節(jié)能與新能源汽車傳動技術的發(fā)展

林少宏

（廣州市機電高級技工學校 510370)

隨著《中國制造2025》和“互聯(lián)網(wǎng)+”等國家戰(zhàn)略的深入推進，新能源汽車產(chǎn)業(yè)在“十三五”期間將出現(xiàn)新的發(fā)展高峰。國家層面，新能源汽車是中國由汽車大國向汽車強國邁進的必由之路；企業(yè)層面，新能源汽車已經(jīng)成為企業(yè)占領制高點的必要條件[1]。但在國內新能源汽車產(chǎn)業(yè)取得喜人成績的背后，依然存在諸多的挑戰(zhàn)和困難。目前，國內新能源汽車傳動系統(tǒng)在技術先進性、可靠性和安全性等方面仍亟待提高。

1 背景簡述

2017年，國內車市的增速遭遇近年來的首次大幅度“跳水”，但新能源車在各類利好政策的扶持下則春風依舊，依然保持高速增長的發(fā)展態(tài)勢。據(jù)中國汽車工業(yè)協(xié)會發(fā)布數(shù)據(jù)顯示，2017年下半年新能源汽車生產(chǎn)75.1萬輛，銷售50.68萬輛，同比分別增長2.6倍和2.7倍。其中2017年8月新能源汽車生產(chǎn)91 303輛，銷售118 054輛，同比分別增長2.9倍和3.5倍。

在上海第4屆國際CTI論壇上，顧問委員會主席、德國布倫瑞克工業(yè)大學汽車工程技術研究院院長Ferit Kü?ükay教授在其演講一開始就提到，“作為汽車制造的核心部件，傳動系統(tǒng)及變速器研發(fā)領域在此大環(huán)境下，面臨的不僅是一個巨大的挑戰(zhàn)，同時也是一個巨大的機遇，汽車傳動系統(tǒng)的效率及燃油消耗將在中國汽車市場扮演越來越重要的角色”[2]。針對新能源汽車發(fā)展對傳動系統(tǒng)帶來的影響和挑戰(zhàn)，技術發(fā)展未來趨勢、人才培養(yǎng)等問題仍需進行必要的探究。

2 目前影響傳動技術變革的因素

新能源汽車用電動機來驅動行駛，選擇合適的電動機是提高各類電動汽車性價比的重要因素。因此研發(fā)或完善能同時滿足車輛行駛過程中的各項性能要求，并具有堅固耐用、造價低和效能高等特點的電動機驅動方式顯得極其重要。

影響新能源汽車傳動技術的因素主要來自于3個方面，即政策、經(jīng)濟和科技。各國節(jié)能減排標準日漸嚴苛，石油價格高漲，為滿足車企要求及車主用車成本，傳動系統(tǒng)勢必要做出調整，無論

對于傳統(tǒng)的內燃機還是新能源車輛。此外近年來，可替代材料的出現(xiàn)、自動駕駛以及車聯(lián)網(wǎng)等技術的不斷滲透，都在影響著傳動系統(tǒng)的變革。

3 不同驅動力車型其傳動技術未來的發(fā)展狀況

新能源傳動技術的快速發(fā)展，讓傳統(tǒng)內燃機感受到了壓力，因此，進行不斷改進來提升內燃機技術，再加上成本較低，優(yōu)勢還是比較明顯[3]。在考慮電氣化之前，要充分挖掘傳統(tǒng)傳動系統(tǒng)的潛力。然而，如果希望能進一步降低油耗，混合動力和電動傳動則是很好的補充。

目前，如果不配備混合動力的話，傳統(tǒng)自然吸氣發(fā)動機以4～5速的傳動系統(tǒng)是無法達到節(jié)能減排相關標準的。以C級及更小級別的車型為例，只有通過采用小排量直噴渦輪增壓發(fā)動機并配備7～9速的自動變速器才能滿足法律法規(guī)需求。而對于運動型多功能車等大型車輛來說，則必須采用混合動力系統(tǒng)才能滿足油耗及排放的要求。電氣化將是未來發(fā)展的一個大趨勢，因此市場充斥多種解決方案是有必要的。

4 新能源汽車傳動技術未來的發(fā)展趨勢

無論是HEV還是PHEV對所配置的傳動系統(tǒng)都提出了較高的要求。在實現(xiàn)技術提升方面有一個有效的方案是在變速器內集成1～2個電機，從而實現(xiàn)我們所謂的“主動變速器”，這類變速器有著以下的一些特征。

(1)變速器內包含有電機、功率電子裝置、執(zhí)行器、傳感器、控制器。可以在變速器內將電能轉換為機械能從而實現(xiàn)汽車驅動。

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

(3)為實現(xiàn)“主動變速”，變速器可以與汽車內所有控制單元進行通信交流，特別是與驅動系統(tǒng)、底盤系統(tǒng)、駕駛輔助系統(tǒng)以及車載資訊娛樂系統(tǒng)通信。

(4)變速器內配有先進的控制策略，以實現(xiàn)各項性能的最優(yōu)化。包括駕駛性能、舒適性、動力性、燃油經(jīng)濟性、最大行程及駕駛的安全性。為實現(xiàn)以上目標，“主動變速器”中的執(zhí)行裝置除了換擋任務外，還可以根據(jù)駕駛情況將發(fā)動機或電機與傳動系統(tǒng)分開，在適當?shù)臅r候再將其閉合。

