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本文是根据8月8-9日在青岛举办的第十四届国际汽车变速器及驱动技术研讨会（TMC）现场聆听材料整理而成。 总目录 第1章 电驱动系统技术发展趋势概述 第2章 驱动电机 第3章 减速器和多挡箱 第4章 控制器和碳化硅 第5章 电驱动总成 第6章 混合动力 第7章 商用车电驱动 第8章 电驱桥和轮毂电机 第3章 减速器和多挡箱 3.1 多挡化的需求和优势 3.2 带离合器和同步器的多挡系统 3.3 扭矩矢量和断开系统 3.4 无离合器和同步器的多挡变速箱 3.5 电驱动轴承 3.6 非对称齿轮 3.7 法雷奥电子油泵 3.1 多挡化的需求和优势 电驱动的发展方向，一是更高的功率、扭矩密度，更高的极限输出转速，更高的系统效率，更低的系统成本，更高的NVH性能，这样的背景诞生出了非常多元化的细分的技术路线，比如说高速化、油冷、高压化、断开装置、双电机、SIC、励磁，等等。
多档可以增加扭矩，同时提高了车辆的速度，增加的扭矩把电机变得更小一点，这样可以减少损失，同时实现更高的效率。通过配备两档之后，不仅可以增加在低档的最大扭矩还可以提高最高的车速，可以优化电机的最佳的高效区间，同时增加续航里程。 多档化是一个好的技术方案，比如两档变速箱在低速档的时候把速比做大一点，加速时间、爬坡性能会好一点，高速档的时候可以把效率做高一点，所以在一些性能车做一些多档的解决方案。但是随着电机转速越来越高，可以把速比做大一点，并且随着碳化硅这些技术的应用，多挡的整个差异化也不是我们想象的那么明显，所以有一部分企业的选择就是用高转速电机或者用碳化硅技术来做这些性能车，这样也能达到同样的效果。
从控制角度来讲，电机的响应快，多档在档位切换过程当中有时间的损耗，加了一个档位之后又要在换档过程当中去解决这些问题，这个时间怎么平衡，或者怎么把它做得更快一点，这是需要去考虑的一个因素。 随着电机性能的发展，现在电机效率带宽已经做得非常宽了，如果我们要是进攻德国市场，多档的确是有需求的，因为他最高车速需要做到250公里甚至更高，这样单档很难覆盖住低档的加速性能和高速油耗，但是在中国的工况情况下面目前电机的发展来说，单档已经可以满足中国客户基本的需求了。
六个维度总结一下多档化的优点： 第一：降低电机的性能需求，一档的大传动比可以减少电机最大扭矩和峰值功率，二档小传动比可以降低电机最高转速，降低对驱动电机的性能需求。 第二：提升整车动力性，采用相同电机，一档大传动比可以提升加速、爬坡性能、二档小传动比可以提升最高车速，提升整车的动力性能。 第三：提升整车的经济性，通过对两个速比以及换档规律的优化，可以改善电机运行的效率，提升整车的经济性增加续航里程。 第四：改善NVH及可靠性，二档小传动比降低了电机最高转速，降低驱动系统高频啸叫和高速振动，提高整车品质，改善NVH性能，同时改善高速旋转件失效风险。 第五：匹配油冷扁线电机。降低了电机峰值转速需求，规避扁线电机高速集肤效应，充分发挥油冷扁线电机的技术优势，极大地提升电驱动系统和功率密度。 第六：降低系统成本。若保持相同的动力性及经济性需求，通过降低电机性能需求及电池容量，可降低系统成本。 3.2 带离合器和同步器的多挡系统 博格华纳现在的两挡系统结构方面分为两部分，一档系统通过多模式离合器来进行换档操作，二档系统是通过湿式离合器进行操作，同时为了提升效率增加了同步器，实现智能断开和智能驻车，可以选装电子限滑差速器，提高整车的效率和整车稳定性。
▲1st Gear
