新能源动力传动系统的开发解决方案

摘  要

动力传动产品上市时间的缩短，在空间、重量和成本的缩减与功能，性能与经济性需求提高之间的平衡是更新发展战略的重要发展因素。

本论文为完整的开发流程提供了最佳的解决方案。论文首先描述市场的挑战以及因此产生的原因。第二部分将讨论更新要求的概念寻找过程，在概念寻找后便是开发阶段，由此提出模块化开发策略。在介绍测试和验证阶段，将展示几种解决方案。智能定制化的载荷谱在日益增长的测试中变的越来越重要，为了完成这些测试，对于测试设备的要求也会有提及。在论文的最后，我们将对提出的几种针对新能源动力传动系统的开发解决方案进行总结。

介  绍

目前汽车企业包括吉泰德国有限公司以及其在中国的子公司（吉泰车辆技术（苏州）有限公 司）正面临着的市场挑战，正是在空间重量和成本的缩减与功能，性能与经济性需求提高之间保持平衡。图1为市场挑战的情景图。


图一：市场挑战

有三个主要势力推动着市场：汽车行业，政府以及客户。

对于汽车行业而言，缩短上市时间是一个非常重要趋势。空间与重量通常十分关键，因为新的产品开发需要适应现有的车辆平台，并且必须达到性能和经济性的要求。

全世界政府，尤其是中国政府发布的法规越来越严格，支持也逐渐减少，来自竞争对手的压力也在逐渐增大。

此外，客户在环境意识，成本，质量方面也变得越来越重视，对新的技术也更感兴趣。在接下来的章节中，将展示新能源动力传动系统开发的解决方案。

概念寻找

克服上述提及的市场挑战首先要有一个好的概念设计。由于种类越来越多，寻找概念本身就成了一个挑战，正如图2所示。车辆类型、使用要求和给定的边界条件是概念寻找的一个好起点。


图二：概念寻找

如果基础定义的好, 档位, 齿轮的布局以及电机的集成概念和软件概念就可以确定下来。开发与新能源相关的特供变速器是一个新的趋势。这意味一方面必须开发用于电机的变速箱，另一方面则是需要复杂的混合动力变速箱，其结合就例如P1和P3的配置。这一系列复杂的混合动力变速箱也称为“DHT”–“专用混合动力变速箱”。这些DHT没有电机就无法当作“独立” 的传统变速箱，因为像反向驱动只能通过电动机来实现。DHT与减速器变速箱都需要定义必要的档位。因此， 我们开发并使用了模拟和计算模型. 图3和图4显示了DHT和减速器变速箱与“EDS”–“电力驱动系统”的电机组合的结果。


图3：变速箱档位– DHT经济性与性能

图3是模拟和计算出的DHT传动配置的齿轮组。例如，发动机使用的最佳比耗为245 g/kWh。深蓝色区域代表发动机最佳运行区域。很明显，发动机的油耗区在所有驾驶条件中随着档位而增加。另一个积极的方面是，随着档位的增加，标称性能和峰值性能区域同样也在增加。对于上述DHT样品的应用，4速为最佳。 这些图形也为EDS（电子驱动系统）创建，如下图4所示。


图 4: 变速箱档位– EDS经济性与性能

电机的效率对于EDS是有影响和意义的。目前关于变速器的未来有很多种讨论，但是我们有很多理由可以明确的表示，变速箱在未来不会被淘汰！

图 4 就展示了强有力的论据。以一个档位为例，必须很好地权衡性能（加速/爬坡/最高速度） 和最佳系统效率，但这意味着巨大的妥协。使用两个档位后，结果就会发生很大变化，性能和效率在整个运行区域内均匀分布。三个档位在运行区域内就会带来更好的效率。通过对比三档位带来的效率提升和其研发应用所需的投入，我们得出结论，在这种情况下，研究 2 速 EDS 是最佳选择。

从我们的角度来看，由于对电动机速度的需求不断增加，以至于不仅对电动机还对逆变器的要求也在迅速增长，这也是研究更多档位EDS进一步的限制因素，这也最起码加强了2速EDS的合理性。

开  发

开发过程中面临着一系列挑战。硬件组件的选择就比传统变速箱具有更多的种类。就电机而 言, 电机需要有好的发展并且许多开发目标需要加以考虑。例如，绕组的技术需要从技术角度并且同时从生产角度去分析。并非每个供应商都有生产发卡的技术。通过定义系统软件，与车辆制造商一起定义功能和责任也很有必要。运用该软件，尤其是对于混合动力控制系统，需要考虑几种不同的驾驶模式。必须调整和优化从一种模式到另一种模式的所有切换以满足客户， 同时也要开发和标定新的功能，如动力辅助和航行。

就拿航行模式来说，这是必须掌握的新挑战。从普通驾驶模式进入航行模式并不是一个大问题，但是如果驾驶员希望再次加速，则变得困难。一方面，响应时间必须最小化，另一方面， 驾驶员在发动机速度增加期间不应感觉到失速并且离合器接合也必须非常流畅。这就需要在软件优化和标定工作上付出巨大努力。特别是需要开发，模拟和校准低级软件功能和适应策略以支持高级功能。

