概述：电传动系统为满足日益严格的二氧化碳排放要求做出了重要贡献。因为重量和车辆等级范围更广，与乘用车相比，商用车面临的挑战更大。为了满足这些要求，采埃孚推出了一款新的几乎涵盖所有卡车和客车应用的模块化套件。
世界范围内许多地区的立法者已经制定了减少车辆二氧化碳排放的战略举措。这尤其适用于商用车。因此，所有的制造商和供应商都在加紧研究电驱动的解决方案。电池电驱动已经在城市公交车上使用多年，它们也是郊区卡车运输的首选。然而，在长途线路上，电池的重量和空间要求以及续航里程是主要的挑战，这就是为什么在此考虑基于燃料电池技术的驱动方案。替代驱动技术大规模进入市场的先决条件是快速铺开和全面可用的相应的充电或氢燃料补充基础设施，包括所需的电或氢的再生。
第一代电动商用车驱动
无论电能的来源是电池还是燃料电池，商用车都需要高效、稳健、可靠和经济的电驱动。采埃孚凭借前几代商用车电驱动专注于选定应用。Axtrax AVE门式桥是第一个专门为低地板城市公交车开发的全电动系统解决方案。它自2018年开始量产，特点是靠近车轮的电动机。之后是2020年的电动中央驱动装置Cetrax，由于传统轴系统可重复使用，它很容易集成到现有的车辆概念中。Cetrax lite是Cetrax的补充，是一款总重7.5吨的轻卡中央驱动装置，自2023年夏季开始量产。
开发前几代产品时已考虑了协同效应，例如电动机和电力电子设备。特别是在乘用车领域获得的经验可以追溯到很久以前，早在2008年，采埃孚就在欧洲首次量产了用于混合动力汽车的电动机。
将该技术应用于商用车需要进行特定的调整，特别是在性能、稳健性和使用寿命方面有更高要求。商用车的驱动概念可以反过来应用于其他车型。例如，Cetrax已成功应用于专用和越野车辆，以及全电动和混合动力驱动的船舶。
用于电动中央驱动和桥的模块化套件
近年来，对不同传动系统布置的需求相当多样化。与传统驱动桥相结合的中央驱动和电驱动桥都有需求——两者都有中央布置的电驱动装置，也有用于低地板客车的带有近轮电动机的门式桥。在一个单独的单元中，电驱动桥结合了内燃机与发动机制动、变速箱与缓速器、传动轴和集成差速器的传统驱动桥在传统传动系统中所涵盖的所有功能。
每种传动系统变型都有其优点，如表1所示。在效率和灵活性方面，评估取决于是否考虑在卡车、客车或城市公交车上应用。即使从长远来看，可以预期所有传动系统可共存，但有中央定位驱动的电动桥份额越来越多。它们更适合整体高容量的标准应用，驱动装置的安装空间小尤为重要。中央驱动可能主要涉及集成电动桥的工作量过高或有特殊要求的应用，例如车辆质量高或有极限爬坡能力。电动门式桥将主要用于低地板客车。
所有电动传动系统布置的预期的长期市场需求需要一个模块化的平台方法，可用于派生不同的用于特定应用的驱动系统变型。采埃孚目前正在开发这样一种模块化套件，几乎可以覆盖所有类型的公共汽车、卡车。在某些情况下，还可以覆盖具有标准化和可扩展驱动装置的特种车和越野车。两个中央驱动系统Cetrax 2 dual和Cetrax 2以及三个驱动桥系统Axtrax 2 dual，Axtrax 2和Axtrax 2 LF都是为此目的而设计的。新产品将从已用于卡车制造商在公共道路的车辆上的Cetrax 2 dual开始，为量产陆续开发。图1、图2和图3显示了它们包含主要部件的设计。
图1 以Cetrax 2双缸为例的电动中央驱动系统设计(©采埃孚)
图2 以Axtrax 2双轴为例的电动驱动桥系统设计(©采埃孚)
图3 Axtrax 2lf电动门式桥的主要部件设计(©采埃孚)
模块化平台的设计方式是，所有五种系统产品仅配备两种电动机变型和一种逆变器变型，见表2。包括软件在内的电动执行器和电子控制单元也统一用于所有驱动系统。这节省了开发资源，提高了单个部件的成熟度，并实现了生产中的规模经济。此外，采埃孚正在开发全自动三速变速器。由于需求变化大，加之整车质量高，多速变速器是必不可少的。它们还可以在相关驾驶循环中实现关于能源效率的最佳设计。由于Axtrax 2LF的平均速度较低，因此恒定的比率仅适用于城市公交车。
表2 有标准化部件的模块化平台，可在所有产品和细分市场实现最大可扩展性(©采埃孚)
所有子系统都完全集成到驱动系统中。这增加了负载、电池和乘客舱的可用安装空间。使用Axtrax 2 LF电动门式桥时，由于低地板客车空间有限，逆变器和电子控制单元安装在车辆内。在研发方面，采埃孚特别注重驱动系统和制动系统的最佳交互，这两个系统都是采埃孚的内部产品。各驱动型号的技术参数见表3。
表3 采埃孚新一代电驱动技术参数(©采埃孚)
模块组件
模块化套件的所有组件——电动机、电力电子设备、包括软件在内的电子控制单元、变速器和轴——都是内部开发和生产的，确保了最佳的系统集成，并优化了驱动系统的整体效率。
图4 主轴电机，永磁体转子，发夹绕组定子(左)，右图:与Cetrax 2和Axtrax 2集成的基于碳化硅的电力电子设备(右) (©采埃孚)