具体来说，多模式离合器可以起到狗齿+单向离合器的目的，多模式离合器要实现断开模式的时候，会通过执行结构实现双向的扭矩，要切换成单向离合器的模式就落到了卡槽中，这样就变成了单向的模式。 另外，集成了断开和驻车功能，通过不同的离合器的模式切换的，要把两个齿轮同时断开这个是叫智能断开，这样可以进一步提升整车的效率。
实现断开就是同时断开和一档和二档这个是智能断开，这个过程当中不需要额外的执行结构。
智能驻车和智能断开是反过来的一档和二档同时结合，这样就实现了智能驻车的功能，所有的离合器保持在锁止的状态，这个是智能驻车的模式。 从一档到二档的过程，设计理念是动力换档的设计理念，两档的离合器在一档的时候，可以能量回收可以倒车，在一档的时候多模式离合器锁止同步器断开，常闭式离合器断开，要将常闭离合器打开，减少同步器需要的换档，把常闭式打开的时候将同步器进行换档，同步器进行换档完之后将常闭式离合器回归到换档的过程，将一档换到了二档，最后为了进一步提升效率，将多模式离合器再从单相模式切换成双向，进一步的减少多模式的损失。
同步器是配合常闭式离合器使用的，有一个方案是多模离合器配常开的离合器，这个时候就把同步器取消了。第一是为了效率考虑的，如果没有同步器，内部还有一些损耗，我们将同步器断开的时候，离合器还是闭合状态，这个时候是不会损耗的。加同步器实现两个主要的功能，一个是智能断开，还有一个是智能驻车，不用引入额外的驻车系统来实现两个功能。 3.3 扭矩矢量和断开系统 博格华纳的扭矩矢量管理系统研发动机有两点，第一，在电驱当中用双离合系统取代传统的差速器实现扭矩矢量的作用，第二，集成断开功能，现在应用目标是电动和混动P4架构，现在这个产品还是放在后驱辅驱上的，所以说这个是我们为什么这个产品是需要断开功能的。 扭矩矢量有助于提升车辆动态稳定性，集成了断开功能可以提升整车的效率，降低整车的电耗。通电驱系统里面有离合器的系统还可以起到整个传送器限扭的作用，避免扭矩冲击。
▲博格华纳扭矩矢量分配 这个系统是通过双离合来控制左后轮和右后轮之间的扭矩分配，传统的后轮，传统的左轮和右轮是通过差速器来实现，这个是通过离合器，每个离合器单独的控制左右轮， 这款产品是因为是集成了断开功能，为了最大程度上提系统的效率，很大程度从系统本身，产品本身结构上进行了优化，通过一系列的优化，将整个的断开模式下拖拽扭矩降至2NM以下。最大扭矩容量是单边2600NM可拓展，我们是第六代的执行器并集成控制器，有AUTOSAR、CAN、CANFO等安全功能。 关于电桥断开系统，现在针对于电四驱辅驱的这种效率的提升，辅驱动非工作状态的时候针对整车扭矩或者是说功率损耗的降低有两种方案，一个是用感应电机，再就是利用这个同步电机+动态系统，方案是同步电机+动态系统。
▲博格华纳扭矩矢量管理器 我们通过系统的仿真，包括跟各个客户进行交流，现在保守估计，这个系统可以将整车的能耗节约大概是1%—5%，现在跟有的客户进行道路的测试，现在拿到的结果是比5%的效果好很多。
▲华域麦格纳双离合器扭矩矢量产品 3.4 无离合器和同步器的多挡变速箱 不管电机怎么做，不管两万转还是三万转，两挡变速箱总是能够把转矩转速范围拓宽，进而把整车的行车速度、爬坡度、以及驾车时间，这几个动力性的评价指标进一步提升，同时还能够通过换档改变电机工作点，让效率更高。一档的速比可以做大，电机的最大扭矩也可以降下来，进而降低整个动力总成的总体积和总成本，并且由于有了两档以后就有了空档，对于整车的检修更加方便。 单档和两档的对比，效果很明显，只有一个档的时候，工作区更加偏向于低效区，如果有两档可以等功率的把工作点挪到高效区，进而提高效率。商用车不换档和换档相比，续航里程的提升在10%以上，乘用车里面在7%左右。 商用车还是应该回到现在量产比较多、比较成熟的平行轴式机械变速器，效率非常高。