节能与新能源汽车传动技术的发展

林少宏

（广州市机电高级技工学校 510370)

随着《中国制造2025》和“互联网+”等国家战略的深入推进，新能源汽车产业在“十三五”期间将出现新的发展高峰。国家层面，新能源汽车是中国由汽车大国向汽车强国迈进的必由之路；企业层面，新能源汽车已经成为企业占领制高点的必要条件[1]。但在国内新能源汽车产业取得喜人成绩的背后，依然存在诸多的挑战和困难。目前，国内新能源汽车传动系统在技术先进性、可靠性和安全性等方面仍亟待提高。

1 背景简述

2017年，国内车市的增速遭遇近年来的首次大幅度“跳水”，但新能源车在各类利好政策的扶持下则春风依旧，依然保持高速增长的发展态势。据中国汽车工业协会发布数据显示，2017年下半年新能源汽车生产75.1万辆，销售50.68万辆，同比分别增长2.6倍和2.7倍。其中2017年8月新能源汽车生产91 303辆，销售118 054辆，同比分别增长2.9倍和3.5倍。

在上海第4届国际CTI论坛上，顾问委员会主席、德国布伦瑞克工业大学汽车工程技术研究院院长Ferit Küçükay教授在其演讲一开始就提到，“作为汽车制造的核心部件，传动系统及变速器研发领域在此大环境下，面临的不仅是一个巨大的挑战，同时也是一个巨大的机遇，汽车传动系统的效率及燃油消耗将在中国汽车市场扮演越来越重要的角色”[2]。针对新能源汽车发展对传动系统带来的影响和挑战，技术发展未来趋势、人才培养等问题仍需进行必要的探究。

2 目前影响传动技术变革的因素

新能源汽车用电动机来驱动行驶，选择合适的电动机是提高各类电动汽车性价比的重要因素。因此研发或完善能同时满足车辆行驶过程中的各项性能要求，并具有坚固耐用、造价低和效能高等特点的电动机驱动方式显得极其重要。

影响新能源汽车传动技术的因素主要来自于3个方面，即政策、经济和科技。各国节能减排标准日渐严苛，石油价格高涨，为满足车企要求及车主用车成本，传动系统势必要做出调整，无论

对于传统的内燃机还是新能源车辆。此外近年来，可替代材料的出现、自动驾驶以及车联网等技术的不断渗透，都在影响着传动系统的变革。

3 不同驱动力车型其传动技术未来的发展状况

新能源传动技术的快速发展，让传统内燃机感受到了压力，因此，进行不断改进来提升内燃机技术，再加上成本较低，优势还是比较明显[3]。在考虑电气化之前，要充分挖掘传统传动系统的潜力。然而，如果希望能进一步降低油耗，混合动力和电动传动则是很好的补充。

目前，如果不配备混合动力的话，传统自然吸气发动机以4～5速的传动系统是无法达到节能减排相关标准的。以C级及更小级别的车型为例，只有通过采用小排量直喷涡轮增压发动机并配备7～9速的自动变速器才能满足法律法规需求。而对于运动型多功能车等大型车辆来说，则必须采用混合动力系统才能满足油耗及排放的要求。电气化将是未来发展的一个大趋势，因此市场充斥多种解决方案是有必要的。

4 新能源汽车传动技术未来的发展趋势

无论是HEV还是PHEV对所配置的传动系统都提出了较高的要求。在实现技术提升方面有一个有效的方案是在变速器内集成1～2个电机，从而实现我们所谓的“主动变速器”，这类变速器有着以下的一些特征。

(1)变速器内包含有电机、功率电子装置、执行器、传感器、控制器。可以在变速器内将电能转换为机械能从而实现汽车驱动。

(2)变速器的主要功能与传统变速器一样，仍然是转速和转矩的转换。

(3)为实现“主动变速”，变速器可以与汽车内所有控制单元进行通信交流，特别是与驱动系统、底盘系统、驾驶辅助系统以及车载资讯娱乐系统通信。

(4)变速器内配有先进的控制策略，以实现各项性能的最优化。包括驾驶性能、舒适性、动力性、燃油经济性、最大行程及驾驶的安全性。为实现以上目标，“主动变速器”中的执行装置除了换挡任务外，还可以根据驾驶情况将发动机或电机与传动系统分开，在适当的时候再将其闭合。

