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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 逆变器和碳化硅 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7章 商用车电驱动 7.1 重卡的应用场景分析 7.2 新能源重卡技术路线 7.3 重卡的混动技术路线 7.4 重卡的纯电技术路线 7.5 清华大学关于重卡电动化的研究 7.6 一汽解放关于混动技术路线的实践 7.7 比亚迪商用车电控的开发 7.8 天津大学关于新能源重卡变速箱的研究 7.9 法士特中央电驱动技术路线 7.10 玉柴的机电耦合混动系统 7.1重卡的应用场景分析 全国的货运量70%靠的是公路运输，公路运输中长途重卡又是主力，长途重卡的发展趋势是重型车的平均吨位数在上升，物流车的重型化趋势明显，其中牵引车数量增长11.5%。
重卡每年行驶的里程数已经达到了15万公里，平均每天都要跑五六百公里，物流平均每天行驶时间也在增加，每天行驶时间超过8小时的占比很大，也就意味着停车充电以及停车换电也是不满足的，因为重型燃油车目前的续航里程在3000-4000公里，如果用替代能源的话，就要解决时效性的问题。 2021年的统计数据，去年社会物流总额是335万亿元，是GDP的3倍。货物运输521亿吨，公路运输391亿吨，占75%。碳排放方面，商用车跟乘用车基本上对半了，本质上来讲，汽车烧的油实际上一半给了汽油机，一半给了柴油机。从排放来讲，货车氮氧化合物的排放占所有交通的84.3%，颗粒物排放占90%。 对于重型卡车来讲，混动也是提高效率、降碳的重要技术途径。欧洲有一个地平线计划，实际上专门针对重载卡车也开展了相关的一些研究。混动向牵引车、货车、客车等中重型商用车发展，混动化是车用内燃动力方向。
油费在整个TCO成本中占了30%，长距离行驶时，可能司机往往一个月都在路上，从天津配货到上海，上海到深圳，转一个圈再回家，这样就导致长时间生活在车上，车上的空间和用电的负荷，因为很多家电、吃饭、喝水、冬天的采暖、夏天的制冷都需要电，车不光是省油，还需要有家电使用的便利性。 重型长途货车年行驶里程在10-20万公里，如果节油率按照10%到20%，混动极限能做到18%多，货车用户投资回报周期来说，物流公司包括散户，能接受的是一年半的时间，就是增加的成本跟省下的油钱持平，他能够用两到三年，省下的油钱能抵消他的投资，再用两到三年，利润更高。 关于混动、纯电、燃料电池，在长途重卡这个场景下，由于重量问题、制动问题和购买成本的问题、以及配套设施的问题，综合考虑，2025年到2030年之间，可能混动满足法规，以及满足用户投资回报需求，是一个比较折中的方案。 内燃机的比例越来越少，纯电动、燃料电池越来越多，卡车混动也有，但是我们认为应该主要就是轻混，如果是中混或者插电式混合动力，可能少量的场景会有，但不会是大范围的应用。
实际上新能源中重卡目前的渗透率还是比较低的，去年中国达到了1%，今年上半年已经超过了一万台，现在大概在4%左右，我们预计在2025年以后会大概到15%，到2030年以后大概接近40%左右。 今年新能源重卡上半年的销量大概在10000台左右，相比去年整整翻了五倍，从新能源目前销售的产品来看，基本上是换电、局部区域的一些运输，现在这些产品不能往长途车上去用，很根本性的一个问题就是续航解决不了，现在重卡用280多度电的产品，重量相比之前传统的车要增加两到三吨，续航只能跑一百多公里，如果长途车的续航达不到800到1000公里以上的话，基本上用户不可能选择它。
▲搭载清华大学内转子轮毂电机的福田氢能重卡 如果要解决续航问题的话，关于混动，不管是用柴油混动还是燃气混动，还是其他替代燃料的一些路径，是中长期的方向。当然也提到后续燃料电池作为长途运输最终极的方案，但是从目前我们试点的燃料电池车来看，也是存在很多技术瓶颈的，包括重量。现在燃料电池牵引车在11吨左右，商用车近20年发展，从以前9吨、10吨左右，通过20年的努力，好不容易降了百分之二三十，新能源的路线一下又让重量回到20年之前了，这是我们下一步要重点解决的方向。 7.2新能源重卡技术路线 现在从里程的范围来看，如果运输距离拉到一千公里，在现有电池方案没有达到这么高的能量密度的情况下，短期在长续航里程还是要用混合动力的技术路线。当然长期发展来看，现在还是要坚持氢燃料的路线，国外现在重点在发力液氢，包括75兆帕的路线，国内现在主要是35兆帕的路线在做。纯电动解决的可能是区域的一个运营，里程的突破边际短期还是要基于场景去做产品的设计。 商用车因为细分非常多，从我们的角度大概分了二百多种，针对不同的细分市场，需求是不一样的。
从技术路线上来讲，接下来纯电动以及氢能源会是一个发展的方向，因为根据不同的场景，对燃料电池来讲，对日常运行较长的，每天跑四五百公里以上，而且对车辆的重量、油耗都要求比较高的。纯电动的应用就是比较日常的里程，可预测固定的充电场景，以及在城市行驶的比较多。最初十年前，我们在发展客车的时候也讨论过是纯电动还是混合动力，刚开始是混合动力的，因为大家认为混合动力是一个过渡，但因为国家强烈支持纯电动，所以纯电动发展的比较快，现在在公交车领域，如果是纯粹公交车的话，接近100%是纯电动，部分是混合动力，占的比例相对来讲比较少了。 商用车长途重卡一定是多种技术路线并存的，氢燃料的产业化时间肯定是靠后的，但是这个技术路线是一定存在的，而且是非常重要的一个技术路线，因为这个涉及到能源结构的问题。 动力系统方面，下一代的产品基本以桥驱和分布式驱动为主，当然不能解决所有重型车的问题，因为现在重型车大概有12个场景，所以每个场景下对轮边扭矩的需求是不一致的，长期来讲，中央驱动和桥驱应该是一个并存的方式。 重卡的高功率需求，一般都要求大于250千瓦以上的动力。矿卡的功率可能要高达400千瓦以上，商用车目前的动力配置，有中央驱动式的，有分布式的，还有集中式的电驱动桥，针对多方案匹配来看，有单电机大功率的，还有匹配两个电机的，或者多个电机的。
