博世-用以提高电动车传动效率的紧凑钢带式 CVT

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摘要

运用单速变速箱驱动电动汽车（EV）的电机面临着挑战性的扭矩和速度需求，来实现内燃机动力传动系统提供的全部特性，例如以更高的速度长途行驶或牵引拖车。电动汽车的发展必须克服多种挑战，例如扩大行驶里程、缩短充电时间以及在低速和高速条件下性能和效率之间的折衷。本文提出了一种基于专用无级变速器（CVT）和电机设计的系统方法，为解决这些难题提供了解决方案。这就产生了一个高效且经济的动力系统概念，其中 CVT 的额外成本主要通过降低电气部件、冷却系统和蓄电池的成本来补偿。

减少电动机最大扭矩和速度要求的 CVT 可以减少活动部件的尺寸和成本。电机和钢带式 CVT 的结合可以提供电动汽车购买者对其车辆期望的良好性能。本文将研究结果结合到不同的主题中，以证实这些说法。基于仿真的各种电动汽车动力传动系统配置对比研究表明，相对于单速电动汽车，在 WLTC 循环中可以将能耗降低 3%至 4%。

简介

动力传动系统的历史表明，变速箱的趋势是清晰一致的，其特点是档位步数不断增加。通过更好地匹配内燃机（ICE）的最佳工作条件以及客户对驾驶舒适性和性能的需求，可以找到降低燃油消耗的动机。目前，随着齿轮数量的不断增加，电气化的发展趋势也越来越具有革命性，混合动力和纯电力驱动都体现了这一趋势。在混合动力传动系统展示了从传统变速器上的模块化解决方案到专用设计等多种配置的地方，电动传动系统遵循了一个更加统一的概念。在这里，从电动机到车轮的固定齿轮减速驱动是主流解决方案。这种策略是由电动机的特性支持的：从静止状态提供高扭矩，提供大的速度范围，并具有对运行条件依赖性较小的效率特性。

尽管如此，对于电动汽车（EV），类似于 ICE 动力系统，随着时间的推移，市场需求会越来越严格。关于电动汽车多速变速器主题的各种论文讨论了其潜力。作为多速变速器的替代方案， CVT也是一种非常有竞争力的方案。这篇论文专门讨论这个问题。

电驱动系统的性能要求

在对电动机（EM）的简化描述中，我们采用了最大扭矩、功率和速度，如图 1 所示。

图 1: 电机特性图

变速器定义了电机特性和车辆要求之间的正确联系。EM 最大转速速度限制和所需要的功率与所需的车辆最高速度相匹配。电机转矩限制需要与爬坡能力或路缘爬坡能力相匹配。变速器减速比应足够大，以提供所需的车轮扭矩，但同时必须足够小，以使车辆达到最高速度。根据电机特性，这可以用一个固定的传动比来解决。如果这不可能，则需要考虑折衷要求或多速变速器。

2 挡变速箱的增加带来了 1.5–2.0 的典型传动比覆盖范围，从而降低了电机的最大工作速度（图 2），可以采取这样的措施确保高速可行性来降低 EM 的成本。根据传动结构、AMT 或 DCT 技术，关键性能指标（KPI）将受到影响。在某些情况下，AMT 的换档舒适性可能成为一个问题，而DCT 则进一步提高了系统成本并降低了效率。表 1 展示了 KPI 的具体结果。

图 2. 引入二挡变速器带来的影响

表 1. 不同变速器的各项KPI指标评估

为电动汽车设计的CVT

在动力系统中引入 CVT 带来了许多新的特性。与 2 速变速器相比，它显著提高传动比覆盖率，提供了新的可能性。此外，CVT 不会对舒适性产生负面影响，因为传动比的变化是连续的，并且没有扭矩中断。与传统的 ICE 动力传动系统相同，CVT 能够在最有效的传动系统条件下运行。这一方面部分受到驱动变速器所需能量的影响。基于 CVT 的电动汽车动力总成需要一个完整的设计理念。CVT 简化了电动机的规格，低比率增加了车轮的扭矩，这使得电磁设计的最大扭矩更低。在传动比覆盖范围的另一侧，超速传动（OD）比使 EM 能够在较低转速下达到最大车速。因此，电机可设计为较低的最大速度。在这样一个缩小的操作区域内，必须在电磁和电力电子（PE）的效率优化方面作出较少的妥协。(图 3)。