图 5 显示了开发概况。从硬件组件筛选开始，然后在开始第一次模拟之前进入硬件和软件进行系统开发。仿真结果可作为软硬件开发和优化的进一步输入。完成此循环后，便可启动硬件样机的制作。


图5：开发概览

与传统变速箱相比，电气化水平不断提高，传动系统的整体效率也需要进一步优化。但是性能和成本水平必须也要有很好地平衡。要克服这些挑战，优化发展战略势在必行。因此，我们正在开发基于模块化策略，如图6所示。


图6: 模块化开发方法

此模块化开发策略的目标是为不同的变速箱类型（如DCT、DHT和EDS）开发变速箱系列。所有这些变速箱系列都必须尽可能多地使用组件库中的组件。组件库中包括电动电机、旋变、双离合器模块（DCM）、液压控制模块（HCM）、泵（电气和机械）、驻车、过滤器、同步器、轴承等。好处是许多部件都已存在，不需要进一步的开发，从而降低了成本和时间。还有一个进一步降低成本和时间的因素就是所有部件已经过测试，不需要进一步的测试。测试时间和成本也可以显著降低，从而使上市时间也显著缩短。由于开发测试台架的可用性更好，因此新开发组件的剩余开发测试更容易进行。

因为变速箱的种类异常增加，使得用这种模块化的开发策略是非常必要的。如果没有至少两倍的组件，那么开发这种广泛的变速箱将永远不会有利。

测  试

如上文所述，由于总体验证测试变得越来越复杂，许多不同的变体必须进行测试，因此必须通过使用通用部件，来尽可能减少组件开发的测试工作。因此，定制的载荷谱是尽可能少地进行测试的合适解决方案。

共享汽车等车辆的新要求也影响了测试周期。小型车比以前使用得更频繁，同时由于是完全不同的驾驶员驾驶，他们对车辆的关心程度不如“私人”客户。

总体目标是开发 “理想设计”，并通过适当的耐久测试来测试该设计。如果客户使用情况完全明确，那么很容易开发出合适的设计。通常有很多都不清晰，为了消除这类情况，解决方法是道路载荷数据的测量和评估（参见图7）。

在道路载荷数据处理过程中，特定道路上的驾驶情况与可比较的车辆与可选择的驾驶员一起进行测试。这些测量是混合数据和构建“最关键”驱动程序的基础，通常覆盖所有驱动程序的9x%。我们可以对定制的测试周期进行编程和测试。


图7：载荷谱开发

图8展示了载荷谱开发的一个案例。在这个案例中，目标里程是300000公里，重点是离合器能量。道路条件分为城市、公路、农村、山区和极端条件。每个条件有3种不同的能量等级。在下一个步骤中，将定义“N”个典型的驾驶员，每个驾驶员将结合5种路况和3个不同部分的能量等级的特征，总数为N x 35 = N x 243。为了确保考虑到所有可能的驾驶员类型，我们采用等概率随机生成N（上百万）个不同的驾驶员。结果得出一个统计曲线，显示了所有可能的驾驶员组合和使用寿命期间的离合器能量。为了找到合适的设计和测试方法，将使用9x%的方 法。否则将会属于过度设计（参见图8）。

过去我们多次采用这种方法，都取得了很好的效果。此方案支持设计和测试。例如，关于离合器能量而言，可以看出过去的标准设计与配备涡轮增压发动机的车辆（SUV）的重量增加和导致更多停车和行驶的严重交通拥挤。在过去的几年里，离合器上的总传递能量显著增加。


图8 : 道路谱开发——案例

除载荷谱外，新能源开发和测试需求的增加对测试设施的要求也在迅速增加。典型的驱动因 素，如上市时间、效率、成本和不同应用的数量，结合高性能、不断提高的质量要求、高技术产品等，都对高性能测试台有需求，如图9所示。这些台架必须配备大量的额外设备，如环境仓、电流测量系统、电池模拟器、遥测等。


图9：验证设备

如今，通常需要高达18000rpm的台架，这需要一个高速电机之外还需要一个驱动系统，以便在所有条件下一所需的速度和所需的功率运行该电机。

随着新开发电机的性能，电池模拟器所需的功率也在增长。因此，我们的方法是并行组合系统，此解决方案也已成功运行。

总  结

以上几页讨论了新能源传动系统开发的几种解决方案。市场的挑战是在减少空间、重量和成本以及提高功能、性能和经济性要求之间进行权衡。

吉泰德国及其在中国的子公司（吉泰车辆技术（苏州）有限公司）制定了许多措施和方案来应对这些挑战，且这些方案也已成功应用。如图10所示，中国的速度加上德国的质量是基础，围绕着这一点，两国的优势相互补充，亚琛技术中心和全球合作正在支持中国的本土化发展。结合模块化开发战略、定制化、自主开发的DVP和中国的本土化测试能力，保证了吉泰在中国本土市场发展的成功。


图10：新能源传动系产品开发的解决方案



作者：Dipl.-Ing. Dipl. Wirt.-Ing. Joachim Trumpff
工程与测试总监 GETEC Getriebe Technik GmbH, Germany