进一步是无离合器的平行轴式机械变速器，在电动汽车里面，带离合器的话，电机的转速以及离合器的控制都是挑战，如果把离合器拿掉，离合器的三大作用电机也能完成，离合器拿掉以后，成本可以降低，结构更加紧凑，可靠性也大幅提升。 中央驱动是在商用车里面很普遍的一个构型，就是驱动电机和机械式的变速箱，布置在一起，通过传动轴驱动我们的后桥。 优势是取消了离合器的分离与接合，可以通过电机主动同步来实现换档的控制。但是有一个问题，电机转子转动的惯量确实比较大，变速器输入端转动惯量会显著增加，这样就会导致动力中断时间比较长，因为同步容量会增大，同步器磨损也会更加严重，这个时候不得不采用电机的主动同步控制。 在传统燃油车AMT里面是有离合器的，换档的时候你只需要控制变速器里面的换档力。如果有同步器的系统里面，只是把离合器拿掉，这个是可以做主动同步控制的，控制它的相对转速。
丰川动力的无同步器多档电驱动系统，把机械同步器拿掉，可以进一步减少整个电驱动总成里面的易损件，而且可以通过对电机转矩的控制，让转速差和转角差都有可能达到零，这样机械结构更加简化，但是控制变量越来越多。随着电动汽车的发展，电驱动所配的变速箱实际上是机械上面做简化，但是控制方面越来越复杂的一套系统。 挑战是，因为没有了同步器，有可能会冲击接合套和齿圈，过去由于转速或者转角未同步，发生这种冲击，会导致换挡时间比较长，不管是乘用车还是商用车，都会造成驾驶员有一种慌张的感觉，而且商用车在爬坡的时候，在一些恶劣工况下爬陡坡，时间长了以后没有实现扭矩的恢复，车有可能就往后退了，这是非常危险的工况。顿挫感强了以后，也会让驾驶员觉得这个车是不安全的，这种冲击会让整个系统的使用寿命下降，因为多做几次这种猛烈的换档，实际上会影响接合套和齿圈的使用寿命。 丰川动力希望通过这种转速同步和转角的对齐，实现快速的变档。由于取消了离合器和同步器以后，可以通过对电机的转矩做精确的扭矩控制，让转速差和转角差都为零，希望时间充分短，让驾驶员感觉不到是在换档。 对驱动电机和换档机构做了协调的控制方法，平时按照驾驶员的意图对电机进行控制，当收到指令的时候，那么我们进行卸载，卸载完成以后，执行机构的动作就把档位放在空档，在空档的时候进行调速、调扭，实现跟踪控制，最后实现扭矩的恢复，让电机恢复到一定的扭矩，让执行机构进入换档力的闭环，然后进行挂档。
电机和变速箱中间没有了离合器和同步器以后，电机的转子的位置就能够反映变速箱内部齿圈的位置，就能够观测到齿圈的位置。变速箱输出端本来就有一个传感器，现在叫转速传感器，实际上转速也是通过转角把它差分出来的，刚好把这个信号提上来，提上来以后就能观测到变速器输出端转子的位置，进而观测到里面接合套的位置。这个位置能够作为控制的一个观测量，因为有一套精确的数学模型在嵌入式控制系统里面，这套模型就能够补偿出实时的转子和变速器输出端的位置，观测到变速箱的接合套和接合齿轮的转速和转角，然后实现精确的控制。 完整的换档过程，首先接合套从原始档位上分离，在空档的时候，通过对电机转矩的精确控制，推动接合套和目标档位的齿圈相结合，整个结合过程非常快，现在在乘用车里面能做到0.2秒，商用车大概在0.3到0.4之间，这就解决了在电动汽车中引入变速器导致的换档过程动力中断时间长的痛点。 实车道路测试，2档速比在5.05，1档速比在14.75。把关键过程放大，在同一个时刻，转速差和转角差是在同一个时刻达到零，推动接合套和目标档位的齿圈相结合。这是在极端工况下，转速的剧烈波动，这种情况有可能是车在过多个减速带，引起转速的剧烈波动，刚好这个时候TCU决策要换档，转速又波动这么快，并且有大级差的情况下，这种情况也能实现快速平稳的换档。
