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直驱、轮边、轮毂——新能源客车电机进化之路

2017-04-19 16:37:08 作者:韩喻 来源:中国客车网
  如果把动力电池比作电动汽车的血液,那么电机无疑就是电动汽车的心脏。

  驱动电机作为新能源汽车的三大核心部件之一,相比传统工业电机,无疑有着更高的技术要求。如何让这颗“心脏”在汽车的整个运行寿命里始终强劲有力,是电机专家和整个行业长期思考、不断进步的重要工作。

   前言

  2017国家发改委一号文件《战略性新兴产业重点产品和服务指导目录2016》中,关于新能源汽车“电机电控”部分重点提到了“用于驱动或发电的高效电机,轮毂电机,轮边电机”,这意味着目前广泛使用的中央直驱电机、刚进入市场不久的轮边电机、还未开始市场化的轮毂电机都进入了“指导目录”。

  那么直驱电机、轮边电机、轮毂电机以及相应的动力总成系统各自是什么特点,市场应用以及未来发展情况到底如何?

  为此中国客车网先后采访了多名汽车电机行业专家,聆听他们对行业的思考和探索,同时深入调研中国新能源客车电机企业的最新技术和前瞻研发,历时一月有余,三易其稿,汇总成文。感谢下列专家接受采访,并为本文提供专业指导和宝贵意见:

  电机如同汽车的心脏和大脑

  关于电动汽车的“三电”,最形象的比喻为:电机是心脏,电控是大脑,它们把动力电池产生的电能像输送血液一样,输送到整车和每一个零部件。

  因此,电动汽车的发展不能仅仅集中在动力电池上,做好汽车的核心电机系统总成和整车控制更是至关重要。国家“千人计划”专家、“十三五科技发展规划”中“电机系统与电力电子”起草者、《中国制造2025》节能与新能源汽车技术路线图多个章节主笔人蔡蔚对中国客车网说:“因为电驱动系统是电动汽车真正的核心,正如传统汽车的内燃机发动机、变速箱一样,它决定了汽车的品质。”

  实际运营当中,即使搭载的动力电池优质可靠,也会随着使用年限,产生不同程度的衰减,因此,在同样工况下,要维持电机正常输出,保证整车系统性能,必然伴随着三电系统损耗增加。

  但如果采用高效电机和电力电子控制器通过优质控制算法和软件,可以一定程度上减少电池用量,也可以改善因使用年限产生的电池性能衰减——这是“三电”之间的关系,也是选择优质电机的原因——蔡蔚如是说。

  很多公交公司抱怨电动客车续航里程一年比一年短,人们常常把这种情况全部归结于电池性能衰减。但真实情况是,如果使用了劣质电机或其他传动系统部件出问题,也可能造成里程衰减。

  举例来说,某公交公司2014年下半年投入使用一批纯电动客车,当时261度电的标准续航里程150公里,刚开始运营状况良好,甚至可以达到170公里。到2017年,同样这批车,同样的充电量以后,每充满一次电却只能跑70公里,更换新电池后也只能达到90公里。经查实,这批车主要是被劣质电机拖累所致。电机专家表示,如果配置质量可靠的电机,就不可能出现这类问题。

  从“异步电机”到“永磁直驱电机”

  据有关机构统计,截止2016年底,我国永磁同步电机、交流异步电机和开关磁阻电机实现了系列化,产品的功率范围覆盖200千瓦以下整车的动力需求,转矩范围覆盖450-3500Nm,主要指标达到国际先进水平并试下了大批量生产

  据悉,早期推广阶段的电动客车,主要以异步电机(也叫感应电机)作为电动机使用,但由于异步电机需要产生激磁电流,导致附加了激磁损耗,再加上转子电阻损耗,异步电机效率明显低于永磁同步电机。

  国家“千人计划”专家、精进电动科技股份有限公司董事长余平认为,截止2016年,高效的永磁直驱电机在客车领域已经基本取代了异步电机,成为了绝对的客车驱动主流。永磁直驱电机有降低电耗、降低运营成本、降低电池成本的优势。

  国家863节能与新能源重大项目总体组电机专家、上海电驱动股份有限公司总经理贡俊告诉中国客车网:从异步电机到永磁电机,宇通为行业起到了重要的引领作用。

  据中国客车网了解,永磁电机的磁钢性能是核心,磁钢等级是关键,磁钢选择和设计是决定电机效能以及抗去磁性的关键之一。磁钢成本占电机有效材料成本的20-30%,由于永磁电机的特征,劣质电机效率的衰减对电能的损失和续航里程影响较大,尤其是那些偷工减料、技术不过关的电机。

  业内曾有企业过分减少有效材料来降低成本,然后调整控制器参数蒙骗整车企业和终端用户,导致劣币驱逐良币。当新能源客车补贴退后,这种恶性竞争愈发抬头。

  从“永磁直驱电机”到“双电机直驱”