图 3. CVT 可以使电机变得更小

能耗结果敏感性

用不同数据集进行的能耗模拟表明，结果与所用电机特性有很强的相关性。电动机之间的主要区别可以用 E-line 位置来表示。E-line 线被理解为连接每个功率级的最佳效率点的线。在图 4 两种典型情况显示为“电机 A”和“电机 B”。它们在提供最佳效率的电机速度上存在差异：在低速时，“电机 A”具有最佳效率，在高速时则为“电机 B”。为了强调效果，图形有点夸张。

图 4. 两种电机的最佳效率特性（E-line）

在图 5 一档的整车载荷图如图中红色的曲线显示。利用此图可以得出单速变速器的一些初步结论：

1. 他需要更加动态的工况来接近 E-line

2. 电机特性 B 最适合高能经济

3. 在较高的车速下，与 E-line 的偏差增大

图 5. 两种不同电磁波特性的影响

在本章介绍 CVT 时，由于电机 A 或 B 的特点，电机的最大转矩和最大转速保持不变。在下一章中，将讨论 EM 与 CVT 相结合时的裁员潜力。这样的精简为进一步的系统优化提供了可能。

如图 6 中所示的例子, 对于单速动力传动系统，车辆的电机扭矩和爬坡性能保持不变，如图 5 所示，这可以通过低速比下 CVT 的道路荷载曲线位置来识别，该位置等于单速下的道路荷载曲线位置。通过道路荷载条件下的红色区域，可以识别 CVT 比扩展的影响。从这个例子可以看出，CVT 可以使:

可以选择合适的低档速比（CVT-LOW）来满足特定的车辆动力需求
更宽的变速比可以使工况点更加靠近 E-line
在较高的车速下，与单速相比，效率优势更大

图 6 两种不同电机特性下的 CVT 潜力

CVT可以使电机变得更小

之前讨论过，在电动汽车动力总成中集成 CVT 时，还必须考虑 EM 和 PE 的规格。为了评估潜力并对该主题有更多了解，我们进行了更详细的研究。在这个评估阶段，还没有专门的硬件设计，CVT 特定的 EM 是用相同的设计工具链定义的，该设计工具链用于参考“传统”规格的 EM.参考 EM 的主要特征:

峰值功率：111 [kW]
峰值扭矩：213 [Nm]
最大转速: 16000 [rpm]

基于 C 级车辆和比例覆盖率为 4.0 的 CVT，定义了缩小型电机所需的规格。根据相同的爬坡能力和爬坡要求，选择了单级减速器和 CVT 的传动比。为 CVT 设置了两个系统：一个基于与单速相同的 EM（参考），另一个基于缩小的 EM (图 7)。

图 7. 仿真研究中的动力系统参数

两种电机的特性都显示在了图 8。缩小后的电机特性是:

峰值功率：96 [kW]
峰值扭矩：83 [Nm]
最大转速：12000 [rpm]

图 8. 参考电机和缩小后的电机

由于缩小过后的电机的速度和扭矩有限，因此单速传动不能满足技术。如果单速变速器与参考电机（甚至更小与缩小电机）的组合不满足最大速度要求，则具有较小最大功率的缩小电机（与CVT）满足所有性能要求。

CVT的能耗潜力

CVT 还可以减少能量消耗。基于 C 级车、优化过后的 B 型电机以及优化过后的 CVT 变速机构带轮系统，进行了在 WLTC 工况下的仿真。以单速传输结构布置为参考。图 9 显示，仿真结果显示能耗节省效益达到约 3%到 4%，后者是客户的模拟结。虽然看起来很有希望，这些结果必须要等到进一步的硬件来验证。

图 9. 能耗评估 (WLTC)

除了 WLTC 循环之外，还根据优化的拓扑结构，对美国联合循环和几种恒速条件进行了评估。结果如图 10 所示：

在美国联合循环中，CVT 可降低 4%的能耗。
在匀速行驶时，能耗减少在 2%到 10%之间

最大的能耗节约（>5%）通常发生在车速低于 80 km/h 时。

图 10. 不同的循环工况对 CVT 相对于单档减速器的能耗减少的影响

考虑到之前对电机类型的解释，必须注意，电机的特点主要类似于“电机 B”，这不是 CVT 的最佳匹配电机。图 10 中的深色箭头表示 A 型电机可能具有更大的潜力. 这将是继续研究的主题。这两项研究都为基于 CVT 的电力传动系统提供了良好的基础，因为它们已经揭示了 CVT 可以减少能量消耗或缩小电机的潜。如图 8 所示的更小的电池（保持相同续航里程）或更小的电动机可以补偿掉由于引入 CVT 所带来的额外的系统成本。本章中讨论的真实驾驶条件往往会进一步提高 CVT 的能耗节省量。

