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    吳慶國:商用車電驅動系統發展趨勢報告

     昵稱2472300 2019-03-08

    作者:吳慶國

    一.國內新能源汽車發展概況

    1.1 國內新能源汽車市場銷量

    2018年全年中國新能源汽車產銷分別完成127萬輛和125.6萬輛,比上年同期分別增長59.9%和61.7%。

    其中純電動商用車產銷分別完成19.4萬輛和19.6萬輛,產銷量比上年同期分別增長3%和6.3%;插電式混合動力商用車產銷均完成0.6萬輛,比上年同期均下降58%。

    2019年1月份新能源商用車產銷分別完成0.9萬輛和1.1萬輛,比上年同期分別增長90.1%和135.1%。

    1.2 國內新能源汽車市場結構

    純電動汽車產銷分別完成98.6萬輛和98.4萬輛,比上年同期分別增長47.9%和50.8%。

    插電式混合動力汽車產銷分別完成28.3萬輛和27.1萬輛,比上年同期分別增長122%和118%。

    從銷量數據上看,純電動汽車仍是目前市場上主流技術路線,其占比達78%,比去年的76%有所提升。

    但插電式混合動力汽車銷量增幅更為可觀,后勁十足。

    1.3 商用車技術路線分析

    雖然2018年插電式混合動力汽車產銷兩旺,分別完成28.3萬輛和27.1萬輛,比上年同期分別增長122%和118%,但與之形成鮮明對比的是插電式混合動力商用車全年產銷僅為0.6萬輛,比2017年下降58%,慘淡至極。

    2018年純電動商用車則以產銷分別完成19.4萬輛和19.6萬輛,保持穩定增長。

    根據市場的需求趨勢,純電動商用車在未來幾年仍將是主流的技術路線。


    二. 純電動商用車電驅動系統現狀及發展趨勢

    2.1 純電動商用車電驅動系統布置形式

    中心式驅動-電機縱置

    • 適用車型:除低地板公交車外的所有商用車

    • 方案描述:用電機取代發動機,搭配新的減速器進行輸出

    • 布置簡圖:

    • 應用廠家:絕大多數整車廠

    中心式驅動-電機橫置

    • 適用車型:輕型物流車

    • 方案描述:采用乘用車布置方案,電機后置雙半軸扭矩輸出

    • 布置簡圖:

    • 應用廠家:北汽新能源、一汽吉林輕型車

    中心式驅動-集成電驅動橋

    • 適用車型:對舒適性要求不高的商用車

    • 方案描述:將驅動電機集成在中心驅動橋上

    • 布置簡圖:

    • 應用廠家:陜汽通家、上汽大通


    分布式驅動-輪邊電機驅動橋

    • 適用車型:重型卡車,低地板公交,客車等

    • 方案描述:電機與減速器、傳統驅動橋高度集成

    • 布置簡圖:

    • 應用廠家:比亞迪、方盛車橋、漢德車橋


    分布式驅動-輪轂電機驅動橋

    • 適用車型:重型卡車,低地板公交,客車等

    • 方案描述:電機與輪轂、驅動橋進行高度集成

    • 布置簡圖:

    • 應用廠家:湖北泰特、ZA wheel

    2.2 中心式驅動布置方案解析

    項目:單電機集成減速器縱置

    圖片:

    開發方案:驅動電機與變速器集成,替代原車發動機和變速箱,發揮電機的高速優勢。

    廠商:絕大多數整車廠,適用幾乎所有改制車型

    特點:

    • 系統效率低;

    • 開發難度大、制造成本高;

    • 占用空間大,動力電池包布置困難;

    • 整車NVH效果好;

    • 重量大。

    項目:電機集成減速器橫置

    圖片:

    開發方案:電機與減速機集成一體,通過懸置支架布置在后軸,通過雙半軸進行動力傳輸。

    廠商:北汽新能源、一汽吉林輕型汽車廠

    特點:

    • 系統效率低;

    • 開發難度大和制造成本高;

    • 占用空間大,動力電池包布置困難;

    • 整車NVH效果好;

    • 離地間隙小,通過性差;

    • 重量大。

    項目:垂直軸電驅橋

    圖片:

    開發方案:驅動電機與驅動橋以垂直的角度進行連接傳動

    廠商:美馳、AxleTech

    特點:

    • 裝車成本低;傳動效率高;

    • 占用空間小,便于動力電池包布置;NVH效果差;

    • 采用雙曲面齒輪減速方式,速比較小,系統功率密度低;通常應用于中重型商用車型。

    項目:平行軸電驅橋

    圖片:

    開發方案:電機與驅動橋呈平行狀態布置,電機多偏置。適用于舒適性要求低的物流車型。

    廠商:東銘車橋、東風德納、漢德車橋

    特點:

    • 裝車成本低;傳動效率高;多用圓柱齒輪傳動,速比高,功率密度高;

    • 占用空間小,便于動力電池包布置;NVH效果差;

    • 簧下重量大且偏置,不利于整車操控性。

    項目:同軸電驅橋

    圖片:

    開發方案:電機與驅動橋同軸集成布置,占用空間小,多用于輕載商用車型。

    廠商:采埃孚、比亞迪、德納、美馳

    特點:

    • 節省傳動軸、懸置支架等零部件,重量小,裝車成本低;傳動效率高;

    • 占用空間小,便于動力電池包布置;NVH效果比平行軸電驅橋還差;

    • 速比小,功率密度一般。

    2.3 中心式驅動系統發展趨勢

    1. 電機永磁化

    2. 電機高速化

    3. 系統集成化

    4. 減速系統多擋化

    5. 電機及減速機冷卻系統多樣化

    6. 電驅系統輕量化

    7. 模塊化

    8. 標準化

    單電機集成減速器縱置

    • 目標:電機集成控制器及多擋AMT

    • 方案解析:重型、大型車輛將會引進2-4擋AMT進行節能降耗,采用高速電機進行減重以提高功率密度。在改制車輛平臺上有設計成本優勢,生產成本則偏高。

    電機集成減速器橫置1

    • 目標:高速永磁電機集成控制器及2擋AMT的三合一

    • 方案解析:采用這種方案的商用車,電驅動系統通常布置在地板下部,屬于中置/后置后驅,因此電驅動總成不宜體積過大,三合一比較適合。

    電機集成減速器橫置2

    • 目標:雙電機電控加多擋自動變速箱的五合一

    • 方案解析:適用于重型商用車,雙電機電控加多檔自動變速箱的集成設計,可以極大拓寬電機的高效應用區間,提升整車的動力性和經濟性指標。

    平行軸/同軸/垂直軸電驅橋

    • 目標:奧地利AVL公司的這款車橋集成了永磁同步電機、兩檔自動變速箱、差速器、電機控制器、驅動橋。

    • 方案解析:這是一款成功的商用車電驅動動力總成模塊,符合電驅動系統集成化,輕量化、高效率的發展趨勢,是值得借鑒學習并加以推廣的產品。該永磁電機最高轉速達到了16000rpm,額定功率可達148kW;3擋AMT擴展了電機的高效率區間;采用圓柱斜齒輪來提高傳動效率,降低系統噪音。

    2.4 電動箱式物流車布置方案對比分析

    中心式電機縱置布置方案:

    • 用傳統燃油車車身改制,改制難度小,風險低

    • 開發周期短,制造成本高

    • 占用車輛X向空間大,不利于電池包布置

    • 因電池靠前布置,軸荷分配不合理,前重后輕

    • 驅動系統輕量化水平不高

    • 應用此種改制方案的商用車輛整車EKg值在0.45左右,不滿足國家最新補貼標準(≤0.35)

    • 整車NVH效果優異

    電驅動橋布置方案:

    高速永磁同步電機與2擋變速箱直接集成在驅動橋上,安裝簡單方便。與左側布置方案相比較,零件減少11種,重量降低約33kg,估算單車裝車成本可降低2000多元。(以總重2.35t的電動箱式物流車為例)

    • 集成度高,結構緊湊

    • 完全釋放地板下X向空間,有利于電池包布置

    • 由于占用空間小,方便調整整車軸荷

    • 系統重量比傳統中心驅動方式輕

    • 簧下質量稍大,對操控性略有影響

    • 開發難度小,制造成本低

    • 系統傳動效率高

    • 整車NVH表現遜于前者

    • 整車動力性、經濟性、Ekg值等指標均優于前者

    2.5 電動輕卡車型布置方案對比分析

    中心式電機縱置布置方案:

    • 用傳統燃油車車身改制,改制難度小,風險低

    • 開發周期短,驗證成本低

    • 占用車輛X向空間大,不利于電池包布置

    • 驅動系統輕量化水平不高

    • 生產投資少

    • 整車生產成本高

    • 整車NVH效果優異

    電驅動橋布置方案:

    • 整車動力性、經濟性、Ekg值等指標均優于前者

    • 占用空間X向空間小,有利于電池包布置

    • 由于占用空間小,方便調整整車軸荷

    • 系統重量比傳統中心驅動方式輕很多

    • 簧下質量稍大,對操控性略有影響

    • 開發難度中等,制造成本低

    • 系統傳動效率高

    • 整車NVH表現遜于前者

    • 集成度高,結構緊湊

    2.6 分布式式驅動布置方案解析

    輪邊電機橋

    • 方案概述:電機與減速器、傳統驅動橋高度集成,釋放下底板空間,取消傳動軸,有利于整車布置。

    • 優點:一是降低了地板高度,因為兩個電機布置在車輛兩側,也就是出現了比較低的地板通道;二是縮短了傳動鏈長度,取消了傳統差速器,傳動效率得以提高。

    • 缺點:電子差速的技術門檻高,匹配不好會出現輪胎過度磨損的問題。

    • 適用車型:重卡、公交車及中型、大型客車。

    輪轂電機橋

    • 方案概述:電機與輪轂、驅動橋進行高度集成,電機直接驅動車輪進行動力傳輸,是未來驅動的發展方向。分為外轉子輪轂電機和內轉子輪轂電機兩種結構形式。

    • 優點:外轉子輪轂電機結構相對簡單、傳動鏈條少、效率高;內轉子輪轂電機在高轉速下運轉,故具有較髙的比功率和效率,而且體積小,質量輕,通過減速結構的增矩后,輸出轉矩大,爬坡性能好,能保證汽車在低速運行時獲得較大的平穩轉矩。

    • 缺點:外轉子輪轂電機體積大、重量大;內轉子輪轂電機潤滑困難,會使行星齒輪減速結構的齒輪磨損較快,使用壽命變短,不易散熱,噪聲比較大,因此目前暫未有量產產品問世。

    • 適用車型:受限于體積和重量,目前量產的外轉子輪轂電機僅適用于大型客車、公交車。但隨著技術的進步,輪轂電機功率密度的提升和尺寸的減小,未來將適配所有新能源車型。

    2.7 分布式電驅動系統布置方案對比

    輪邊電機驅動橋:驅動橋總成通過四處空氣懸架與車身連接;長江新能源、比亞迪、漢德車橋、方盛車橋均開發出了輪邊電驅動橋產品;這種結構常應用于純電動重卡和公交等車型。

    ZF AVE130 輪邊電機驅動橋:

    • 集成度高,結構緊湊

    • 完全釋放地板下空間,有利于電池包布置

    • 特別適合低地板純電動公交車使用

    • 重量比傳統中央驅動方式輕

    • 簧下質量較大,對操控性略有影響

    • 開發難度大,制造成本較高

    • 系統傳動效率高

    輪轂電機驅動橋:驅動電機和減速機集成在車輪輪轂內部空間。布置方式與輪邊電機驅動橋相同。

    ZA wheel 輪轂電機驅動橋:

    • 高度集成,零件數量少,結構緊湊

    • 釋放地板下空間,有利于電池包布置

    • 理論上適合所有車型使用

    • 沒有減速機構,比前者系統重量輕

    • 簧下質量和轉動慣量大,對操控性影響大

    • 傳動效率高,能耗少

    • 開發難度大,制造成本最高

    2.8 輪轂電機技術優缺點分析

    輪轂電機的技術優點:

    • 省略大量傳動部件,讓車輛結構更簡單,有利于電池包布置,使車輛地板結構更簡單

    • 傳動效率高

    • 重量輕

    • 可實現多種復雜的驅動方式:由于輪轂電機具備單個車輪獨立驅動的特性,因此無論是前驅,全時四驅在輪轂電機驅動的車輛上實現起來非常容易

    • 同時輪轂電機可以通過左右車輪的不同轉速甚至反轉實現類似履帶式車輛的差動轉向,大大減小車輛的轉彎半徑,在特殊情況下幾乎可以實現原地轉向,對于特種車輛很有價值

    • 適用于幾乎所有車型

    輪轂電機的技術缺點:

    • 輪轂電機較大幅度地增大了簧下質量,同時也增加了輪轂的轉動慣量,這對于車輛的操控性能是不利的。

    • 電制動性能有限,維持制動系統運行需要消耗不少電能:

    • 由于輪轂電機系統的電制動容量較小,不能滿足整車制動性能的要求,都需要附加機械制動系統;