  众所周知,当电机越来越轻量高效,动力电池可以相应少装一些,整备质量也就能进一步实现轻量化。

  在运营过程中,用户和电机技术专家发现,常规单电机直驱逐渐表现出高坡度区域爬坡力不足、中高速性能不足,在重量、成本方面也有不足。据某客车企业技术人员介绍,该问题被精进电动独有的“非对称双电机动力分配系统”解决:即把一个大电机(低速区高效)和一个小电机(中高速区高效)结合起来,使得系统在更加宽广的工况区中有更高的效率,在实现高动力的同时,进一步改善能耗。据介绍,这一技术比同级别的单电机系统电耗水平降低5-10%,效能明显提升。

  双电机直驱近些年陆续在电动客车上应用,当使用偏置门式桥的时候,电动公交车也可以很好地实现低地板,满足了广大公交用户的需要。

  余平对中国客车网表示,中央驱动方式对传统的整车设计冲击较小,而且可以调整成多种多样的驱动方式,如单电机直驱、双电机直驱、变速方案、减速方案、混动(含增程式)方案,而后文提到的(轮边或轮毂)驱动方式缺乏这些灵活性,限制了产品的普及和发展。

  余平认为:无论是从传统零部件搭载,还是生产规模经济效益来看,中央集中驱动电机是未来客车市场的主流,这个时间至少要持续3-5年。

  (也有专家认为,“中央直驱”表述不如“集中驱动”更科学,因为直驱电机也就是集中驱动。本文两种说法均采纳)。

  从“集中直驱”到分布式“轮边电机”

  当中央直驱电机(集中直驱)已经广泛被客车用户所接受的时候,部分用户悄悄把眼光看向了更高处:一方面电动客车对整车轻量化的需求越来越强烈,另一方面公交车需要更大面积的低地板,轮边驱动电机应运而生。

  轮边电机可以让传动系统进一步减重瘦身,取消了客车 “后牙包”,实现了前后贯通低的地板,其独立悬架可以使公交车实现宽通道——部分公交公司的目光立即被吸引住了。

  2014年起,比亚迪装载轮边电机的客车在国内问世,其后在南京、杭州、深圳等地推广,受到了广大公交公司的欢迎。藉此,比亚迪客车品牌在业内迅速渗透。目前搭载轮边电机的K9已经有数千辆公交车在运行。

  据长期从事轮边电机技术研发的成都联腾动力控制技术有限公司董事长史迪新向中国客车网介绍,采埃孚是国际上第一家电驱动车桥的轮边电机,最早在沃尔沃客车上应用。其后,国内陆续有比亚迪、长江客车(五龙公司),中植客车带独立悬架轮边电机的客车进入公告目录,宇通也在研发生产轮边电机,应该很快进入公告。

  轮边驱动,在应用于汽车之前,其实更多的是应用在地铁和高铁上中国称雄世界的先进技术,时速380公里的高铁,使用的就是轮边电机。中国客车网关注到,在2016年下半年,比亚迪推出的云轨商用车上,应用了自主研发的轮边电机技术。

  资料显示,比亚迪云轨的轮边电机技术,在体积、重量、扭矩、精度、噪音以及全寿命周期养护费用层面进行有效的平衡,其技术全部自主研发、自行生产的轮边驱动电机,采用永磁同步技术,电动机直接驱动行走机构。

  据史迪新向中国客车网表示:轮边电机的技术要求比其他驱动电机更高一些。轮边电机居于簧下,需要更好的抗振性和密封性,还要以较小的体积、较低的重量获得足够的扭矩、低噪音、低发热,设计难度加大,实用验证时间不如中央直驱电机,市场还需要给轮边电机更多的时间来验证。

  但随着轮边电机的规模化产业化,我们相信,轮边电机的成本会逐渐降低,这对中国电动客车的技术进步和轻量化意义重大。

  “轮毂电机”市场化路在何方?

  当搭载轮边电机的新能源公交车还在市场化进程初期,各公交公司负责人和客车企业技术员还在研究探索中,一种将电机装在轮毂上的分布驱动方式也出现了,那就是轮毂电机。

  2016年底,天津天海同步集团旗下子公司湖北泰特,让荷兰一家欧洲最大的新能源汽车轮毂电机生产商的技术姓了“中”。该公司董事长吕超长期从事变速器、电机研究,他向中国客车网表示,新能源汽车动力系统发展分为三个阶段,第一代是中央电机集中驱动技术,第二代是轮边电机技术,第三代是轮毂电机技术。

  据介绍,与前两代技术相比,轮毂电机技术具有更加高效、节能、轻量化、小型化等诸多优点,能有效解决新能源汽车成本、降低整体能耗等问题,是最直接、最高效的驱动方式,是未来的应用趋势。