电动机设计为三相永磁同步电动机，定子采用发夹绕组，如图4(左)。这两种电动机的直径不同，但使用相同的技术。高铜填充率提供了高功率和高扭矩密度。为电动机开发了一种新的冷却概念。转子和定子完全用油冷却，实现高连续功率。油被泵入电动机，以吸收主要产生的热量——定子中的热量。为此，一个集成的电动油泵施加压力润滑。油通过热交换器连接到车辆的冷却水回路。主要是由于油泵的需求驱动控制，整个冷却系统设计为最佳冷却和润滑性能以及最低的能源消耗。
与电动机一样，碳化硅(SiC)逆变器的概念源于乘用车的量产开发。它们还受益于协同效应和规模经济，并根据商用车的特殊要求进一步开发，见图4(右)。这同样适用于电力电子软件。逆变器可以在450到850 V的电压范围内工作。根据不同的应用，可以使用集成的变型或单独的组件安装在车辆中。电力电子设备是水冷的。
集成三速变速器基于同轴布置的行星齿轮组。它重量轻，但功率密度高。速比适应电动机和逆变器的特性，以获得最高的整体驱动效率。该平台的驱动系统配有两个电动机，可实现动力换挡功能，因此换挡不明显。换挡策略是基于倾角传感器的信号和车辆质量，并通过一种特殊的算法计算。由于其高效率，由电动执行器控制的狗齿离合器作为换挡元件。例如，与多盘离合器和液压泵的动力转换原理相比，在变矩变速器中，可以减少安装空间和重量以及提高约0.5%的效率。
图5 电机解耦部分载荷和优化比率提高系统效率(©采埃孚)
双电动机变型的另一个特殊功能是，如果所需功率少，可以将其中一个电动机分离。图5为电动机的一些典型工作点的性能示意图。在这个车辆总重为40吨的示例中，第二个电动机可以在时速最高85公里/小时和0%坡度的行驶情况下关闭。由于有源电动机在一个明显更好的效率范围内运行，系统效率提高了1%。
此外，智能换挡控制在车桥型式为6x4的卡车应用中也是一个重要方面，例如有两个Axtrax 2驱动桥的三轴牵引车。在这里实现了几个功能，例如在第二轴的帮助下实现轴的动力转换，以及在需要较少牵引力的情况下实现驱动端轴的解耦。
对于只有一个电动机的驱动系统，采用了所谓的隐藏换挡原理，以协调驾驶舒适性、效率和性能。这意味着电子设备总是基于功率要求和使用全电动马达的速度和扭矩，试图在驱动情况下几乎察觉不到地换挡。第二个挡位是标准的启动挡位，由于爬坡能力足够，将覆盖大多数驾驶情况。只有需要很高的爬坡能力和很高的车辆质量时，才使用第一挡。第三挡用于在高速行驶时提高能源效率。该算法还避免了加速和复原阶段换挡。主要在车辆静止时降挡。
新的电动驱动平台使用电动执行器换挡。它由电动机和带传感器的集成齿轮组组成。可控性精确，排放噪音低。执行器是为要求苛刻的商用车应用而设计的，是电动机和变速器高度集成的必要先决条件。
电子控制单元作为中央计算机，在传动系统中起着举足轻重的作用。它包含换挡策略，控制换挡，从而负责由电动机，逆变器和变速器组成的系统的整体效率。它还控制电动机之间的扭矩分配，并代表与车辆的接口以及与诊断的连接。在模块化电驱动套件的情况下，采用了新的EST90电子控制单元，该单元具有高性能多核计算机和商用车专用设计。它不仅控制变频器，还控制两个执行器和电动油泵。
与整个驱动平台一样，软件架构基于经过证明和验证的模块，其中一些模块已经在电力驱动中使用并持续进一步开发了十年。这减少了开发工作量，特别是针对特定于应用程序的功能，并实现了最佳性能和可靠性。
电子控制单元符合ISO 26262关于网络安全和功能安全的所有适用规定。此外，EST90还具备无线更新和状态监控等功能。然而，这需要相应的通信接口。因此，可以设计预测性驾驶策略和维护概念。
展望
基于现有的技术，可以预期进一步的发展潜力，特别是在电动机和逆变器方面。从本质上讲，新的无磁铁电动机概念、新的绕组技术和新的发动机冷却方法将在商用车领域进行可行性和附加价值的研究，如图6所示。
图6 商用车电机的发展潜力(©采埃孚)
作为目前电动汽车中最常用的永磁同步电动机的替代方案，正在研究一种进一步发展的分励同步电动机。可以不用含稀土的磁铁了。与这种类型的普通系统相比，感应能量转移可以显着减少损失。此外，该解决方案具有更小的安装空间和可比较的性能数据。电流传输不需要电刷元件或滑环。
同时，采埃孚开发并获得专利的编织缠绕技术是连续发夹缠绕的进一步发展，与现有的发夹缠绕技术相比，有望实现更小的缠绕头和更少的焊接点。在冷却方面，可以想象，例如，油直接在铜线周围流动。这可以进一步提高连续功率以及功率和扭矩密度。此外，这种冷却概念省去了热稳定性所必需的重稀土元素。
图7 商用车逆变器技术的发展潜力(©采埃孚)
例如，在电力电子方面，采埃孚正在研究离散双封装(DDP)方法，该方法也可能应用于商用车，如图7所示。使用DDP半导体开关，电源模块可以设计成一个可扩展的平台，其中芯片，外壳和冷却板的数量可以调整。这允许更高的SiC材料产量。同时，高度垂直集成提高了可用性和灵活性。
除了电力驱动系统内部的效率提高之外，电力驱动和制动系统的连接和功能集成代表了另一个重要的发展领域。除了进一步提高整体车辆的能源效率的潜力之外，这也为优化安全性和舒适性功能开辟了新的可能性。
参考文献：MTZ worldwide 202312。
审核/审校：刘树富
翻译/编排：胡红怡
来源：天下商用车