高速的升档测试，在低档油的时候，换档的车速是在115公里/小时，这是乘用车的数据。而换档时候电机的转速在11000转，极差是1.9，一档升二档在极端情况下大概在0.24秒，而且驾乘没有顿挫，换档的这个点，就是电机的工作点已经快接近于弱磁区了，这样就完全发挥出了两档系统百公里的加速优势，因为0到100公里的时候可以保持都是在一档，过了100公里才开始切二档。 基于这些方法，丰川现在有电驱动桥系统，这是给微型电动汽车用的。在大型商用车里面也有电驱动桥系统。丰川的输入扭矩在1400扭米的一个商用车系统，用于18到25吨的环卫。用于31到49吨的牵引、自卸、搅拌电驱动系统，输入扭矩是2400Nm。 中重型的商用车四档AMT，换档时间能够做到不超过0.4s。 3.5 电驱动轴承 要开发高速的轴承，首先要看高速的回转时，轴承会发生什么样的问题，第一个是高速转的时候，轴承会有一些裂化，对于油膜的形成会有一些影响，导致轴承发生一些绕绵的现象，另外一个是变形，旋转的时候也是有离心力的，离心力变性就越大，变形剧烈的话，可能会发生一些异常的发热和模塑，导致损坏。
切入点是怎么去降低离心力的影响，NSK是通过一些高刚性材料的应用，还有形状的优化，应用计算机的拓扑优化技术，进行轻量化的设计，理念是设定的参数值然后尽可能减少一些不必要轴承部位的材料，同时也会兼顾轴承的加工和装配。 第二，耐轴电流的技术，对于整个总成的影响，主要是击穿了油膜，最终会导致EDS有异响，发生的原因有电流值、时间、润滑、载荷转数的影响。 NSK提出的改善的想法。第一，想办法让电流不通过轴承，在实验的阶段在轴承的外接面做一个陶瓷膜，在外接面做一些绝缘涂层的处理，另外还有陶瓷轴承。第二，导电，让电流通过轴承，通过一些导电热环值的应用，包括内制探测化的应用，通过这些结构调整实现导电的目的。第三，尽可能的降低电流的损伤，比如通过调整轴承内部的滚动体的大小，滚动体的多少，调整滚动体和滚刀面积的变化，尽可能的减少电磁的损伤，从目前的经验的角度出发，使用陶瓷球的方法是有效的，有比较大的弊端是成本比较高，基于这一点NSK开发了在轴承的外接面做了绝缘涂层的处理能够在成本上面有一个比较好的一个平衡。
NSK在轴承的外接面做一个大约几十个微米的绝缘涂层，开发的目标是降低成本，比陶瓷球的成本要低，目标是降低50%以上，然后绝缘性希望在电机的压力条件下尽可能的减少或者规避电流，让它不会对轴承的寿命产生恶化的影响。 简单把的产品进行了对比来看，相比原始的标准产品的话第六代轴承降低有70%左右的摩擦力度，这个跟我们有一些特殊应用的一些接触时候的摩擦力是相当的。 3.6 非对称齿轮 （本节内容根据SMT中国技术总监曹锋的演讲整理） 非对称齿轮，这个里面定义是左右齿面的压力角跟齿轮的原角是不一样的，是非对称的，市面上主流的，大家普通接触到应用到的齿轮，左右齿面是完全一样的，有时候大家说非对称齿轮是左右齿面的微观型面是不一样的，这里讲的压力角和圆角形的是不一样的，在风机、航空航天小批量的应用当中应用了很多年，汽车行业这几年才有所应用。
应用当中，一般情况下工作条件是不一样的，载荷大小和工作的周期是不一样的，主要在单一齿面上工作的齿轮来说，这种优势明显，大压力角工作齿面和小压力角非工作齿面，可以得到强度高、NVH性能好，重量轻和改善润滑膜条件的设计。在汽车齿轮传动系统中，主要驱动齿面的工作时间和载荷比反拖齿面多得多，且大多是单向的。非对称齿轮在汽车行业中的应用正在迅速增加，如现在有50%的齿轮是非对称齿轮的DCT变速器已经得到应用，非对称的齿形可以提高强度和NVH性能，使得重量减轻约30%。 驱动齿轮可以用大压力角，压力角增大以后对，弯矩强度可以提高，压力角增大以后，齿面的区域会增大，会降低接触应力。