CVT可以改善动力性

如前几节所述，使用 CVT 在某些工况提供性能优势。如果大多数电动汽车的起步加速性能是可以接受的，那么由于电动机的特性，在更高的速度下可能会缺乏加速性。CVT 可以用来克服这一缺点。电动汽车的最大车速也是一个问题，特别是在世界某些地区。同样，CVT 可以提供解决方案来克服上述挑战：

基于之前的使用场景的仿真结果显示：

CVT 可以达到相同的 0-100km/h 的加速时间
在 80-120 km/h 加速时，CVT 可以减少 13%的加速时间，在 100-150 km/h 加速时，CVT 可以减少 20%的加速时间。
CVT 可以将最高车速提高 17%。

图 11 显示了单档和 CVT 持续输出功率的一个例子。电机在高转速下的持续功率输出会受到散热条件的影响。CVT 可以非常好的克服这个缺点。

图 11. 相对于单极减速器来说，CVT 可以使输出功率更大使最高车速更高

关键性能指标总览

如表 2 所示，在表 1 中加入 CVT 的指标参数。最大速度和扭矩要求降低可以降低电机的规范，使尺寸、重量和成本降低。整个系统的成本降低取决于电池容量的缩小潜力，这取决于效率的提高，收到使用场景和电机特性的影响。

表 2. 不同传动系统与 CVT 的关键性能指标

基于CVT的纯电动汽车的主要部件

前面的章节解释了在使用专用的、缩小尺寸的 EM 时，电动汽车使用 CVT 的好处是最佳的。然而，如果只是直接使用参考电机，CVT 所能带来的能耗节约也有限。当然如果没有电机变小带来的好处，系统的成本和尺寸都会处于一个相对劣势。关于电机的更多细节内容都在“CVT 可以使电机变小”这一小节中。

这个研究都是基于一个被验证为可靠、平稳和安静的钢带式 CVT. 在传动效率方面，最新的减少变速机构损失的新的技术会使 CVT 方案更加具有竞争力。与基于 CVT 的动力传动系统相比，基于电动车的 CVT 在动力传动系统的效率方面会有显著差异，因为速比范围较小。传统内燃机的速比范围为 7，而运用于电动车的 CVT 速比范围仅为 4。如图 12 显示，新的速比范围会更加集中于高效区。

图 12. 减少损失(1) 和减小速比范围(2)9可以使 CVT 效率增高

NVH 性能可能对电力驱动更为重要。钢带的 NVH 性能一直都受到市场好评。除了钢带本身良好的 NVH 性能之外，相对与一档更大的速比范围可以使传动系统转速变低从而带来更大的 NVH 改善。

最后，在不中断扭矩的情况下，传动比的连续变化使驱动舒适性保持在高于有极式变速箱的水平之上，而与单速变速箱相当。

与传统的内燃机系统相比，电动车中的 CVT 速比范围更小，因此消耗的液压能量更少。主要是因为带轮上的液压缸冲程更小以及不需要类似逆变器还有 DNR 类似的机构。电动汽车CVT 的液压驱动概念方案是一种带有电动液压泵的“按需供给”系统。图 13 展示了该系统的结构。

驱动变速器带轮的高压液压能量由专用电动油泵（ELOP）提。为了将能耗降到最低，第二个ELOP 提供用于冷却和润滑的低压。带轮加紧压力控制和速比控制由两个直接作用电磁阀控制（直接电子换档控制）。高低压泵的排放压力由其各自的泵速直接控制，按需控制。这一设置实现了最小数量的组件，从而具有非常低的泄漏。

图 13. 电动车用 CVT 的液压结构原理图

结论:

对于电动车辆，与单档动力传动系统相比，多档动力传动系统可降低系统能耗。
减少的幅度很大程度上取决于车辆类型和电动机的特性。
CVT 可降低恒速行驶时的能耗。
在低扭矩和高转速下效率最高的电机最适合单档动力传动系统。
CVT 具有更广泛的速比覆盖范围，为电机提供了小型化的潜力。
电机的缩小，固定续航里程电池单体的数量减少等，会补偿额外引入 CVT 所带来的系统成本。

来源：电动新视界

汽车电力电子电机传动 NVH 控制

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首次发布时间：2023-06-15