关于技术的路线，我们认为接下来的发展应该还是一个中央驱动跟电驱动桥为主，因为它分不同的场景。对中央驱动来讲，现在整个底盘尤其车桥这一块，可以不做很多的变化，兼容各种形式的车桥，尤其卡车，有的还有6×4，需要两个驱动桥的，要求还是比较严的，对于风险的控制也比较低。但是从长期来讲，我们认为还是要用电驱动桥，而且是高度集成化的电驱动桥，例如把变速箱、电机、电控全部集成在一起的，尤其是以后燃料电池、纯电动的这些布置。 纯电动在长途重卡短期内是不适合的，换电的场景是有区域性的，因为换电站的投放，包括充电设施的建设，包括成本的投入是比较大的。所以短期混动是一个解决方案，当然混动到底用什么样的方式，既能降低成本，又能实现轻量化，又能提高节油率，这可能是下一步要思考的问题。 在氢燃料电池没有成熟之前，混动是一个趋势，不管是传统混动还是插电混动，但是还没有满足商用车需求条件，所以目前看还不是很成熟。长途牵引工况的话，基本上混动节油水平大概在5%到8%。 没有一条技术路线是适合长途应用的。纯电动重卡驾驶员恨不得24小时开，哪有时间充电？混合动力现在就是成本高，哪怕做一套最便宜的商用车的混动，做P1，也需要大概十几度的电池，还需要大概四五十千瓦的电机，这样成本大概增加五万左右，用1.5年的时间通过节油效果把它赚回来，还要考虑到后面二手车市场的话，实际上这个东西又不现实，现阶段来看。包括氢和其他燃料都会存在加氢的问题。 7.3重卡的混动技术路线 混合动力重卡有了电以后，会给司机带来很大的便利性，车上有电饭锅、烧水的，还有停车以后，用户不希望停车以后开着发动机，开着发动机用空调的话，一是空调效果不好，二是噪音很大，还有安全隐患，也有很多服务区不允许这么干。所以说停车以后都是用电。如果作为混合动力，带电量足够他生活，一个普通家庭一天的电量十度电就够了，家里耗电量最大的是热水器，冰箱耗电是很低的。如果说车子有十度电量，司机停车以后等一天、两天都是足够的。 四阶段油耗出来以后，混动可能会是我们下一步的短期解决方案。但是长期来讲，还是要减少对油的依赖，氢燃料和纯电动技术未来还是我们要重点开发的。
▲陕汽插电式增程混合动力牵引汽车 从微车一直到重型车，在四阶段油耗限值的比例上是有一定差异的，我们现在预期是比三阶段油耗降低15%，但是不同的产品线比值会有一定的差异。在中重型的方向现在还是按着P2的方向在做，这是当前的一个技术路线，因为现在混合动力的构型在重型车上还没有其他的创新构型，从节油率角度讲，P2肯定是不如双电机混动的，至于是PS还是P13这种构型，或者是其他双电机构型，实际上这一块主要的瓶颈还是在机电耦合系统，但是轻卡以下的大概率是可以取消变速箱的，用单减的方案或者是单减+2AT这种路线是可以实现的。 从技术来讲，我们认为混合动力尤其目前从国内这一块，需要一个比较好的、特别可靠的AMT变速箱，这一块可能目前来讲，在国内除了采埃孚，其他的可能还需要一些改进。
采埃孚在十几年前做混合动力的概念，就是基于AMT变速箱，目前在中国这边，多数MT变速箱还是占主流，AMT实际上刚引进过来，现在市场占有率还不是特别高，一下再从AMT转到混动可能成本比较很高，再一个就是AMT变速箱跟混动的控制系统如何兼容，我想这可能也是国内要克服的问题。经验技术都是有的，到国内怎么把它实现，这些需要国内的零部件供销商一起合作解决这个问题。 中短期来看，三到五年我们觉得还是看好“弱混”，可能更多是发动机厂家的身影，它有可能会做一个P1。随着部件成本的下降和可靠性的提升，最后有可能会战胜传统车辆。弱混肯定在节能效果上比传统车好，至少可以做一点助力和做一些能量回馈。 7.4重卡的纯电技术路线 纯电全新平台实际上要突破原来油改电的技术瓶颈，以前油改电技术难度小，开发周期短，但是它的瓶颈就是固有约束太多，无法突破现有的横梁和纵梁的边界。所以下一步要基于模块化的产品设计，实际上这个全新平台一定要做，所谓全新平台或者滑板底盘做的就是模块化和平台化的概念。下一步的全新平台到底是什么样的平台？现在乘用车大量在推800伏，第一是高功率，第二是充电速度，就是超级充电，商用车短期内800伏路线，可能我们还没有办法真正产业化，因为毕竟生产工具要考虑成本，所以只有在乘用车真正批量之后，如何把乘用车的资源怎么进行商用车的转化，这是所有主机厂要做的。
单一商用车推进800伏是很难的，所以我们要做乘用车的资源和技术的复用，一是加大速率，提高电机转速；第二是把单电机变双电机。现在从架构的趋势上来看，在重型车，尤其重卡，我们用双电机的解决方案会成为一个主流的趋势。 从控制器输出来看，现在控制器的输出电压，商用车目前大部分用的都是非车规级的，因为商用车的电压一般是额定540V，如果再要往上走的话，车规级的可能就不太适用了。车规级的碳化硅目前的电压范围在400V到900V，也有做到1000V的，所以从这几种情况来看，商用车的电压是可以提升到额定750V的，可以采用碳化硅这个系统，以满足轻量化、高集成、长续航的需求。 高压优势是可以提高系统的输出功率，提高驱动系统功率密度，可以集成更多的东西进去，也可以提升整车的续航能力。当然也有一定的缺陷，耐压等级整套系统可能要做优化，绝缘要求也需要提高。