非对称齿轮不光应用于平行轴，对于行星齿轮来说，通常情况下，太阳轮和行星轮与齿圈的啮合也容易失效，在太阳轮的这一侧是用大压力角，在齿圈上比较小的压力角，这样可以平衡各齿轮之间的寿命，可以得到强度更高的设计。
SMT通过试验结果来看，非对称齿轮的接触应力同样是大量的小于原来的设计，弯曲的应力是完全的低于齿轮的设计，这样的话弯曲应力最大的是在100%的情况下，弯曲应力是从862MPA下降到668MPA，这个下降非常大，强度提升非常明显。 基于前面的应力中心局不变的情况下，进行尝试的扭矩的提升，我们这个时候在保证应力值不变的情况下，非对称的输入扭矩可以输入多少，进行对比，结论是这样的，针对第一级齿轮在中心距不变的情况下，采用非对称齿轮设计，扭矩可以提升20%，这个是非常高的，这个是实实在在的高功率密度。
第二个实验扭矩可以提升20%，综合考虑第一级、第二级输入扭矩可以提升20%左右，这个是大大提高了EV的齿轮的这样的功率密度，以及提高了整个减速器的功率密度。 3.7 法雷奥电子油泵
法雷奥第二代的电子油泵可以分三部分，从底下往上看，泵头的部分、中间的电机定子部分，加上最上端的散热器和电子控制单元。迭代到第三代，现在是通过一个灌胶封装的工序，可以把电机电子部分和电子控制单元部分做作成一个整体。 这样做的好处就是对电子单元的保护是会更好，它可以不被外部环境侵蚀，它的散热功率在100瓦以内是不需要专门散热器或者是散热板的。还有一个就是内部的流体区域跟电子元器件的区域，实际上物理已经做了一个隔离，这样的话也没有泄漏的风险。 我们具体对比两代的设计，大家可以看到右边这两个图，上面是我们之前第二代的，我们可以看到其实有非常多的子零件，中间的工序也有很多，需要把它组装起来。下面是我们第三代的，看起来非常简洁。
从零件数量，我们可以对比，第二代，包括软件在内，是有12个子零件。迭代到第三代，我们封装可以把下面的这6个子零件替代掉，也就是说非常大的简化了这个泵的结构。所以通过这个封装，我们既能满足散热的需求，同时又减少了40%的电机零件数量，带来最主要的收益就是泵的成本有很大得奖地。 在工艺上，法雷奥也进行了很大的简化，先把电机总成的这个装配流程给大家展示一下，首先这个流程会变得非常简洁，第一步就是把定子的分总成放在电子壳体内，第二个把PCB放上去，然后再进行一个灌胶的封装，所以这是一个非常简易的流程。最后，所有的这部分电机总成的子零件都会被完全封装起来，固定好，就不需要额外的一些紧固件。其实第二代的工序明显是很多的，因为子零件更多，它会有更多的装配工序。当然它的控制点也会更多，所以对我们的过程管控也是要求比较高。
从另外一方面对比，从运行效率对比，左边是同行的产品，我们看到金属零件有非常多的子零件，接近20来个。右边是我们目前在开发的即将量产的新一代产品，看起来非常简洁。从运行效率上也进行了对比，看到实际上在相同的压力和流量要求下，我们的总体效率还是有比较大的提高。 所以说，通过优化子零件的数量以及重量，第三代电子油泵是展现了更好的一个运行效率。 基于灌胶封装的第三代电子油泵，有几点收获：减少了40%的电机总成子零件的数量，与同业产品对比，有5%碳排放的收益，实现了电机和控制器散热要求，在100W的散热功率范围内可以不需要专门的金属散热元件，另外有效保护了电子控制单元不被外部环境侵蚀，另外可复用量状态的标准子零件，最后简化了建造流程，最大限度降低材料成本以及相关的投资费用，最终提高产品竞争力。 参考资料：
（未完待续） |
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