直驅、輪邊、輪轂——新能源客車電機進化之路
驅動電機作為新能源汽車的三大核心部件之一,相比傳統工業電機,無疑有著更高的技術要求。如何讓這顆“心臟”在汽車的整個運行壽命里始終強勁有力,是電機專家和整個行業長期思考、不斷進步的重要工作。
前言
2017國家發改委一號文件《戰略性新興產業重點產品和服務指導目錄2016》中,關于新能源汽車“電機電控”部分重點提到了“用于驅動或發電的高效電機,輪轂電機,輪邊電機”,這意味著目前廣泛使用的中央直驅電機、剛進入市場不久的輪邊電機、還未開始市場化的輪轂電機都進入了“指導目錄”。
那么直驅電機、輪邊電機、輪轂電機以及相應的動力總成系統各自是什么特點,市場應用以及未來發展情況到底如何?
為此客車網先后采訪了多名汽車電機行業專家,聆聽他們對行業的思考和探索,同時深入調研中國新能源客車電機企業的最新技術和前瞻研發,歷時一月有余,三易其稿,匯總成文。感謝下列專家接受采訪,并為本文提供專業指導和寶貴意見:
電機如同汽車的心臟和大腦
關于電動汽車的“三電”,最形象的比喻為:電機是心臟,電控是大腦,它們把動力電池產生的電能像輸送血液一樣,輸送到整車和每一個零部件。
因此,電動汽車的發展不能僅僅集中在動力電池上,做好汽車的核心電機系統總成和整車控制更是至關重要。國家“千人計劃”專家、“十三五科技發展規劃”中“電機系統與電力電子”起草者、《中國制造2025》節能與新能源汽車技術路線圖多個章節主筆人蔡蔚對客車網說:“因為電驅動系統是電動汽車真正的核心,正如傳統汽車的內燃機發動機、變速箱一樣,它決定了汽車的品質。”
實際運營當中,即使搭載的動力電池優質可靠,也會隨著使用年限,產生不同程度的衰減,因此,在同樣工況下,要維持電機正常輸出,保證整車系統性能,必然伴隨著三電系統損耗增加。
但如果采用高效電機和電力電子控制器通過優質控制算法和軟件,可以一定程度上減少電池用量,也可以改善因使用年限產生的電池性能衰減——這是“三電”之間的關系,也是選擇優質電機的原因——蔡蔚如是說。
很多公交公司抱怨電動客車續航里程一年比一年短,人們常常把這種情況全部歸結于電池性能衰減。但真實情況是,如果使用了劣質電機或其他傳動系統部件出問題,也可能造成里程衰減。
舉例來說,某公交公司2014年下半年投入使用一批純電動客車,當時261度電的標準續航里程150公里,剛開始運營狀況良好,甚至可以達到170公里。到2017年,同樣這批車,同樣的充電量以后,每充滿一次電卻只能跑70公里,更換新電池后也只能達到90公里。經查實,這批車主要是被劣質電機拖累所致。電機專家表示,如果配置質量可靠的電機,就不可能出現這類問題。
從“異步電機”到“永磁直驅電機”
據有關機構統計,截止2016年底,我國永磁同步電機、交流異步電機和開關磁阻電機實現了系列化,產品的功率范圍覆蓋200千瓦以下整車的動力需求,轉矩范圍覆蓋450-3500Nm,主要指標達到國際先進水平并試下了大批量生產
據悉,早期推廣階段的電動客車,主要以異步電機(也叫感應電機)作為電動機使用,但由于異步電機需要產生激磁電流,導致附加了激磁損耗,再加上轉子電阻損耗,異步電機效率明顯低于永磁同步電機。
國家“千人計劃”專家、精進電動科技股份有限公司董事長余平認為,截止2016年,高效的永磁直驅電機在客車領域已經基本取代了異步電機,成為了絕對的客車驅動主流。永磁直驅電機有降低電耗、降低運營成本、降低電池成本的優勢。
國家863節能與新能源重大項目總體組電機專家、上海電驅動股份有限公司總經理貢俊告訴客車網:從異步電機到永磁電機,宇通為行業起到了重要的引領作用。