    • 沒有了傳統內燃機帶動的真空泵,就需要電動真空泵來提供剎車助力,但也就意味著有更大的能量消耗。

    • 輪轂電機工作的環境惡劣,面臨水、灰塵等多方面影響,在密封方面也有較高要求,同時在設計上也需要為輪轂電機單獨考慮散熱問題。

    三. 新能源商用車電控系統現狀及發展趨勢

    3.1電控系統的發展趨勢和范例

    單電機控制器

    出于成本考慮,商用車電機控制器多采用的是引線鍵合、單面冷卻的第一代IGBT。商用車對功率密度的要求沒有乘用車那么嚴格,產品的功率密度普遍偏低,但價格卻便宜很多,主要是IGBT模塊節省出的費用。

    吉泰科、匯川、藍海華騰、英威騰等是非車企電驅動系統供應商中比較知名的。2018年吉泰科售出了約三萬套電機控制器,約占新能源商用車市場約15%的市場份額。吉泰科的控制器產品做工很扎實,工程美學做得很贊,很有肌肉感。

    當然這么漂亮的殼子,成本也是不菲的,銷售端的價格壓力可想而知。目前看商用車電控系統的發展趨勢是:MCU大哥,帶著一群小弟(DC/DC、PDU、OBC……)住在一個大房子里比較吃香;與電機集成的方案不是主流。

    多合一電控系統

    多合一控制器標配:電機控制器、DC/DC;

    選配:高壓配電箱(PDU)、空調控制器、整車控制器(VCU)、DC/AC、車載充電機(OBC)、油泵控制器等。

    根據整車廠的需求可定制組裝,下圖是一款5合1組合電機控制器,包括:MCU DC/AC*2 DC/DC PDU等。

    四. 插電式混合動力商用車電驅動系統現狀

    精進電動雙電機混動方案介紹

    由于受國家補貼政策的影響,插電式混合動力商用車在2018年的市場表現并不如插電式混合動力乘用車市場那般春風得意,但作為一種成熟的技術路線之一,在此應有一席之地。套用一句古話:“瓦井也有翻身日,一舉成名天下知”,說不準未來的某一天,插電式混動商用車也會迎來自己的“春天” 。

    由于筆者對插電式混動商用車領域接觸不多,素材有限,下面只簡單介紹一下筆者前東家“精進電動”的雙電機混聯方案。

    該系統由ISG發電機 干式電磁離合器 驅動電機 電磁換擋兩擋自動變速器(選裝)組成,精進電動最具創新性的貢獻莫過于將電磁操作引進到離合器和變速器之中。

    成功地用電磁操作機構取代了傳統AMT變速器所需的直流電機驅動、氣動或液壓操作的換擋機構,也刪除了撥叉、齒套、同步器等機構,顯著地改善了變速器的可靠性,降低了成本。

    據精進電動的產品宣傳資料宣稱:該電磁換擋變速器直接擋傳動效率99.5%,減速擋效率98.5%。

    五. 總結與建議

    5.1 商用車電驅動發展趨勢預測

    貨運車中心式驅動系統的發展趨勢將是集成式電驅動橋(參考范本AVL公司3擋電驅橋);如果NVH控制在理想范圍,在客運車領域也將有一席之地。理由:比輪轂電機技術難度低,系統結構簡單,功率密度高,生產成本低,整車匹配方便,利于市場推廣。

    客運車因為舒適性的要求,輪轂電機橋是最有潛力的技術路線;但在輪轂電機技術和制造成本未有改觀時,電機縱置的中心驅動模式與輪邊電機橋方案還將持續應用。

    5.2 發展建議

    商用車以控制成本為第一要務,技術上多采用成熟穩妥方案,導致各電機電控企業在價格領域廝殺不斷,利潤微薄,企業苦不堪言。你所在的企業是不是在其中苦苦掙扎?

    從比亞迪開始推動3合1電驅動系統時,有些依靠單一產品的電機、電控廠家已經無形中被排擠出了乘用車市場,商用車市場則成了最后的救命稻草,但這優勝劣汰的廝殺終究會來,你……準備好了么?

    要想不被市場淘汰,不成為“行業大佬們” 制定規則的犧牲者,那么請抱團取暖吧,尋求新的合作模式,聯合共進,拿出系統化的動力模塊解決方案,以優秀的產品贏得市場,贏得活下去的機會。

    “海到無邊天作岸,山登絕頂我為峰。”新產品的研發也許荊棘密布,困難重重,但想殺出重圍,這是必經之路。

    集成式多擋電驅動橋是我個人推崇的動力系統模塊化解決方案,望有識之士對其多加研討,學以致用。

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