李红志:新能源卡车驱动技术发展趋势分析

  • 原创
  • 2019-05-18 15:15
  • 来源:电车资源

摘要:5月17日,2019中国(西安)新能源汽车产业生态大会在西安开幕,在新能源汽车整车及关键零部件技术论坛上,苏州绿控中央研究院常务副院长、博士李红志发表了主题演讲。

5月17日,2019中国(西安)新能源汽车产业生态大会在西安开幕,在新能源汽车整车及关键零部件技术论坛上,苏州绿控中央研究院常务副院长、博士李红志以《新能源卡车驱动技术发展趋势分析》为题发表了主题演讲,介绍了新能源卡车现状及发展趋势、纯电动动力系统技术路线分析以及混动动力系统技术路线分析等。

李红志:新能源卡车驱动技术发展趋势分析

苏州绿控中央研究院常务副院长、博士 李红志

以下为演讲主要内容:

一、新能源卡车现状及发展趋势

1.新能源卡车讨论范围

动力系统主要可分为能纯电驱动的混动、插电混动、增程式、纯电动、燃料电池。按动力系统分类,可分为两类:混动、插电混动为第一类,增程式、纯电动和燃料电池为第二类。按卡车车重和大小分类,又可分为微卡、轻卡、中重卡。

2.新能源卡车发展趋势

在油耗法规加严、环保要求提高、常规车限行以及新能源相关技术的进步、成本下降、市场接受度的提升等情况下,新能源化是卡车发展的未来趋势。

目前国内已经有不少新能源卡车,主要是纯电动卡车,比如4.5T纯电物流车、纯电动环卫车、纯电动自卸车。国外也有不少纯电动卡车,如大名鼎鼎的TESLA Semi。新能源卡车根据不同车型、应用场景和用户需求而产生较大的差异化。

对于卡车而言,新能源车的机会主要在4.5t以下的市内物流车、比较拥堵的干线重卡以及特殊用途的车辆,如自卸车、环卫车等。

载重量变大,发动机的能量利用率提升,纯电动相对混动的经济性优势下降。

当车重低于10吨时,纯电百公里能耗费用低于混动;车重超过18吨后,情况相反。

李红志:新能源卡车驱动技术发展趋势分析

二.纯电动动力系统技术路线分析

目前主要的动力系统有:直驱方案、减速箱方案、变速箱方案、电驱桥方案。这四种方案最终都要应对纯电动车辆对于动力系统的三个关键性指标:成本下降、重量降低、效率提升。

1.直驱系统应对更高需求方面:

(1)成本方面

电机的成本与电机的输出扭矩几乎呈正比。受制于传动轴和后桥的主减速器的限制,直驱电机的扭矩无法降低。电机的成本主要取决于内部的主要零部件成本,电机中的定转子冲片磁钢和定子绕组的成本总和占据电机的总成本60%以上,而此三项部件的成本主要是原材料的成本。因此从技术角度方面,直驱电机的成本下降空间非常有限。

(2)重量方面

电机的重量同样与扭矩呈正相关。短期内没有技术可以很大幅地提高电机的扭矩密度。乘用车对电机的峰值扭矩要求的持续时间可以很短。而商用车对峰值扭矩要求的持续时间要更长,至少30秒以上。在峰值扭矩要求不变的情况下,直驱电机降低重量的空间同样有限。

(3)效率方面

目前电机和电机控制器的综合效率,最高约95%左右,提升的空间也非常有限,要综合提升1%的难度很高。

2.减/变速箱应对更高需求方面:

(1)成本方面

采用减/变速箱,可以大幅降低电机的扭矩。例如,当直驱方案采用2500N·m的电机时,采用变速箱方案,若一档速比为2.5,则可采用1000N·m的电机。电机的成本可以大幅降低一半以上,变速箱的成本相对于电机成本低得多,因此综合下来直驱电机要高于电机+变/减速箱的成本之和。同时在输出扭矩较大的系统上,变速箱方案还能降低控制器的要求,同样可以降低控制器的成本。