因为碳化硅目前成本也是比较高的，所以短期内成本略有上升，如果从整车来说，这个成本不一定会上升。所以从各方面因素来考虑，提高整车系统电压等级至800V，并采用多电机驱动加碳化硅电控，目前是商用车大功率的最佳解决方案。 关于商用车高压化，如果快的话，也是三到五年的事情，因为乘用车现在搞得如火如荼，当然商用车可能也有一个过程，因为现在商用车大家也在慢慢往电动化走，但是总的来说，电动化的方向是肯定的，国家“双碳”目标已经明确了，商用车如何高电压化，碳化硅能不能切入，对商用车来说是一个更好的机会，毕竟用了碳化硅效率更高，续航能力各方面都会提升。 7.5清华大学关于重卡电动化的研究 清华大学对现有的电机怎么在商用车上布置做了一个类型的划分。第一种是轮毂电机直驱或者是外转子的轮毂电机直驱的方案。第二种方案是把电机放在轮毂里面，但是加上减速器，通过减速器把电机的要求降下来。第三种是两级减速，进一步获得比较好的、比较轻的整个桥的重量。当然也有基于非整体桥的方案，把轮边电机直接通过传动万向轴来驱动，然后也有轮边的减速器。如果是整体桥的话，也可以通过直接的半轴来驱动。当然目前行业里大量在产业化的就是集中驱动的方案，把原来的发动机换成电机、变速箱、减速器这些，后面整个桥都不动，当然这个方案是最容易实现的，但是它在性能上所获得的优势也是最低的。
▲Dana Spicer e-Hub Drive 清华大学试验结果：车速大概100公里/小时、总重49吨，用电机集中驱动系统的功率大概200千瓦左右。如果用分布式的电驱桥或者轮毂电机驱动，大概降到142千瓦。如果在这个基础上再通过队列驾驶技术，比如说通过机械连接把它连起来，就像列车一样，最理论的情况，平均每辆车只需要116千瓦的功率，节能效果是非常明显的，也就是说将来重卡因为是长途物流的主力，重卡经过电动化、智能化改造之后，氢耗量将从14KG/100KM，降到不到7KG/100KM，也就是续驶里程会提高100%。 清华大学做了一个简单的预测，到2025年，采用电动轮或者电动桥的技术，氢堆160千瓦的时候，它的效率能够做到55%。那么有一个液氢罐子就能够实现120公里的续驶里程。到2030年，电驱动系统的综合效率，就是电机到轮边减速器的效率93%，燃料电池的平均功率只需要140千瓦，效率可以提升到60%，这个时候只需要一个80公斤的液氢罐子就可以开120公里，这是未来长途物流重卡的发展方向。 所以我们认为在短途，现在重卡短途换电已经慢慢成为主流趋势，短途换电配合高效的电驱桥，短途没有问题，可以解决，长途还是要走液氢燃料电池这个路线，一天一千公里没有问题，一次加氢一千公里。将来液氢的加氢站只要围绕高速公路、重要城市的郊区来布局就可以，布局的量可以比较少，但是一次加氢的续驶里程可以很长。现在针对新一代燃料电池技术，包括整车降滚阻降风阻的技术，再加上氢燃料电池效率提升的技术，到2025年前后，氢燃料商用车将取得很大的技术突破，在节能减碳方面将会得到非常好的效果，那个时候就会呈现爆发式增长，而且我们相信到那个时候，燃料电池的成本只需要1000块钱/千瓦，就可以进行普及了。目前我们正在制定相关的液氢重卡的标准，我们也希望行业里越来越多的人参与这个标准的制定，帮助我们推动在长途重型车辆的低碳化方面，走出我们中国特色的道路。 7.6解放卡车关于混动技术路线的实践 青汽作为解放的一个基地，从2015年开始做混合动力，做了两种构型，有P1的，也有P2的。 针对于长途重卡，倾向于用P2，因为商用车的布置空间非常紧凑，如果并联基本不可能，因为车架的宽度已经限制死了，横向展不开，基本塞满了。围绕混动，从整车角度关注的几个核心技术，整车角度我们关注发动机的控制，以及电池、电机的控制，混动有很大一块因素是换档控制，只有把AMT跟发动机进行联合控制，才有可能实现更高的节油率。 我们在主流牵引车上做了一款P2，也是按照正向开发的，所有的标准试验三高都跑完了，尤其冬季的试验，为什么冬季的试验？因为到了国六以后对排温的要求非常高，如果排温控制不好，那么你的混动到冬天节油率是很低的。 解放经过几年的市场运作，包括道路试验，发现混合动力控制策略上有一个痛点。什么痛点呢？上坡的时候没有电了，下坡的时候想回收，电池满了。然后混动的电也不能无穷大，最理想的情况是混动的电池无限大，想用就用，想收就收，这样会带来成本的增加，那也不合算。所以说如何用最少的电实现最高的节油率。我们的控制策略是什么呢？根据发动机的扭矩，测算出来一个扭矩，需要加扭了，经常出现正上坡，电池的电放没了，还有就是下坡的时候，爬坡的时候动力不够了，这一系列痛点。第二个痛点是经常会出现发动机总在中低负荷工作，爬坡上不去。还有就是我想用电池助力的时候，充电的时候，电池的温度又上去了，又满足不了，我们通过理论模型仿真出来P2在高速公路工况应该能做到15%到18%的节油率，实际根本做不到，能做到5%就不错了。原因是我们关于排温的预测模型现在目前无法仿真，再就是电池的热管理系统也是无法预测的，都是温度高了降温，温度低了保温。 我们一共做了三个技术，一个是预见性自适应巡航系统。这个工作策略就是平路的时候能保持基本不换档，上坡的时候提前减档，下坡的时候进行加档。第二个是PEM预见性能量管理技术，能够基于地理位置信息提前进行放电和充电。第三个是预见性温度管理技术，能够对“三电”系统，电池、电控、电机，包括排温进行预测，结合地理位置来预测排温的变化，由三电温度的变化来进行充放电控制。 我们把前面三个技术用车联网大数据对典型工况进行了仿真，第二我们把电池电机真实的物理特性进行了仿真，这时候仿真节油率是21.4%，因为有些部件的特性还达不到理想状态。第三是我们做了整车试验，这是我们在全国跑的，在满载高速工况下混合动力整车节油率平均20.7%，预见性巡航控制技术在8%到12%。