據客車網了解,永磁電機的磁鋼性能是核心,磁鋼等級是關鍵,磁鋼選擇和設計是決定電機效能以及抗去磁性的關鍵之一。磁鋼成本占電機有效材料成本的20-30%,由于永磁電機的特征,劣質電機效率的衰減對電能的損失和續航里程影響較大,尤其是那些偷工減料、技術不過關的電機。
業內曾有企業過分減少有效材料來降低成本,然后調整控制器參數蒙騙整車企業和終端用戶,導致劣幣驅逐良幣。當新能源客車補貼退后,這種惡性競爭愈發抬頭。
從“永磁直驅電機”到“雙電機直驅”
眾所周知,當電機越來越輕量高效,動力電池可以相應少裝一些,整備質量也就能進一步實現輕量化。
在運營過程中,用戶和電機技術專家發現,常規單電機直驅逐漸表現出高坡度區域爬坡力不足、中高速性能不足,在重量、成本方面也有不足。據某客車企業技術人員介紹,該問題被精進電動獨有的“非對稱雙電機動力分配系統”解決:即把一個大電機(低速區高效)和一個小電機(中高速區高效)結合起來,使得系統在更加寬廣的工況區中有更高的效率,在實現高動力的同時,進一步改善能耗。據介紹,這一技術比同級別的單電機系統電耗水平降低5-10%,效能明顯提升。
雙電機直驅近些年陸續在電動客車上應用,當使用偏置門式橋的時候,電動公交車也可以很好地實現低地板,滿足了廣大公交用戶的需要。
余平對客車網表示,中央驅動方式對傳統的整車設計沖擊較小,而且可以調整成多種多樣的驅動方式,如單電機直驅、雙電機直驅、變速方案、減速方案、混動(含增程式)方案,而后文提到的(輪邊或輪轂)驅動方式缺乏這些靈活性,限制了產品的普及和發展。
余平認為:無論是從傳統零部件搭載,還是生產規模經濟效益來看,中央集中驅動電機是未來客車市場的主流,這個時間至少要持續3-5年。
(也有專家認為,“中央直驅”表述不如“集中驅動”更科學,因為直驅電機也就是集中驅動。本文兩種說法均采納)。
從“集中直驅”到分布式“輪邊電機”
當中央直驅電機(集中直驅)已經廣泛被客車用戶所接受的時候,部分用戶悄悄把眼光看向了更高處:一方面電動客車對整車輕量化的需求越來越強烈,另一方面公交車需要更大面積的低地板,輪邊驅動電機應運而生。
輪邊電機可以讓傳動系統進一步減重瘦身,取消了客車 “后牙包”,實現了前后貫通低的地板,其獨立懸架可以使公交車實現寬通道——部分公交公司的目光立即被吸引住了。
2014年起,比亞迪裝載輪邊電機的客車在國內問世,其后在南京、杭州、深圳等地推廣,受到了廣大公交公司的歡迎。藉此,比亞迪客車品牌在業內迅速滲透。目前搭載輪邊電機的K9已經有數千輛公交車在運行。
據長期從事輪邊電機技術研發的成都聯騰動力控制技術有限公司董事長史迪新向客車網介紹,采埃孚是國際上第一家電驅動車橋的輪邊電機,最早在沃爾沃客車上應用。其后,國內陸續有比亞迪、長江客車(五龍公司),中植客車帶獨立懸架輪邊電機的客車進入公告目錄,宇通也在研發生產輪邊電機,應該很快進入公告。
輪邊驅動,在應用于汽車之前,其實更多的是應用在地鐵和高鐵上中國稱雄世界的先進技術,時速380公里的高鐵,使用的就是輪邊電機。客車網關注到,在2016年下半年,比亞迪推出的云軌商用車上,應用了自主研發的輪邊電機技術。
資料顯示,比亞迪云軌的輪邊電機技術,在體積、重量、扭矩、精度、噪音以及全壽命周期養護費用層面進行有效的平衡,其技術全部自主研發、自行生產的輪邊驅動電機,采用永磁同步技術,電動機直接驅動行走機構。
據史迪新向客車網表示:輪邊電機的技術要求比其他驅動電機更高一些。輪邊電機居于簧下,需要更好的抗振性和密封性,還要以較小的體積、較低的重量獲得足夠的扭矩、低噪音、低發熱,設計難度加大,實用驗證時間不如中央直驅電機,市場還需要給輪邊電機更多的時間來驗證。
但隨著輪邊電機的規模化產業化,我們相信,輪邊電機的成本會逐漸降低,這對中國電動客車的技術進步和輕量化意義重大。
“輪轂電機”市場化路在何方?
