新材料与工艺手册

[动力系统轻量化] 电力驱动和轻量化并重

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发表于 2015-2-25 18:49:29 | 显示全部楼层 |阅读模式

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在节能减排的汽车行业大趋势之下,采埃孚公司把汽车电力驱动技术的研发又向前推进了一步。他们依据自己的节能减排研发战略,并考虑了未来汽车工业的所有要求,在研发适合于在城市市区使用的概念性纯电动轿车及其相关驱动系统之外,也加大了市场中现有车辆中并联式混合动力驱动技术的研发。
        目前为止,采埃孚公司已经在市场中推出了很多经济的汽车电力驱动系统了:从电动机到混合动力模块,从控制器到电子功率控制模块,直至整套的混合动力驱动系统。与此同时,采埃孚公司也一直在致力于汽车的轻结构设计与优化的研究,因为只有结合汽车的轻结构设计,使得汽车更加轻量化,才能真正成功地推出电力驱动的最佳汽车技术方案。
        汽车驱动系统的电气化并不是采埃孚公司的最终目标,从根本上讲,采埃孚公司的目标是直接或者间接地减少生物燃料的消耗,从而也减少CO2的排放。在这一目标的指引下,采埃孚公司制定了电力驱动系统的研发战略。
       

电力驱动和轻量化并重

电力驱动和轻量化并重

        图1 电力驱动系统由异步电动机、结构紧凑的变速器、差速器、功率控制器及控制软件构成

        混合动力模块
        在采埃孚公司,在混合动力基本型驱动系统的基础之上,可以实现多种不同形式、不同组合的混合动力驱动系统。构成这些系统的部件都来自采埃孚公司的系列产品,其中一个最核心的产品就是混合动力用电动机。根据车辆的等级,采埃孚公司能够提供不同功率的混合动力用电动机。
        在全混合动力车辆中,采埃孚公司研发生产的电动机模块能安装在混合动力变速器壳体中,物理上取代原来离合器的位置,在功能上也能实现离合器的作用。当然,混合动力的功率也是一件非常重要的事情,只有做好了混合动力的管理,车辆的硬件才能完美地与控制电气、软件和功率控制器一起发挥作用。
        由于整套技术和方案都是由采埃孚公司一手研发并提供的,因此,汽车厂商这样的客户也能够从中获益。
        再加上采埃孚公司研发生产的混合动力功率控制器,一个完整的混合动力系统就显得更加完美了。这一功率控制器的主要任务就是把蓄电池的直流电转换为混合动力电动机所需的三相交流电;它的另一个任务就是回收能源,例如把车辆制动时能够回收的动力能源转换为直流电储存到蓄电池中。它承担着电动机调节的任务,保证在没有动力中断和动力波动的情况下驱动系统能够得到足够的加速电力。
        品种繁多的系统部件丰富了高效的、多用途混合动力整体系统的构成:从中度混合动力到全混合动力,直至插电式混合动力。这些不同的混合动力系统中,相同零件的比例很高,从而也有着最佳的匹配性能。事实上也是如此,在许多当前的大批量生产的汽车中,采埃孚公司所研发和生产的混合动力驱动系统和部件性能令人信服,例如宝马Active Hybrid 7中的8挡自动变速器混合动力驱动系统,还有奥迪公司的奥迪Q5 Hybrid Quattro等,在大众汽车公司的Jetta Hybrid轿车中也可以看到采埃孚公司的混合动力模块。
       