我们卡车的效果是省油，发动机的排温也比较理想。 7.7比亚迪商用车电控的开发 比亚迪商用车的电控发展了几代，最开始是一些分布式的电控，2012年的时候开发了六合一的高压电控总成，当然六合一的高压电控是我们所谓的物理集成。在这里我也剧透一下，我们今年在开发全新一代的商用车底盘电动平台，包括客车底盘电动平台和卡车底盘电动平台，这个全新的平台会搭载C2C刀片电池，还有碳化硅的集成多合一控制器，还有域控，还有扁线电机的轮边桥，还有在重卡上面可能会用扁线电机的集成桥。 比亚迪商用车早期开发的多合一电控，主要包含六大部分，两个MCU，一路DCDC，还有PDU，我们行业上面叫的五合一，我们也做了一些对比，发现它的五合一比我们的五合一少了一部分，少了一部分PDU，PDU充电的这部分，它外面还是配了一个PDU的大盒子，比亚迪所有的零部件都有研发能力，我们有弗迪动力、弗迪科技、弗迪电池，所以有强大的垂直整合能力。我们把外面的PDU也集成到大的箱子里面。 比亚迪通过高度的垂直整合，深度集成了电机控制器、PDU、DCDC，还有充电部分的配件，集成到大的高压集成的六合一，我们首创并规模化应用了六合一的高压电控平台，打造了高标准、高性能的“26111”核心技术平台。我们今年在开发一个全新的平台，这个平台我们应该是在2023年的年终会下线，在2024年整车会批量交付欧洲客户。 比亚迪早期的电机控制器，基于比亚迪的四代晶元，415打造的模块，空间节省50%，减重47%，这个模块具有几个特点：开通快，关断快，低功耗、高安全。4.0晶元应该是到明年，计划2025年以后所有的商用车都会切换到碳化硅的平台，也就是我刚刚讲的我们明年要下线的全新一代电动平台。 我们在商用车上做的测试，是基于以前IGBT车型来改制的车，我们发现商用车像公交车，像一些环卫车、渣土车，这些车速都是比较低的，它不像乘用车，碳化硅在低速下面的效率，明显是优于IGBT的。我们认为商用车领域可能更适合碳化硅电控。 对于模块的话，碳化硅主要还是提高效率，减少体积，降低成本，具有更低的反向恢复损耗，开关损耗，还有小电流的通态损耗，有更高的开关频率，总损耗下降能达到差不多60%。在商用车上面，能耗百公里能提升6%左右。碳化硅电控开发也有一些挑战。怎么样降低尖峰电压，怎么样降低门级串扰，最主要的是降低轴电流、轴电压，防止电机烧蚀，还有温度保护。 比亚迪的规划应该在2025年，所有乘用车跟商用车都是要全面切换到碳化硅。现在碳化硅的成本是IGBT成本的大概三倍，我们认为碳化硅的成本在IGBT成本两倍左右的时候，应该是碳化硅批量应用、规模化应用开始的时候。这个时间应该不会很晚，我们预计应该就在2024、2025年这个时候。 目前碳化硅成本大概是IGBT的2倍多一点，我们认为如果达到2倍左右的时候，对商用车来说，整车的能耗降低远远大于碳化硅模块比IGBT模块贵的成本。所以我们认为碳化硅在商用车方面应该是未来一个主要的趋势。 7.8天津大学关于新能源重卡变速箱的研究 牵引车的一个特征实际上主要是在高速公路上运行的，所以它不需要纯电驱动，也就是说采用单电机并联的混动构型可以满足要求，因为从它运行的特征，可以看到它有一个启动的启停、电机的助力或者是自动能量的回收，以及它的行车发电等一些功能。实际上牵引车更主要的是要提升发动机的效率。 我们研究的货车采用的是双电机串并联，采用的是四挡的变速箱、电磁离合器，以及动态协调控制策略。为什么我们采用四挡呢？实际上也是做过一些研究的，挡位数越高，肯定效果越好，但是我们也发现四挡以后，档位数增加以后变化就没有那么显著了，综合成本各个角度，所以我们还是决定在货车开发混动系统里面确定了这么一种采用四档变速箱的构型方案。 由此开发了一个新型的四档混合动力变速箱，它的特征是大转矩，用比较小的档位能够满足变速箱大转矩输出的要求，然后效率高，采用电磁离合器控制的换档技术。这是这个变速箱的特点。 实际上这台牵引车实现了油耗降低34%，将近1/3的目标，真正来自于混动系统的贡献大概8%左右，风阻大概5%，滚阻6%，当然还有其他的一些节能贡献。当然在混动系统里面，大部分能量节能来源于制动能量的回收。 混动货车的特征，从能量流分析来看，从发动系统到传动系统，到整车，到ISG电机，以及到电池系统等等，以及能量回收，开发的混动系统贡献率大概17.4%。 我们基于功率切换的能量管理策略和控制策略优化，以电池SOC驱动转矩大小为依据进行功率分配，以驱动功率和车速为依据变速箱档位置换切换，以整车油耗最优化为控制目标，开发了整车控制策略。 在整个贡献率分配方面，可以看到基本上达到了降低1/3油耗的目标，混动的贡献达到17.4%，发动机达到9%。实际上我们开发这台车没有用原来的燃油车，因为整个的车型是包括整个传动系统是完全重新开发出来的，所以我们当时比较了一个装这台发动机的其他车，折算混合动力贡献16.6%，对于货车来讲，实际上也是可以达到17%的节油效果。 7.9法士特中央电驱动技术路线 重卡商用车的纯电动系统，有两种技术路线，一种是中央驱动式的驱动路线，一种是电驱桥。中央驱动驱动路线的优点是可以通过改变档位调整电机的工作点，对于传统车企而言，它对整个生产链各个方面的变化是最小的，同时可以适应各个细分市场细分工况。电驱桥的一些技术我们也做过一些系统的研究，以后在很长一段时间里，这两种技术路线一定是并存发展的。