(2)重量方面

采用减/变速箱,可以大幅降低电机的扭矩,这样也就大幅降低了电机的重量。变速箱作为传递扭矩的部件,重量远低于电机的重量。因此综合重量也是减/变速箱更有优势,而且输出的扭矩越大,减/变速箱的减重优势更为明显。因此采用减/变速箱系统对动力系统的成本降低提供了很大的空间。

(3)效率方面

采用减速箱方案,虽然可以拓宽电机的高效区,但是由于减速箱的能量损耗,因此电耗方面相对于直驱方面没有优势。而变速箱方案可以更好地调节电机的工作点,电耗方面相对于直驱在部分工况下略有优势,但效率提升空间仍然比较有限。因此,减/变速箱方案虽然在成本重量方面有较大的优势,但是效率方面没有很好的表现。

3.电驱桥应对更高需求方面:

(1)成本方面

电驱桥将电机集成在桥上,同样匹配减速机构或变速机构,因此也能大幅降低电机的扭矩和成本。桥本身的成本几乎没有增加,同时省去了动力总成安装悬置、传动轴等部件,因此实现批量规模应用之后,综合成本有下降空间,能做到比减/变速箱方案更低。

(2)重量方面

电驱桥的电机和减速机构在总重量方面和减/变速箱方案相当,同时省去了动力总成安装悬置、传动轴的部件重量。因此综合重量也能做到比减/变速箱方案更低。

以凌特车为例:

李红志:新能源卡车驱动技术发展趋势分析

(3)效率方面

电驱桥外的其他构型,都必须有螺旋伞齿主减,效率较低。而电驱桥换成圆柱齿轮传动后,仅主减一项,大约提高效率3~4%。因此在提升效率方面,电驱桥的提升空间很大。

4.总结:

综合以上分析,直驱方案在满足未来需求方面,可以提升的空间很有限。减/变速箱方案在重量和成本方面较有优势,但是效率提升空间有限。电驱桥方案在成本、重量和效率方面都有较为明显的优势。

绿控认为,纯电动卡车总体的发展技术路线为:

李红志:新能源卡车驱动技术发展趋势分析

(1)电驱桥的劣势:簧下质量问题

说到电驱桥必然会想到簧下质量的问题,这对车辆驾驶性能来说是比较大的劣势。

1、电驱桥增加的重量,通过采用高速比的减速机构,可以控制在较小的范围之内。以13吨电驱桥为例,常规桥的重量为1000kg左右,电驱桥约为1100kg左右,增加重量不大。

2、未来几年之内,纯电动卡车还是以城市内运营为主,城市内道路条件较好,簧下质量的增加影响程度较低。

因此簧下质量问题不会成为制约电驱桥发展的瓶颈。

(2)纯电动卡车发展的路线

不同车型的发展情况:

在2.5吨以下的物流车上,已经经历了从直驱到电驱桥的过程。

在3.5-4.5吨级的卡车上,直驱、减速箱和变速箱系统都已经有大批量的应用,减/变速箱的应用逐渐增多,其中变速箱以2档变速箱为主。电驱桥也已部分实现小批量应用。预计在一两年内电驱桥会有大批量的应用。

在6-18吨的卡车上,由于直驱电机扭矩和转速方面的限制,目前主要是变速箱的系统(4-6档为主),有少量的直驱电机,电驱桥也是带变速箱的电驱桥(例如比亚迪渣土车的电驱桥)。预计两年内电驱桥会实现大批量的应用。

在18吨以上的卡车上,几乎没有直驱电机的应用,主要是变速箱系统(6-8档为主),不少厂商也开始尝试电驱桥。

三.混动动力系统技术路线分析

根据电机的位置不同,混动技术路线分为P0、P2、P4、PS以及P1+P3组合5种混动构型。

李红志:新能源卡车驱动技术发展趋势分析

1.混动卡车技术路线——不同构型分析

(1)P0构型:

收益可实现发动机驻车启停功能,有效减少驻车怠速油耗。在成本上,BSG电机通常较小,成本增加少,整车改动小。局限性是几乎无其他性能收益。

P0构型建议场景:适合停车怠速时间比例大的车型,如城建自卸车。还适合整车改动空间有限的如常规车基础上的简单升级款车型。

(2)P1构型:

收益相比P0构型增加了加速助力功能,等同于提高了发动机马力,并具备一定的制动回收功能。成本上,ISG电机通常不大,电机成本不高,并且可以和手动挡变速箱搭配使用。

局限性存在以下几个方面:无电机起步能力,依然存在半联动起步高能耗问题;无行车启停能力,依然存在行车怠速油耗;制动回收能力受限,当车速下降至需要分离离合时,制动回收退出。

P1构型建议场景:适合需求进行动力强化的牵引车以及短期无法切换为自动变速箱的车型。

(3)P2构型:

收益可完整地实现各项混动功能,包括纯电起步、加速助力、行车启停、制动回收,提高经济性、动力性和舒适性。成本上,ISG电机通常比P1构型大,成本相对P1构型高,但可以根据实际需求进行具体选型。P2构型的局限性是其必须匹配自动变速箱。

P2构型建议场景:(1)适合频繁起步停车,怠速时间长,节油空间大的车型,如城建自卸车、矿用自卸车。(2)适合大载重,长里程,油耗基数大,且对动力性有需求的车型,如干线牵引车。特别是在经济发达、高速较为繁忙的地区,以及上下坡较多的干线上有显著的油耗优势。

从国外混动卡车的应用情况上来看,如沃尔沃、奔驰、雷诺等,基本以P2构型为主。

(4)P3\P4\PS构型:

收益方面,具备加速助力、制动回收功能,对换挡平顺性有改善。成本通常高于P2构型。

P3\P4\PS构型存在以下局限性:(1)由于重卡的整车质量大,在没有变速箱增扭情况下,P3\P4\PS构型的驱动电机基本无法覆盖扭矩需求,因此加速助力和制动回收能力极为有限,由此带来的动力性和经济性提升不明显。系统整体性价比低,不推荐采用P3\P4\PS电机方案。(2)仅适合皮卡、轻卡等车重较轻的车辆。

(5)串联构型(增程式):

在收益上,可大幅度减小发动机,发动机只在部分时间工作。成本上,双电机的方案,驱动电机通常较大,和混动相比成本偏高,略大的车型跟纯电动相比成本较低。

串联构型(增程式)的局限性有:(1)存在发电机成本和系统平均功率需求的矛盾,如果传统卡车的发动机负荷率很高,那么发电机的功率需要相应增大。(2)存在驱动电机成本和系统动力性的矛盾。如果要保证动力性,驱动电机的额定功率需要和传统发动机的功率相当,重卡上应用需要300kW以上,成本高。

串联构型(增程式)建议场景:适合有充电条件的用户,如码头低速牵引车、市内4.5T物流车(在日均里程较短而车子续驶里程需要保证的应用场景下,增程物流比纯电物流更合适)。

2.节能使用角度

不同的混动构型,从节能角度看,不管是哪种构型最终都回到节能使用上,主要有以下实现的途径:

李红志:新能源卡车驱动技术发展趋势分析

(1)电机起步:取消传统车的离合半联动起步过程,避免离合滑磨损耗。

(2)发动机工作点优化:通过AMT智能换挡策略,合理选择挡位,让发动机工作在经济转速区间。

(3)发动机怠速停机:长时间停车等待时,将发动机主动熄火,减少发动机怠速燃料损耗。

(4)制动能量回收:采用电机制动,将车辆动能转换为电能储存到电池中,供电机驱动使用。

(5)动力性方面,主要通过电机助力来提高车辆加速能力,通过电机起步来缩短起步时间,从而提高运营效率。

3.混动重卡技术路线

动力系统的技术发展路线是一个逐步推进的过程,针对不同的车型,推进的时间会有不同的情况。

混动重卡的路线预估以P2构型系统为主要技术路线逐步推进,短期内P0、P1构型方案并存,部分特定场景下,采用串联等其他构型。

(1)混动重卡技术路线——P2构型的典型应用

通过电机制动回收和电机起步,减少机械制动损耗,并取消离合滑磨损耗,满载时可降低发动机输出能量69kWh/100km,节能26%以上。

在加速时间方面,0-50公里加速传统车需要30秒,而混动重卡只需约20秒。在爬坡能力方面,传统车最大爬坡度约40%,混动重卡则大于45%,同等坡度上,混动重卡的最高车速更高。

李红志:新能源卡车驱动技术发展趋势分析

李红志:新能源卡车驱动技术发展趋势分析

(2)从经济性、动力性、实用性角度看P2构型的典型应用

a.经济性:更高的收益与更快的成本回收。

●PHD为渣土自卸车每年节省油费11万元里程越多,节省越多。

●PHD新增成本不到15万元;用户可以在1.5年内收回新增成本,且之后每年有11万元收益。

●若考虑新能源政策补贴,购置税免除+电池补贴在7万元以上,则1年内即可收回新增成本。

b.动力性:更强的动力与更高的运输效率。

●PHD起步扭矩2100Nm,高于传统车发动机峰值扭矩相当,起步能力更强

●PHD起步无离合半联动过程,起步更快,每次起步时间缩短3-5秒

●PHD具备电机辅助加速功能,0-50kmph加速时间相比传统车可以缩短30%,平均车速高,运输更高效

c.实用性:更轻松的驾驶,更高的出勤率。

●PHD自动控制离合、自动控制挡位,大幅降低司机的劳动强度,可以提高司机的连续工作时间。

●PHD采用电机起步,避免了离合半联动起步对离合的磨损,离合寿命更长,降低维修保养次数。

●PHD在减速时,采用电机制动回收,大幅降低刹车片的磨损,提高刹车片的寿命,减少更换次数。

来源:电车资源

版权声明:本文版权为电车资源所有,转载请务必注明来源(电车资源)及作者。


电车资源微信二维码

扫一扫,关注 电车资源 微信公众号,更方便获知每日精彩推荐

网友评论文明上网理性发言,请遵守评论服务协议
账号登录注册后参与评论

技术文章 动力电池冷却方案及应用实例

在电动汽车中,冷却系统主要分为两部分:一是对动力系统的驱动电机、车辆控制器和DC/DC等部件冷却,二是对供电系统的动力电池和车载充电器冷却。本篇探讨动力电池冷却系统。
关键字: 动力电池 冷却方案
2019-07-16

技术文章 一文看懂电驱动(电机+控制器)系统应用技术

一图看懂电驱动(电机+控制器)系统应用技术
关键字: 电驱动
2019-07-15

技术文章 新能源车电机电控应用技术分析

新能源车电机电控应用技术分析
关键字: 新能源车 电机电控
2019-07-10

技术文章 浅谈如何为高比能锂离子电池设计快速充电制度

我有一个梦想:“有一天我能设计一款同时具有快充、高比能和长寿命特性的锂离子电池!”,在目前的技术水平下这几样特性很难做到同时兼顾。
关键字: 高比能 锂离子电池
2019-07-10

技术文章 蔚来汽车召回原因的探讨

蔚来汽车发布了召回公告,宣布对涉及安全隐患的4803辆ES8进行召回。此次召回的原因是NEV-P50型模组内的低压线束存在磨损,短路的风险,这也是蔚来针对上海地下车库自燃事件的调查结论。
关键字: 蔚来汽车 召回公告
2019-07-08
电车资源2019年活动排期
关闭
东风俊风纯电动物流车秒杀