变速器如何迎接电动汽车高效率、高品质的挑战

通过对Drive System Design 、Xtrac、大陆汽车的专家的访谈，论述了电动汽车驱动技术的发展趋势, 包括EV传统系统的精密化、驱动系统集成、共用流体润滑和冷却及多挡变速器等。

编译 | 清新汽车

来源 | Transmission Technology 

International 2018年9月

从高性能的超级跑车到大众市场的掀背车，实用型电动汽车的到来，使得变速器的设计在最近受到了更大的关注，传动系统的安静、平稳运行和能源效率变得更加重要。

“总体上变速器效率是很高的。” 专门做电气化动力系统的公司Drive System Design (DSD)的负责人西蒙·谢波德（Simon Shepherd）说，“ 但是，如果你看看电动动力系统，那里的电机和电子设备在90%的效率范围内，传动在总损失中所占的比例就变得更重要了，它可能是总损失的15%-20%。” 

因此，控制电池组的成本和延长行驶里程是电动汽车设计中的重要因素。与化石燃料汽车相比，即使是小幅度提高变速器效率也会大大提高其重要性。

”同样的重点转移也适用于安静，因为没有了咆哮的引擎，其他的噪音会很明显。“变速器噪音通常令人不快，” 性能传输专家XTRAC的首席执行官阿德里安·摩尔(Adrian Moore)说。“旋转的呼呼声音是可以的，但是一旦你听到齿轮敲击等类似的噪声，那就真的很不愉快了。”为了获得一种非常精确的变速器，需要做大量的工作，特别是当它没有被内燃机掩盖的时候。

“ 然而，这样的挑战很少是简单的。”谢波德说，“在齿轮的宏观和微观几何方面，系统内部存在着权衡，但这也是一个完整的系统问题。”

“这不仅关系到齿轮，还在于轴的设计、轴承、外壳的刚度和相互作用。” 同样，效率的提高也得益于整体方法。例如，摩尔指出，提高转速可以充分提高驱动电机的效率水平，但往往会使啮合齿轮的情况更糟。他补充道：“在电机效率和传动效率之间有一个折衷方案。” 作为这种相互关系的结果，优化不仅必须跨越变速器和驱动电机，而且还要跨越电动汽车的电力电子，甚至其电池技术。

“ 现在，最大的趋势是集成。” 摩尔说，“这意味着我们可以用更少的连接器和电缆来减轻整个系统的重量。

此外，许多故障来自连接子系统。如果我提供一个完整的系统，我可以真正控制完整的测试和标定。” 谢波德同意：“越来越多的电动汽车系统正在变得高度集成，所以它不是变速器、马达和一套电子设备的简单组合。”这些系统正变得高度集成在一个外壳内，非常多地设计在一起。

共用流体

提高集成度可以在工程上提供多种好处。

“在赛车运动中，你让一个部分做两个工作，以减轻整体重量，” 摩尔说，“如果开始把这种想法应用到汽车上，你就能得到一些非常好的解决方案。在电动汽车中有一个非常重的电池组，所以在车辆的其他部件上，降低重量是非常重要的。”

谢波德说，特斯拉和丰田已经开发出一种通用流体来润滑变速器和冷却驱动电机的动力系统。在这个混合系统中增加电力电子是下一个合乎逻辑的步骤。 他预测：“ 一些进入汽车运动的电子设备是更高温度的设备，有可能用油冷却。” 路德维希引用了大陆的类似发展：电机、电力电子和电池都是水冷的，但正在转向油冷电机，还有对油冷电力电子，甚至是油冷电池的一些要求。

这种共用的方式是促使人们更密切地审视润滑油本身的因素。“润滑对效率有很大的影响，”谢波德继续说道，“这会造成很大的阻力，我们已经做了大量工作，模拟和预测损失的影响。我们用清晰的外壳对此进行测试，现在我们正在试验CFD中的一些最新技术来预测搅动阻力。“ 

摩尔描述了XTRAC的类似的研究，“我们有一个完全清晰的变速器台架，它可以在转弯和制动时全速运转，以真正优化变速器的油位，从而使搅动量降至最低。”进一步积极的润滑油管理是可能的。路德维希说，大陆已经建立了一个带有自己的电动泵和过滤器的传动润滑系统。摩尔说：“对这种方法的需求正在增加。我们真的认为润滑油系统需要一些压力。这显然更复杂，但效率提升的效果很好。”

增加转速

从飞溅润滑向加压润滑的转变将被更高的电机速度的趋势所推动。

路德维希指出：“目前，我们正在讨论一些预开发项目，该项目的电机转速将显著超过20,000 rpm，我认为一些电机正在实验室运行，转速为3万至3.5万转。” 他补充称，这样一台电机或其齿轮的突然锁死可能会令人讨厌。他解释说：“转速越高，风险就越高，这确实是驱动对可控润滑的需求。你必须确保润滑是有效的，如果你只依靠被动润滑，你就无法控制它，也就不知道发生了什么。” 

“提高电机速度的动力来自于对效率的整体追求，因为更高的速度可以使体积较小的电机上提供（与大的电机）相同的功率和扭矩，节省重量、材料和成本，以及使安装更容易。缺点是，更高的输入速度会给下游动力系统的其他部分带来问题。” 谢波德说：“你在处理高速齿轮啮合，或者如果你想用多个速比来实现它，那么你就有了一个更复杂的齿轮系统来控制。” 

路德维希继续说：“你需要更多的重量和能量来驱动执行机构，需要更复杂的传动控制，所以你必须把这些与从电机方面所获得的好处进行比较。” 如今，大多数电动汽车都依赖于电机和车轮之间的一个固定传动比。这一共识可能很快就会被推翻，因为多速变速器可以帮助减少电机的大小和保持性能，同时在一个更有效的运行区域运行。路德维希预测说：“我们看到浪潮来了。”

路德维希补充说：“我们已经在和客户讨论2速的方案，有些人要求3速解决方案。” 市场需求首先出现在运动型电动汽车的开发中，在这种情况下，固定速比很难平衡电机效率水平与转矩和速度指标之间的关系。

与之形成对比的是，谢波德说，DSD认为重型电动汽车(如卡车)对多速传动系统的需求最多，它们有自己棘手的扭矩和速度要求。他补充说：“设计一种宽速度范围的电机会损害其峰值效率。作为一名电机设计师和一名电力电子工程师，使用多速技术可以帮助您在较小的范围内集中精力进行操作。如果你使用一个特定的电机，并使用一个多速比的变速器，就可以在一个驱动周期内提高效率。”  

“ 今天，双离合器变速器被广泛认为是多速电动汽车的最佳选择，尽管从长远来看，可能会出现更多奇怪的选择。” 路德维希透露，“我们正在对所谓的磁传动进行深入的研究。” 他描述了在电子控制下启动的带有可变数量转子和定子极的电机。路德维希补充道：“我们还可以在现有的电机上添加一种电磁变速器，在那里，我可以用不同的磁铁进行电子换档，这些磁铁被激活和停用，第一批原型正在实验室运行。我认为这是一个重大的技术变化。”