说到中央集成的技术路线，它和电驱桥是一样的，它也会经历从模块化的多档变速器，再到集成式的多档变速器，再到高度集成的多档变速器，这个发展过程和电驱桥是类似的，同样是为了解决成本、效率以及客户所关注的经济收益这几个方面的因素。 法士特通过这五六年的研究，也把新能源的载荷谱初步有了研究结果，比如新能源车辆在应用过程中，峰值功率大概占它整个功率的1/5，这也可以作为新能源车辆在开发过程中整个齿轮系统校核的一个很重要的依据。 第二，高速齿轮。对于乘用车而言，两万转现在在市场上已经开始应用了。但是对于商用车，输出大概在两万五到三万扭米之间，这种条件下，对高速齿轮的研究还是有一定挑战性的，因为既要考虑高速，还要考虑它的承载能力。因此我们对重载条件下的高速齿轮技术也进行了系统研究，比如说目前重卡主流的新能源产品输入转速大概在四五千转，目前已经做到七千到一万二，这个转速基本可以做到量产。这个条件下我们做了研究，对于减速器而言，7000转以内减速器的噪音是它的主要来源，超过7000转，减速器和电机在NVH方面的贡献可能各占一半。 电机方面，因为扁线电机在乘用车用得比较多了，但是受制于需要有量的支撑，所以在商用车里面我们也是从2020年开始陆陆续续把扁线电机引入到了商用车的应用范畴里面，进一步降低了变速箱整体三合一系统的重量。另外一个方面就是关于高速电机，高速电机目前对于重载车而言，基本可以做到七千到一万二，根据目前行业的一些发展特点，我认为它可能会稳定在这个区间一段时间，陆陆续续它的应用也拓展到商用车里面来。但是油冷电机，由于商用车重载的特性，变速箱的磨损各方面会对油冷电机造成很大影响，因此油冷电机在商用车里面的推广也是有一个过程。 基于上述做的一些工作，我们在今年推出了输出扭矩在两万到两万五千扭米的基于重卡的二合一和三合一系统，这款产品前端就是采用了我刚刚给各位汇报的扁线电机，变速箱是四档变速箱，和电机系统进行了一体化设计。四档的AMT也是采用了集成化设计，这款产品和我们前期推出的产品，以及市场主流产品相比，它的重量可以从原来550公斤下降到目前的360公斤，在轻量化以及成本方面有非常明显的优势。对于其他方面，包括电机的高效区、NVH、系统效率等方面也有它独有的特点，我们这款产品预计在年底和我们的客户见面。 重卡中央驱动式这种产品，从一开始推出市场的时候，当时应该是以六档，包括档位还有更多为主，主要是受电机发展的限制，后来随着电机的发展，电机的尺寸小了，峰值功率、转速也上去了，陆陆续续推出了四档产品。结合电机技术的发展，变速箱的档位会越来越少，我们预计后面会以三档箱和四档箱产品为主。
关于换档为什么用啮合套而不用同步器。两方面原因，一个是成本的原因，一个啮合套几十块钱，一套同步器下来最便宜的也得两三百块钱，这么一台变速箱，四挡的就需要有两台同步器，成本是一方面因素，另外一方面是换档过程中用啮合套它的控制程序通过调速完全可以满足变速箱的使用要求。 4E200使用高速电机加单减加四档箱的方案，综合效率大概在94%到95%之间。 法士特开发的这个四档箱，重量是358公斤，这是一体化设计，电机和变速器壳体是共用的，仅仅是用了扁线电机的转子和电子，所电机的峰值功率如果没记错的话是260千瓦左右。 7.10玉柴的机电耦合混动系统 我们做机电耦合系统的主要目的还是为了充分发挥电机的宽效率和快速响应性，让发动机在一个高效区工作，它的节油路径有三个方面，第一是取消发动机怠速，第二是保持发动机高效工作，第三是制动能量回收。满足这三个节油路径的一些应用场景和路况主要是平均车速比较低、工况变化复杂的一些城市路况、国道路况，还有一些山区、上下坡。 具体来说一些细分场景，首先是载货车，我们选了快运和日散，它的应用场景主要是涉及到一些国道。我们对于这个应用场景的实际路口也做了一些测算，综合来看，整个运行特征上，怠速时间占比超过了13%，减速制动的时间比例超过了10%，这些都为混动系统的推广应用提供了条件。 第二个细分市场是自卸车，自卸车大家都知道主要是在城市内运行，以城市道路为主，两端坏路，使用车速比较低，10到50公里，怠速时间占比15%以上，减速制动时间15%到20%，怠速和制动都比较适合应用混动系统，主要是它有城市工况。 第三个细分场景是水泥搅拌车，它也是三五十公里的时速，以城市道路为主。水泥搅拌车的特点是什么呢？它主要有四个工况，第一个就是等待装料，装满了以后运输、送料，送完料是等待卸料，最后再回车。整个过程中上装是一直在运行的，在等待装料和卸料的过程中，发动机是小负荷工作或者是怠速工作，如果用上混动系统的话，这些能耗的工作区域都可以避免。从我们统计的实际路况的分析来看，怠速工况占比68%，行驶工况占32%，整个运行过程中发动机长期处于小负荷的低转速的工况下运行，所以这个场景很适合应用混动系统来实现节油。 总体来看，适用混动系统的一些路况就是工况比较复杂的城市道路，还有国道和山区路况。运行工况主要是怠速多、启停多、车速变动大、制动多。适配场景就是上面所说的这些城市和区域配送、城建物流，还有就是随车吊和公路客车。这是混动适配的一些场景。
混动系统有很多种构型，包括P0、P1、P2、P3、P4、DHT，从功能来看，DHT的功能应该是最全的，从性能来看，DHT的节油率是最高的，舒适性也是最好的，但是控制复杂度和可靠性要求也更高。这是从定性的角度来分析混动构型。 玉柴这套系统在开发之初就做了清晰定位，第一就是高集成度，首先采用高速永磁电机，最高转速超过15000rpm，双电机采用平行布置使结构更加紧凑，双行星排耦合设计、三套轴紧凑设计，也做了全局最优轻量化设计。 为了实现高节油率，我们做了很多工作，首先是采用行星排功率分流，可精准控制发动机持续运行在最优工作区域。发动机直驱模式，传动效率高达99%。发动机做了专用化开发，满足混动对发动机频繁启停和最优经济区的高效率要求。相对三阶段油耗法规限值，公交工况节油率超过50%，公路工况节油率超过30%。 参考资料:
第8章 电驱桥和轮毂电机 8.1 AAM偏置同轴电驱桥 8.2 丰田平行轴电驱桥 8.3 清华大学关于重卡电驱动系统的研究 8.4 采埃孚和一汽解放的重卡电驱动桥 8.5 轮毂电机 8.1 AAM偏置同轴电驱桥
这是AAM最新研发的T系列同轴式皮卡及轻型商用车电驱动桥。首先这是一个商用车桥，它具备商用车桥的所有结构特点。其次它又是电驱动桥，大家可以看到我们的结构相当于是把传统车桥与电驱动单元合二为一。 这里是所有关于该产品的关键参数，同轴式电驱动桥。整桥承重是2.2吨或者3.1吨，采用紧凑的齿轮结构系统设计，最大限度缩短齿轮的中心距，从而达到整桥结构紧凑的目的。电机最高扭矩380扭米，传递到轮边的最大扭矩是4500扭米，电机是160千瓦的峰值功率，齿轮箱内部采用的是激光焊接差速器，激光焊接差速器可选差速锁。
整个电驱桥设计的优点，首先大家听到我前面多次强调“轻量化”，整桥采用结构分析，在满足整桥刚度和强度的要求之下，尽可能简化结构，从而达到整桥的轻量化设计。同时我们采用紧凑结构设计，有利于整车布置空间的选择。同时因为是轻量化，更利于整车的操控性。我们采用插管式的结构设计，桥管与壳体连接的方式是通过插管焊接方式，最大限度简化了桥管与壳体的连接方式，从而达到了结构紧凑和轻量化的目的。其次是因为插管焊接的结构，可以快速根据客户不同的需求、应用场景以及客户边界来更换不同的桥管，从而达到快速选型、缩短开发周期的目的。 大家也知道整个商用桥的重量和结构紧凑是对整车操控性和所有性能至关重要的因素，那么我们在轻量化和结构紧凑上采取了以下方式。 首先所有壳体经过拓扑分析采用压铸铝构造，同时在保证了结构强度和刚度的情况下，尽可能简化重量。 第二，电机轴与整桥的输出轴在同一根轴线上。通过二级齿轮连接差速器总成，差速器总成采用的是将齿轮与差速器壳体合二为一的方式，最大程度减少差速器总成在轴线方向上的结构尺寸，这样的结构设计使得整个齿轮传动的中心距更小，使得整桥结构更加紧凑，更利于整车的布置。 第三，采用插管焊的结构。依托AAM成熟的插管焊技术，可以将不同的材料，压铸铝的桥壳和钢的桥管焊接在一起，这样的好处是通过压铸铝的壳体简化重量，同时用插管焊的结构简化了连接部分的结构。此外，因为我们可以很容易更换桥管来满足客户的需求，所以在不改变主要零部件的情况下，只需要更改与客户接口相关的零部件就可以满足不同的车型匹配、应用场景匹配，所以可以最大限度降低开发周期。 因为我们采用了同轴式设计，所有零部件分布均匀，结构紧凑，我们在整车的布置上更利于整车操控。在整个设计开发过程中，美桥除了对所有零部件需要做分析来满足所有的寿命要求、强度要求、结构要求，此外我们会针对商用桥部分，分析所有焊缝处寿命和零部件寿命，同时还会分析在多连杆结构情况下，所有焊缝处和零部件的寿命。多连杆情况下，我们还会分析所有支架所承受的应力，从而指导支架的结构设计。 电机的冷却油是与齿轮的润滑油共用，冷却的方式是通过从定转子上方淋浴的方式来冷却电机。经过流体分析，我们在整个桥的壳体内部设置了很多主动润滑油道，一方面保证电机冷却所需要油的循环，另一方面是保证所有零部件，包括齿轮和轴承所需要的润滑油能得到充分的润滑。电机的电压是380伏，最大的转速是13700转，最大扭矩是380扭米，峰值功率160千瓦。 电机已经完成了实测的外特性，电机设计的时候是380伏，我们在实际外特性测试的时候发现该电机还是有很大提升空间，在380伏的时候得到的电机输出扭矩是400扭米，高于当初设计的380扭米，这样带来的好处是轮端扭矩从原来4500扭米提升到4800扭米。
总体来说，该电机设计实际测试结果高于设计要求，说明可以用于更严苛的场景。电机实测最高的效率98%，90%效率占比达到82%。我们也测试了电机的温升，实测结果显示，电机在最大功率的工况下满足温升的所有要求，说明该电机设计是满足我们的设计要求的。 目前我们已经完成了所有该电驱动商用桥的样件制作，所有样件全部用于AAM内部的台架试验，台架试验我们是这么考虑的，因为首先这个桥的特殊性包含三部分特征，首先它有齿轮箱部分，其次是商用桥，我们有整个桥壳的部分，最后它是带电机总成的一个桥，所以我们在设计台架试验的时候，充分考虑到要满足三个部分的试验要求，来充分验证三个部分的零部件特性，所以我们设计了如下试验，齿轮箱部分设计了相应的试验区验证所有齿轮和壳体的疲劳寿命，桥壳部分设计了类似于传统桥的桥壳试验，来验证桥壳的刚度和寿命，带电机的总成我们设计了很多试验。目前为止，所有关键试验全都完成并通过，小部分试验还在进行中，预计在9月底完成所有的试验结果。 8.2丰田平行轴电驱桥 我们的电驱动桥采用三轴式两级减速机，采用油冷交流同步电机，最高转速12000rpm，最大扭矩/功率是300Nm/150kW，含量（含车桥）是221公斤，轮边扭矩达到5173Nm。
采用的是一个比较简单的平行三轴齿轮系统。停车制动器和驻车机构也被集成在电驱动桥内，也为整个系统的小型化做了贡献。 接下来介绍一下技术特征。总共有四点，分别是小型化、高强度、低损失和静谧性。 首先介绍一下开发要点。在一个有限的空间内，差不多是700×350×440mm的范围里面，要放进去电机、减速器、停车制动器，以及其他各种总成，所以整个系统必须得小型紧凑才能放进去。第二是高强度，因为驱动桥跟轮胎是刚性连接的，路面的振动可以直接传递到驱动桥上，所以驱动桥的刚度要足够高。第三作为客车要保证续航距离，氢罐容量有限制，冬奥会的路况都是坡，天气也比较寒冷，整个驱动桥的损失必须得控制得比较好才行。最后一个是静谧性，因为我们没有发动机，驱动桥的上面直接是乘客空间，对静谧性的要求比较高，对驱动桥的NVH要求就比较严格。
