让驱动电机始终工作在高效区域,系统效率更高,可以使整车获得更长的纯电动续航里程(EV模式)。

与此同时,两挡设计还可以在高车速时降低电机的工作转速。此外,该电桥外形尺寸较小,大大减小了设计空间,同时提高了整车的承载能力。

采用舍弗勒两档减速器的车型:

长安CS75 PHEV

长安CS75 PHEV新车首次应用P134技术平台,搭载前后三电机+1.5T涡轮增压发动机的组合,从而实现全时电四驱。

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其中1.5T涡轮增压发动机,最大功率105kw。P134结构的前双电机+后桥独立集成电机组成的三电机系统中,P1电机(70kw)与发动机曲轴相连,主要负责启动机+发电机的工作,不参与动力输出。

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P3电机位于前轴动力输出端,可输出70kw最大功率,200N·m的最大扭矩,前桥的减速器由GKN提供,是一个多模组的单级减速器。P4电机与舍弗勒提供的两档减速器位于后桥,可以输出80kw最大功率、200N·m的最大扭矩。

长城P8 PHEV

与众多纯电动汽车采用单速减速器的做法不同,WEY为P8的后轴匹配了一部舍弗勒两挡减速器。

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纯电机在常规转速下如果直接输出动力,只能维持110公里/小时左右的时速,在四驱模式下会拖累前桥的汽油发动机。

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匹配两挡减速器后,P8能够在纯电模式下达到130公里/小时的车速,可以很好地配合前轴的汽油动力部分。

5 Drive Shift 3档减速器

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▲3档减速器参数

附件:国外电动汽车两档减速器高清大图

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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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▲驱动电机-扭矩-效率图,可以直观的看出,电机转速接近1500rpm的时候效率才超过90%,2250rpm、100Nm才达到最高效率93%(系统效率)

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▲red-tesla-electric-roadster-b02

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▲GKN Multi-Mode eTransmission

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