电力驱动和轻量化并重

电力驱动和轻量化并重

        图2  创新性的混合动力轿车采用转速为21000r/min的ASM异步电动机来驱动

        车桥上的电力驱动模块
        采埃孚公司混合动力研发战略的另一个重要的项目就是短程行驶和市内行驶用的纯电力驱动系统的研发。调查显示,实际上,几乎一半的车辆每次出行的平均行驶里程都不到6km——今天的电动汽车已经完全能够可靠地保证行驶这么长的距离了。对于适合这种情况的城市紧凑型车辆,采埃孚公司研发了安装在车桥上的电力驱动装置,从而可以使未来的电动轿车有着很好的行驶动态性能和很长的续驶里程。如图1所示的这一驱动系统由ASM异步电动机、传统的变速器系统、差速器、功率控制器以及相应的软件等组成,它在车辆起动时就可以为车桥提供1700Nm的驱动力矩,从而能够在9s内完成静止到100km/h的加速,它能够提供的最大功率为90kW。
        电动机研发的焦点首先是ASM异步电动机与PSM永磁同步电动机的方案比较。在精确的计算、测试之后,采埃孚公司认为:高转速的新型ASM异步电动机是最佳方案。在“性能源于速度”的理念之下,这一驱动系统的目标功率是最大90kW(30kW的连续工作功率),电动机高速时的高转矩——21000r/min时的高转矩输出。如图2所示的混合动力轿车就采用了这种ASM异步电动机。这种电动机模块的质量只有45kg,非常轻便且结构紧凑。
        由于采用的是高速电动机,因此,PSM永磁同步电动机重量大的缺点就已经使其成为历史了。另外,ASM异步电动机还有自己的一些独特的优点:它所采用的生产制造技术无需像钕和镝这些国际上供货情况和价格都在不断波动的稀有元素。
        转速高达21000r/min的电动机所产生的噪声对驱动机构提出了特殊的要求。采埃孚公司使用的平行轴变速器的变速比为16:1,在前后两级减速中把电动机的转速降下来:第一级是一个行星齿轮组,它与驱动轴同轴的齿轮能够非常均匀地传递转矩,这一设计也有效降低了变速器的高频噪声;在第二级减速机构中,转速已经降低了很多时,采埃孚公司才使用了直齿轮减速。除了有效降低噪声之外,这种减速结构设计还有很高的传动效率——高达97%。
       

电力驱动和轻量化并重

电力驱动和轻量化并重

        图3  采埃孚公司研发生产的创新性混合动力轿车中轻结构设计和电力驱动做到了相互补充

        电动汽车的轻量化
        采埃孚公司研发生产的创新性概念车(见图3)清楚地告诉人们汽车驱动系统的电气化和轻结构设计各占多大的比例,轻结构设计的重要性非同一般。在这一创新性的概念车中,轻结构设计的行驶机构载着包括整流器在内的电力驱动机构,不仅仅提高了车辆的行驶距离,而且也提高了车辆的动态性能。
        这一创新技术载体是按照满足未来要求设计的。安装在车桥中央的驱动模块能够提供90kW的机械功率和低转速时很高的转矩。这种高效的电力驱动的车桥可以作为微型车、小型车或者是电动汽车的驱动装置,或者是混合动力汽车的后桥。
        采埃孚公司对创新性概念车的行驶机构进行了轻结构设计的优化,使之符合电动汽车的要求。减轻汽车重量,减少了驱动这些质量所需的能量,直接有助于提升车辆的行驶里程,或者是提高电动车辆的载重能力。
        减轻重量的效果是非常明显的。与标准的钢结构设计相比,车架的轻结构设计可以减轻50%的重量。其他零部件也是如此,比如前桥中的电动机轴承也是钢材和其他多种材料的复合结构,利用高强度钢碳纤维材料聚氨酯等材料的组合,采埃孚公司把电动机轴承的重量减轻了16%。
        轻量化设计带来的益处很多,这里有必要举几个具体的例子进行说明。图3的创新性概念车前桥的轻结构减振支架——轮架模块采用的是FKV纤维增强材料,保证足够的强度且重量非常轻,不仅如此,这种创新性的纤维增强材料设计还可以保证很好的表面粗糙度。
        采埃孚公司具有创新精神的工程师设计的新型转矩梁后桥不仅减轻了后桥的重量,而且还提高了它的调整性能,因为安装在这一后桥上的行驶稳定装置允许车辆乘员按照自己的喜好确定不同的摆动状态。
        采用纤维增强材料制造的行驶稳定装置可以方便地安装到汽车后桥中,并减轻重量——在采埃孚公司研发生产的创新性概念车中,CFK碳纤维增强材料的行驶稳定器就减少了50%的重量。
        转矩梁后桥采用的是钢和碳纤维合成材料。这一后桥与采埃孚公司的研发生产的轻结构减振器配套使用,组成了最佳配置。减振器使用了铝合金材料和塑料喷涂保护层,加上结构上的优化,可比传统减振器减重25%。
        轻结构设计有着非常重要的意义和作用,尤其是在满足电动汽车的特殊要求时,因为车辆行驶到平衡了空气阻力的状态之后,剩下的所有能源消耗都与车辆的重量有关。
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