整个系统小型化，就像电机的小型化，主要是高电压，采用效率高的油冷系统。我们为了方便管理齿轮的发热和电机的发热，就把它们俩分开管理，提升电机的冷却效率。齿轮是比较常规的一个搅拌润滑。电机属于油泵强制润滑，冷却过的油供给电机里面的上置油管，还有一个轴心，通过内外结合的方式，通过一个喷淋的方式冷却电机的转子和电子，提升它们的冷却效率，降低冷却系统的体积，为电机的小型化做了贡献。 为了达成整个系统的小型化，电机小型化是必要的。具体方法是通过一个高转速实现高功率电机的小型化。电机的输出轴跟减速器的输出轴是直接相连的，它们俩的转速是一样的，我们为了降低它们接触的摩擦，就涂了一下润滑脂，但是在转速比较高的时候，润滑脂会慢慢分散出去，这样就造成润滑不足。我们做了一个对策，在花键上面开了一个槽，加了一个密封圈，把这个润滑脂给封在里面，这样就保证了它的润滑效能。 这也是电机的小型化。通过高减速比，电机高转速化去实现电机的小型化。搅拌油因为高转速的离心力流到行星齿轮外周，为了保证行星齿轮轴的润滑性设定接油盘。保证高转速下的润滑性，使得高功率电机通过高速化去实现小型化。
减速器的小型化，这边是电机的输出轴，经过一级减速之后传递给中间轴，最终所有负荷被这两个壳体吸收掉，所以壳体如果刚性不够的话容易产生变形。然后我们做了一下CAE解析，把壳体进行区分，从侧面到表面这样一个高度去划分，颜色表示应力，我们发现应力最大部位差不多在这个地方，也是在靠近轴承最上面的地方。后面我们把加强筋给优化了一下，通过降低它的应力，它的应力比优化之前降低了12%。我们通过抑制壳体的厚度，优化加强筋的配置来提高壳体刚性，为系统的小型化做出贡献。 这是冷却系统降低损失的措施。为了保证电机的输出功率，整个冷却系统就很重要。整个系统构成是有散热器、热冷交换器和油泵，散热器这边有个风扇，通常做法要么是一个恒定的转速，要么是低档和高档两个档位。我们在车上修改了一下变成四个档位，在冷却的温度范围里面，在低温的时候低转速，高温的时候高转速，保证最大效果的同时降低它的电费。 这是在传递侧，驱动桥的共振点跟车桥、板簧靠近，所以容易产生共振。我们为了降低振幅，在变速器上面加了阻尼器，降低它的振幅，从而减少噪音。整个增幅降低了差不多两个分贝，车内噪音降低了两个分贝。
最后是一个总结。主要有四点，为了对低碳社会的构筑作出贡献，采用车桥一体式电驱动桥的构造，开发了面向北京冬奥会的专用FCEV客车，通过以下方式达成开发目标。第一采用油冷高转速电机，实现小型化。第二是优化壳体加强筋，高压线束形状，满足车桥一体式电驱动桥必须的强度。第三是改善油回路，分割磁铁，优化冷却系统的控制，实现低损失。第四是改善NV发生侧的强制力，传递侧的敏感度，实现静谧性。 8.3清华大学关于重卡电驱动系统的研究 不同的车辆，它的动力系统现在并没有固定的或者说非常统一的模式，不同的方案大家都在探索当中。这里面比如说像直驱的，像轮边电机驱动的方案现在在军车里面也有应用了，像卡车和客车的轮边双级减速的，还有变成整体式的驱动桥，把电机放在中央。对于集中驱动方案现在已经产业化了，整个桥的驱动效率还有动力系统的重量都是比较高的。
我们针对集中驱动系统可以做一个初步的估算，基于传统的动力传动系统，传动系统重量大，效率低，大概只有85%左右的效率。 为了提高驱动系统的效率，且不说发电用什么来发电，你可以用柴油机来发电，用氨氢发动机来发电，也可以用氢燃料电池来发动，但是你的电驱动系统效率本身要高。首先大家比较容易想到的是电机和半轴同轴的方案，可以提高传动效率。 在重载的领域现在也在发展，整体式的承载式的驱动桥，只不过把桥壳内部由原来的减速和差速的机构变成两个独立的电机放在里面，也就是说从这个桥到轮边系统还可以兼容传统的系统，这是清华大学培育的企业正在研发的，针对45吨桥的大爬坡度的一个方案。
（图片来源网络） 当然针对我们在设计的过程当中，我们也认为基于现在机械桥壳的尺寸，基于现有电机的设计和制造能力，是可以放下两个电机的，通过软件的方式实现左右的差速，叫做电子差速。但是在轮边可以兼容比如说轮边减速和制动系统，还兼容传统的机械系统，这样的一个方案从电机到轮边只需要一级减速，所以它的效率可以做到96%，也就是说可以比传统的机械集中驱动方案大概提高10个百分点的传动效率，这还是非常显著的。 那么其他的，包括悬架、制动接口都可以接口传统机械桥，我认为将来带重载领域是一个非常重要的发展方向，因为我们在电驱动方面的改变，原来在城市里头跑的，一般用串联混合动力，因为串联混合动力对频繁起停的效果是非常好的，但是我们在高速工况，也就是柴油机可以直驱的方案，电动化是效率不见得改善的，比如说柴油机要用串联的方案，柴油机要带发电机，再通过驱动电机到轮边，这个传动效率不如直驱的效率。但是由于我们现在变成这样的简化的电驱桥之后，由于桥本身的效率提高了10%，即使用串联的构型，也比原来机械直驱的效率高。如果是在城市工况，它的驱动效率改善就更高了，这是给我们带来非常重要的一个影响。
（图片来源网络） 我们不仅仅瞄准的是在城区的高效性，通过电机和减速器的优化匹配，我们在5%的坡度上面，在60到80公里的常用车速，电机能够达到97%的效率，加上轮边减速器大概也是97%的效率，综合效率可以达到93%、94%。即使不是在坡，就是在平路上面，平路上面大概190牛米，仍然可以维持在94%的效率，这个效率就比传统的高出了10%。也就是说对于长途重卡来讲，每天跑800到1000公里的重卡来讲，这是一个非常重要的趋势。那也就是说通过桥的优化、电机的优化、减速器的优化，最后能够使得它的经济性比传统的驱动系统高出10%左右。 当然我们也在探索更加激进的方案，把电机直接放到轮毂里面，叫做轮毂电机，我们也进行了探索，并且装车进行了测试，它在性能上面跟现在国外整体桥来讲，不论是重量还是效率，都是有优势的。这是我们做出来的这个桥的照片，当时也是配合福田，北京市科委支持的一个项目，我们做了相关的测试，也印证了初步的性能。 我们现在基于第一轮，我们正在做第二轮，要实现高效率，就是电机到轮边一级减速，轻量化之后整个重量不到800公斤，而且高集成，实现高安全，相信很快大家就能见到。 针对公交的要求就比较低了，一万扭米是很容易实现的，并且我们也在跟中车青岛四方和长城客车厂，这种多节的，他们叫智能无轨列车，每一个都是转向驱动桥，这些将来可能都会得到应用。