當搭載輪邊電機的新能源公交車還在市場化進程初期,各公交公司負責人和客車企業技術員還在研究探索中,一種將電機裝在輪轂上的分布驅動方式也出現了,那就是輪轂電機。
2016年底,天津天海同步集團旗下子公司湖北泰特,讓荷蘭一家歐洲最大的新能源汽車輪轂電機生產商的技術姓了“中”。該公司董事長呂超長期從事變速器、電機研究,他向客車網表示,新能源汽車動力系統發展分為三個階段,第一代是中央電機集中驅動技術,第二代是輪邊電機技術,第三代是輪轂電機技術。
據介紹,與前兩代技術相比,輪轂電機技術具有更加高效、節能、輕量化、小型化等諸多優點,能有效解決新能源汽車成本、降低整體能耗等問題,是最直接、最高效的驅動方式,是未來的應用趨勢。
呂超和他的技術專家們認為,從技術發展角度來講,輪轂電機是將來傳統汽車或者電傳動驅動發展的一個方向。這種技術使汽車由中央式驅動改為分布式驅動,省掉變速器、傳動軸、差速器等傳動部件,將動力、傳動和制動裝置整合到輪轂內,實現了新能源汽車發動機、變速機的一體化,從機械驅動轉為電驅動。
呂超表示,輪轂電機一旦在公交車、乘用車或轎車上大規模的推廣應用,它對整個傳統行業是一個革命性的沖擊。輪轂電機一旦放在12米客車上,傳統整車一些配套設備都會被取消。目前,荷蘭公司的輪轂電機已經在歐洲國家的大巴、公交車上應用。
但也有人認為,從整車的控制角度,從輪轂電機本身,從一體化的執行實施等方面,輪轂電機將涉及機、電、熱等很多技術難題,只有把所有的問題解決以后,輪轂電機才能真正在公交車或者在商用車上得到應用,到那時,輪轂電機的市場化方向才能看得清楚。有被采訪者認為,這至少需要3—5年的時間。
“驅動電機動力總成”中國市場布局
天下大勢,分久必合。不論哪種技術路線,業內大咖普遍認為最終的方向就是“集成”。作為國家永磁同步電機行業標準第一起草單位的負責人,貢俊表示:從整機廠需求來看,國外大佬都往總成化走。不同的動力系統構型都可以實現總成,包括商用車電機變速箱總成、雙電機總成等,當前乘用車動力總成系統也在探索是否可以在客車里面做應用。
據貢俊介紹,目前帶減速器的高速電機總成(轎車的標配),或帶自動變速器的永磁電機系統,可以比現有的驅動電機效率更高。
(清華大學汽車研究院)蘇州新能源汽車研究所所長、蘇州綠控傳動科技有限公司董事長李磊告訴客車網:當前國內客車已經市場化的動力總成主要有中央直驅、電機加變速箱、電機加減速箱、輪邊驅動橋和中央電驅橋。輪邊驅動橋需要兩套電機和電機控制器,成本較高,且電子差速控制較為困難;電機加減速箱的方案難以同時兼顧輸出扭矩和車速的要求。因此這兩種動力總成市場推廣的不多。
應用最為廣泛的是中央直驅和電機加變速箱的方案。中央直驅方案結構簡單、可靠性高,但是重量較重,如果是用于車速要求較高的公路客車,能耗也較高。8米以上客車直驅方案成本也較高。電機加變速箱的方案,爬坡度更高、重量更輕、電耗較低、成本較低,且其輕量化優勢和成本優勢在更大的車型上更明顯。
李磊認為,綜合來看,8米以下客車中央直驅的方案更具競爭力,而8米以上的客車比較適合用電機加變速箱的方案。當然由于電機的高效區較寬,變速箱一般采用兩檔箱即可。中央電驅橋特別是帶兩檔的電驅橋因為取消了傳統的主減速器,可以明顯的降低電耗,在8米以下客車上有較好的應用潛力。
據了解,目前國內的客車用戶已經普遍能接受更高效的電機動力總成系統,只不過具體到性價比和技術差異化,還需要進一步培訓用戶(培養市場)。
未來趨勢:輕量化+終生免維護
我們現在面對的是一個2800萬輛的市場,這是世界上最大的市場,也是世界上最多元化的市場,技術發展不會止步,市場呼喚更好性能、更高效率和更優成本的電機系統。
蔡蔚提出,未來電機的發展方向,一是高效、輕量、高性價比,二是實現電機安全、可靠、耐久和終生免維護。
其實,這不僅是未來發展方向,也是上述多位被采訪者及其企業正在努力,并且已經部分完成的工作。
客車網發現,客車行業“全生命周期”采購成本概念,之所以能被廣大公交公司迅速接受,這客車行業及相關產業鏈所有技術人員和企業家們長期不懈地努力密不可分。也正因為如此,中國客車的影響力在全球與日俱增。
后記
在本次調研之前,筆者與很多公交行業人員一樣,忽略了電機和電驅動系統對客車性能的作用,以為只有動力電池才是新能源客車最核心的零部件,動力電池完全能決定客車行駛里程。經過本次調研,我們才知道,只有電機和電驅動系統的技術不斷創新,與其他核心零部件共同進步,新能源客車才能更好地為廣大人民群眾服務。
限于筆者水平和專業知識的不足,文中不足之處在所難免,敬請各位讀者朋友和專業人士指正。(再次感謝蔡蔚、余平、貢俊、史迪新、呂超、李磊等專業技術人員接受采訪,并為本文多次修改訂正。此外,還要感謝湖北省汽車工程學會副秘書長雷洪鈞、精進電動副總裁李紅旗對本文的貢獻。)
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