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

新能源汽車區(qū)別于傳統(tǒng)車最核心的技術是“三電”（電驅動，動力電池，電控）。目前，新能源汽車所使用的控制系統(tǒng)大多是在傳統(tǒng)汽車控制器基礎上，再進行一些適應性的更改，形成適應于新能源汽車工作的控制軟件。國內在電機、電控領域的自主化程度仍遠落后于動力電池，部分電機電控核心組件如IGBT 芯片等仍不具備完全自主生產(chǎn)能力，具備系統(tǒng)完整知識產(chǎn)權的整車企業(yè)和零部件企業(yè)仍是少數(shù)。隨著國內電機電控系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)鏈的逐步完善，電機電控系統(tǒng)的國產(chǎn)化率逐步提高，電機電控市場具有的增速有望超過新能源汽車整車市場的增速。

此外，隨著整車車體結構輕量化的推進，電池、動力電機、電控系統(tǒng)在新能源汽車整車中的成本占比也逐漸上升。根據(jù)Argonne國家實驗室統(tǒng)計數(shù)據(jù)，新能源汽車動力總成(電機、電控、變速器)的成本分別占整車成本的15.67%(轎車)和13.69%(小型貨車)，總成占比僅次于電池和BMS系統(tǒng)。在新能源汽車補貼逐步上升的政策驅動下，動力總成成本下降的壓力將逐步向上傳導至電機、電控產(chǎn)品上。因此，電機電控市場在很大程度上仍將影響新能源汽車市場的走向。

5 電動汽車傳動技術

為了實現(xiàn)節(jié)能減排，降低對石化能源的依賴程度，從“十三五”計劃開始，中國政府出臺了一系列鼓勵政策推動新能源汽車發(fā)展，特別是電動汽車的發(fā)展，經(jīng)過多個五年計劃和規(guī)劃的努力，到“十三五”規(guī)劃時期的2018年，中國內地的電動汽車銷量突破120萬輛，占比降超過世界電動車銷量的一半。

伴隨著電動汽車近幾年的高速增長，電動汽車傳動技術也日益引起重視。電動汽車傳動系統(tǒng)分為2大類，一類是集中式電驅動技術電機與變速器或減速器直接通過傳動軸連接，實現(xiàn)動力傳動。另一類是分布式電驅動技術，又可以細分為輪邊驅動和輪轂驅動。

乘用車普遍采用集中式電驅動技術，采用單級減速器。盡管電機有比發(fā)動機更好的調速特性，但由于單級減速器速比調節(jié)范圍有限，使動力性、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。為了擴寬傳動比范圍并提升驅動電機效率，烏克蘭Anto nov汽車公司研發(fā)了一款3擋的可動力換擋的ET( electric vehicle transmission)，并在NEDC循環(huán)測試中，可以提升15%的工作效率。德國的GKN傳動公司亦設計出了一款基于同步器換擋的2擋自動變速器，目前已經(jīng)搭載于混合動力跑車上，大大降低了對前軸電機的性能需求。

在理論研究方面，國外高校做了充分的研究。英國桑德蘭大學的Ren等通過仿真研究了單擋減速器、多擋位及無級變速器在不同的循環(huán)工況中，對純電動汽車效率的提升影響。德國達媽施塔特工業(yè)大學 Eberleh等針對一款最高轉速23 000 r/min的高速電機設計匹配了一款可動力換擋的2擋自動變速器。英國薩里大學的專家教授們以動力性與經(jīng)濟性作為優(yōu)化目標，針對2款不同的驅動電機優(yōu)選出了2組不同的傳動比，該團隊還設計一種新型的單高合器且無動力中斷的純電動車用2擋自動變速器，并研究了相應的換擋控制策略。此外，該團隊還聯(lián)合 Oe rli kon grazia no公司研發(fā)了一款將2個獨立驅動電機耦合起來的4擋自動變速。雖然通過同步器進行擋位切換，但通過協(xié)調雙電機的控制實現(xiàn)了動力不中斷換擋。韓國成均館大學的Hong等，針對純電動車用2擋DCT研究了相應的換擋控制策略，以改其換擋品質。

6 結束語

汽車電動化對汽車傳動技術提出了新的要求。為了進一步節(jié)能、環(huán)保，傳統(tǒng)內燃汽車的傳動系統(tǒng)需要有更多的擋位、更寬的速比范圍、更高的傳動效率。在動力電池續(xù)航里程和充電基礎設施完善之前，混合動力汽車和插電式混合動力汽車是實現(xiàn)汽車節(jié)能減排的有效技術途徑，混合動力和插電式混合動力構型方案設計和控制技術是關鍵，方案構型創(chuàng)新和最優(yōu)能能量管理是國內外研究的重點。為了更好地優(yōu)化電動汽車動力性，降低電耗和成本，純電動汽車多擋位自動變速器和集成式電驅動橋日益受到國內的重視，而分布式輪轂電機驅動則是未來純電動汽車驅動技術的發(fā)展方向。