（图片来源网络） 总之，电驱动方面，我们已经树立了新的效率标杆，电动化以轮毂电机为核心，或者是集中的电驱桥，高效的电驱系统将成为行业的标杆。它带来的问题是要在软件上做相应的改动，基本上在这些方面我们都要有，比如控制算法，并且要求兼容自动化的这样一个接口，就是底层的分布式驱动系统跟上层的智能化系统要完全无缝连接，也就是说这个车的驱动制动转向全面要线控化。 8.4采埃孚和一汽解放的重卡电驱动桥 ZF新能源重卡传动方面有两个产品，一个是中央驱动，一个是电驱动桥，中央驱动7月份在德国已经展了360千瓦的中央驱动的一个系统，是两个电机，两个控制器，电机就是油冷扁线电机，控制器是碳化硅控制器，里面还带三档的自动变速箱，应该说非常集成，这些零件全部集成在一起。下一代电驱动桥的理念是类似的，也是用扁形电机、碳化硅控制器，把整个制动系统集成在一起。
ZF CeTrax 2 刚才我讲的中央驱动的产品在明年应该可以小批量的生产，欧洲的一个客户已经预定，但是车桥会稍微慢一点，SOP的时间在2024年底或者2025年以后，如果来得及，如果下一届还需要的话，明年可以给大家详细介绍一下下一代的产品。我们也希望在中国各种场合举行这种技术日，跟客户共同分享，我们现在已经开始在布局国内几个比较大的OEM厂，谈接下来进一步把第二代产品引入到中国，在中国国产化，因为如果不在中国国产化的话，是没有办法实现低成本，没有办法快速来供货的，因为中国的发展确实是太快了。 ZF下一代电驱动桥额定360千瓦，量产时间大概在2025年。构型来说，是两个电机，中间有一个齿轮，你可以叫同轴或者平行轴，我们叫同轴这么一种概念，是串在一起的。这个行业有做平行轴的，下一代电驱动桥，昨天清华教授讲有可能效率达到93%，我们可以比较轻易地达到这个数。 奔驰重卡电驱桥不是ZF做的，奔驰跟ZF谈过这种合作，是基于公交车用的那种轮边驱动做的，谈过一段时间之后就没有再进行下去，采埃孚也认为轮边驱动是用在公交车上，这种工况会比较好一点。 电驱桥我们一直是非常看好的，一汽也在研发。但是我们使用场景没有把它放在长途重卡，我觉得电驱桥最适合的是中型车，中型车轮边扭矩需求不大，目前扭矩加上桥的承载相对来说还是比较适中的。 电驱桥在什么阶段可以产业化，实际上有两个。第一个是成本，现在电驱桥以6×4为例，综合成本要比中央驱动至少不要高，成本的驱动因素肯定是一个点。第二个，效率，肯定比我们传统的中央驱动好，还有一个问题就是它的可靠性，这是产业化的一个难点，这需要零部件企业给我们做一些试验，来保证整个桥在长途重卡车上的可靠。 电驱桥有很多优势，除了刚才老师教授讲的效率上的一些提升之外，它有很核心的特点，在整车布局，整车模块化、系列化上，它有一个先天优势是集成度比较高，这个优势在我们现在改我们的产品是体现不出来的，我们现在改就是为了快，为了满足市场的需求。我们后续什么时候会大规模去用，目前了解各个主机厂也在做下一代产品的开发，基本上各个整车厂下一代全新的产品开发其实都考虑了电驱桥的技术路线，因为它可以重新重构，针对新能源车重新设计，这样它的优势就能最大化的发挥出来。有些零部件厂家也在做系列化的产品开发，我觉得这个技术趋势还是很明显的，下一代新的重卡产品出来以后，有可能这一块有些产品就会在市场上会出来。 8.5轮毂电机 关于轮毂电机的市场空间，预测是到2026年，这个应用大概每年的增长率会在40.3%左右。当然根据市场的需求来看，轮毂电机是有它的优势和特点，因为用了轮毂电机之后，整车部件会减少，这样汽车的有效利用空间会增大，而且它的结构简单，成本会更低，我们相信未来它是一个发展趋势。当然，在电动车发展的领域上，比如说中国、美国、日本，我们相信它之后的使用率应该会有一个大幅度的增长。
爱思帝达耐时采用一种轴向间隙式的结构，这种扁平的结构非常方便安装，而且使用的是铁氧体永磁材料，通过降低涡流损耗的结构设计，达到了高效率，大概在96.2%，这样的话基本上具备高效率、低成本的特点。爱思帝达耐时内部开始研发设计了一个逆变器，这个逆变器也是通过降低电压波动的结构效果，降低了部品的整体成本。 爱思帝达耐时已经研发出了各种产品，而且已经用在非常多车上的样品上，还没有量产，功率是从3千瓦到31千瓦，扭矩是从12到70牛米，当然通过减速比，达到的输出扭矩可能在72、300牛米左右。 爱思帝达耐时设定的目标，对于混动我们零部件的特点是实现高性能、小型、轻量化、成本低。对于EV电动车零部件的特点，我们针对高效率，专注于低成本方面。当然，这也是我们今后一直的目标。
在轮毂电机方面，因为其实这个概念已经说了很多年，我认为有两方面比较难搞的，第一方面是簧下质量的问题，因为轮毂电机至少要用两个，要么就是四个，我们是19公斤。 关于刹车这块，这个轮毂电机，大家也看到了结构图，它有一个减速器，与刹车的联动，这可能也是我们今后和我们的客户共同设计的车体整体结构的考量。 参考资料：
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