  吕超和他的技术专家们认为,从技术发展角度来讲,轮毂电机是将来传统汽车或者电传动驱动发展的一个方向。这种技术使汽车由中央式驱动改为分布式驱动,省掉变速器、传动轴、差速器等传动部件,将动力、传动和制动装置整合到轮毂内,实现了新能源汽车发动机、变速机的一体化,从机械驱动转为电驱动。

  吕超表示,轮毂电机一旦在公交车、乘用车或轿车上大规模的推广应用,它对整个传统行业是一个革命性的冲击。轮毂电机一旦放在12米客车上,传统整车一些配套设备都会被取消。目前,荷兰公司的轮毂电机已经在欧洲国家的大巴、公交车上应用。

  但也有人认为,从整车的控制角度,从轮毂电机本身,从一体化的执行实施等方面,轮毂电机将涉及机、电、热等很多技术难题,只有把所有的问题解决以后,轮毂电机才能真正在公交车或者在商用车上得到应用,到那时,轮毂电机的市场化方向才能看得清楚。有被采访者认为,这至少需要3—5年的时间。

  “驱动电机动力总成”中国市场布局

  天下大势,分久必合。不论哪种技术路线,业内大咖普遍认为最终的方向就是“集成”。作为国家永磁同步电机行业标准第一起草单位的负责人,贡俊表示:从整机厂需求来看,国外大佬都往总成化走。不同的动力系统构型都可以实现总成,包括商用车电机变速箱总成、双电机总成等,当前乘用车动力总成系统也在探索是否可以在客车里面做应用。

  据贡俊介绍,目前带减速器的高速电机总成(轿车的标配),或带自动变速器的永磁电机系统,可以比现有的驱动电机效率更高。

  (清华大学汽车研究院)苏州新能源汽车研究所所长、苏州绿控传动科技有限公司董事长李磊告诉中国客车网:当前国内客车已经市场化的动力总成主要有中央直驱、电机加变速箱、电机加减速箱、轮边驱动桥和中央电驱桥。轮边驱动桥需要两套电机和电机控制器,成本较高,且电子差速控制较为困难;电机加减速箱的方案难以同时兼顾输出扭矩和车速的要求。因此这两种动力总成市场推广的不多。

  应用最为广泛的是中央直驱和电机加变速箱的方案。中央直驱方案结构简单、可靠性高,但是重量较重,如果是用于车速要求较高的公路客车,能耗也较高。8米以上客车直驱方案成本也较高。电机加变速箱的方案,爬坡度更高、重量更轻、电耗较低、成本较低,且其轻量化优势和成本优势在更大的车型上更明显。

  李磊认为,综合来看,8米以下客车中央直驱的方案更具竞争力,而8米以上的客车比较适合用电机加变速箱的方案。当然由于电机的高效区较宽,变速箱一般采用两档箱即可。中央电驱桥特别是带两档的电驱桥因为取消了传统的主减速器,可以明显的降低电耗,在8米以下客车上有较好的应用潜力。

  据了解,目前国内的客车用户已经普遍能接受更高效的电机动力总成系统,只不过具体到性价比和技术差异化,还需要进一步培训用户(培养市场)。

  未来趋势:轻量化+终生免维护

  我们现在面对的是一个2800万辆的市场,这是世界上最大的市场,也是世界上最多元化的市场,技术发展不会止步,市场呼唤更好性能、更高效率和更优成本的电机系统。

  蔡蔚提出,未来电机的发展方向,一是高效、轻量、高性价比,二是实现电机安全、可靠、耐久和终生免维护。

  其实,这不仅是未来发展方向,也是上述多位被采访者及其企业正在努力,并且已经部分完成的工作。

  中国客车网发现,客车行业“全生命周期”采购成本概念,之所以能被广大公交公司迅速接受,这客车行业及相关产业链所有技术人员和企业家们长期不懈地努力密不可分。也正因为如此,中国客车的影响力在全球与日俱增。

  后记

  在本次调研之前,笔者与很多公交行业人员一样,忽略了电机和电驱动系统对客车性能的作用,以为只有动力电池才是新能源客车最核心的零部件,动力电池完全能决定客车行驶里程。经过本次调研,我们才知道,只有电机和电驱动系统的技术不断创新,与其他核心零部件共同进步,新能源客车才能更好地为广大人民群众服务。

  限于笔者水平和专业知识的不足,文中不足之处在所难免,敬请各位读者朋友和专业人士指正。(再次感谢蔡蔚、余平、贡俊、史迪新、吕超、李磊等专业技术人员接受采访,并为本文多次修改订正。此外,还要感谢湖北省汽车工程学会副秘书长雷洪钧、精进电动副总裁李红旗对本文的贡献。)

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