以上所述的特征，主动变速器将在混合动力汽车（HEV）以及插电混动汽车（PHEV，最大电动行程20～50 km）中广泛使用。与传统汽车相比，这类新能源汽车将提供更好的燃油经济性。在法定的测试循环中，混合动力汽车的燃油经济性可以比传统汽车提升20%～30%，插电混动汽车则可以最高提升70%。

新能源汽车区别于传统车最核心的技术是“三电”（电驱动，动力电池，电控）。目前，新能源汽车所使用的控制系统大多是在传统汽车控制器基础上，再进行一些适应性的更改，形成适应于新能源汽车工作的控制软件。国内在电机、电控领域的自主化程度仍远落后于动力电池，部分电机电控核心组件如IGBT 芯片等仍不具备完全自主生产能力，具备系统完整知识产权的整车企业和零部件企业仍是少数。随着国内电机电控系统产业链的逐步完善，电机电控系统的国产化率逐步提高，电机电控市场具有的增速有望超过新能源汽车整车市场的增速。

此外，随着整车车体结构轻量化的推进，电池、动力电机、电控系统在新能源汽车整车中的成本占比也逐渐上升。根据Argonne国家实验室统计数据，新能源汽车动力总成(电机、电控、变速器)的成本分别占整车成本的15.67%(轿车)和13.69%(小型货车)，总成占比仅次于电池和BMS系统。在新能源汽车补贴逐步上升的政策驱动下，动力总成成本下降的压力将逐步向上传导至电机、电控产品上。因此，电机电控市场在很大程度上仍将影响新能源汽车市场的走向。

5 电动汽车传动技术

为了实现节能减排，降低对石化能源的依赖程度，从“十三五”计划开始，中国政府出台了一系列鼓励政策推动新能源汽车发展，特别是电动汽车的发展，经过多个五年计划和规划的努力，到“十三五”规划时期的2018年，中国内地的电动汽车销量突破120万辆，占比降超过世界电动车销量的一半。

伴随着电动汽车近几年的高速增长，电动汽车传动技术也日益引起重视。电动汽车传动系统分为2大类，一类是集中式电驱动技术电机与变速器或减速器直接通过传动轴连接，实现动力传动。另一类是分布式电驱动技术，又可以细分为轮边驱动和轮毂驱动。

乘用车普遍采用集中式电驱动技术，采用单级减速器。尽管电机有比发动机更好的调速特性，但由于单级减速器速比调节范围有限，使动力性、特别是中高速阶段的加速性能受到较大的限制，高效工作区也不能得到充分的利用。为了扩宽传动比范围并提升驱动电机效率，乌克兰Anto nov汽车公司研发了一款3挡的可动力换挡的ET( electric vehicle transmission)，并在NEDC循环测试中，可以提升15%的工作效率。德国的GKN传动公司亦设计出了一款基于同步器换挡的2挡自动变速器，目前已经搭载于混合动力跑车上，大大降低了对前轴电机的性能需求。

在理论研究方面，国外高校做了充分的研究。英国桑德兰大学的Ren等通过仿真研究了单挡减速器、多挡位及无级变速器在不同的循环工况中，对纯电动汽车效率的提升影响。德国达妈施塔特工业大学 Eberleh等针对一款最高转速23 000 r/min的高速电机设计匹配了一款可动力换挡的2挡自动变速器。英国萨里大学的专家教授们以动力性与经济性作为优化目标，针对2款不同的驱动电机优选出了2组不同的传动比，该团队还设计一种新型的单高合器且无动力中断的纯电动车用2挡自动变速器，并研究了相应的换挡控制策略。此外，该团队还联合 Oe rli kon grazia no公司研发了一款将2个独立驱动电机耦合起来的4挡自动变速。虽然通过同步器进行挡位切换，但通过协调双电机的控制实现了动力不中断换挡。韩国成均馆大学的Hong等，针对纯电动车用2挡DCT研究了相应的换挡控制策略，以改其换挡品质。

6 结束语

汽车电动化对汽车传动技术提出了新的要求。为了进一步节能、环保，传统內燃汽车的传动系统需要有更多的挡位、更宽的速比范围、更高的传动效率。在动力电池续航里程和充电基础设施完善之前，混合动力汽车和插电式混合动力汽车是实现汽车节能减排的有效技术途径，混合动力和插电式混合动力构型方案设计和控制技术是关键，方案构型创新和最优能能量管理是国内外研究的重点。为了更好地优化电动汽车动力性，降低电耗和成本，纯电动汽车多挡位自动变速器和集成式电驱动桥日益受到国内的重视，而分布式轮毂电机驱动则是未来纯电动汽车驱动技术的发展方向。