电动车- FEV两挡电驱动单元解决方案和润滑仿真

FEV两挡电驱动单元解决方

案和润滑仿真

TransHorizon

1车辆电气化市场趋势

EDU开发：对标分析

整车-系统-部件级别对标分析

整车系统部件

30

20

10

0

500

对标评价

■整车属性■系统/部件测试

发动机

性能

变速器

电耗-电驱动单元

电机

-NVH

-电池

可靠性

功率电子器件

能量流管理成本

CNC雕刻、砂型/低压/金属重力铸造请联系无锡胜机微信号

200

150

100

50

0

5001,0001,5002,0002,500

车重[kg]

案例：整车参数对标

110

100

90

80

70

60

50

半轴速度[rpm]

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2FEV两挡电驱动单元解决方案

FEV的车辆电气化解决方案

FEV变速器概念总览

传统车辆混合动力车辆纯电动(含增程式)

微混中混全混插电混

GearBox

●Battery

FuelTank

新一代DCT包含P2■完全按需式执行机构

混动FEVDCT■达到干式DCT的效率水平

Family

用于AT和CVT■行星齿轮结构

的混动模块FEVE-PGS■电子无极式(行星组+电机)混动

■完全按需式执行机构(PREX)

单电机多模

混动变速器FEVPREX3FEVPREX1&2

多电机多模■

■低复杂度，平行轴布置

混动变速器

高性能电驱动FEVHybex3

低成本单电机■AMT技术

混动AMTFEVHDUFamily■电动扭矩支持

集成电机和逆变器的□单挡

电驱动单元■两挡FEVEDU

电机

双离合器

驱动器

齿轮箱，包含

两输入轴一输

出轴和差速器

干式双离合器

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介绍

■基于双离合技术，具备动力换挡能力

■功率：持续70kW/峰值100kW@电池电压400V

■输出扭矩：最大4000Nm

■最高车速：140km/h@8000rpm

■两挡速比级差1.6

■电驱动单元重量(湿重):80kg(估算)

■YASAP400S轴向磁场电机具有极高的功率密度

■SEVCON第五代逆变器，符合ASIL-C标准，集成FEV

的换挡控制软件

■LuK量产干式双离合器模块，低摩擦损失

■集成Bosch离合器智能驱动器

高性能车辆适用的紧凑2挡电驱动单元--参数概要

■目标：最大程度利用现有部件，实现产品短时间推向市场

最大输入扭矩340Nm,最大输出扭矩4000Nm

■平行轴布局

■支持制动能量回收和滑行模式

■可选项

电子驻车系统

可扩展至其它扭矩

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介绍

■具备动力换挡和空挡的2挡电驱动单元

■电机最大扭矩：500Nm

■最大轮上扭矩：6.000Nm

■峰值功率300kW/持续150kW

■车辆最高速度：>200kph*

■系统重量(干重)<85kg

■YASA轴向磁通电机，特点是同轴集成了逆变器，具有极高的功

率密度

■拉维娜行星齿轮组，2组制动器和一个单向离合器

■成熟的LuK按需换挡离合器执行器

■线控驻车(可选)

■逆变器，电机和变速器的联合冷却润滑系统，按照需求运行，集

成了油罐

■通过选用不同的电机和逆变器，易于扩展至较低功率等级

·取决于车辆参数和速比选择

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FEV2速动力换挡EDU-基于行星齿轮结构

集成油盒

行星齿轮机构和制动器

油冷却器

电机和逆变器

电动油泵

液压执行机构

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高性能车辆适用的紧凑2挡电驱动单元

集成的YASA电机和逆变器概念设计

电机和逆变器概念

■电机和逆变器同轴集成样式保证最小的安装空间需求

■在同一体积内，可以实现不同的功率变型(如300kW/500Nm和

220kW/380Nm)

■电机+逆变器重量只有29kg(功率密度>10kW/kg)

■电机和逆变器共享同一冷却回路

■电机最高转速10000rpm,与FEV的2挡变速箱完美搭配

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EDU结构：几挡是合适的?整车性能对EDU的要求

EDU结构快速对应图表

1-Speed

2-Speed

91503-Speed

9000180

Peak/ContRF-->

Peak/ContAF(Yasa)

Peak/ContRF-->

7500150

]

m

p

]

r

6000120W

k

m5250

[

x

N4500

K

率

[

功

围

续

范

300060持

行2450

可

1500

30

00

220280

5075100125150175200225250275300

T

o

rSpread=axb峰值功率[

qkW]

u

espeed

介绍

图表以EDU的分割线表示了不同挡位的优选区，不同区域代表满足整车

性能所需；阴影部分代表了当前产品的主要区域；左侧Y轴表示最大轮

上速度和扭矩的乘积，这项可以通过速比设置来改变某一级供应商

的EDU产品

■85kW峰值，56kW持续、2000Nm,nmax1250(对应表中2450)

FEV同轴单挡EDU

220kW峰值，100kW持续、3500Nm,nmax1500(对应表中

5250)

FEV/yasa2挡EDU

■280kW峰值，140kW持续、6100Nm,nmax1500(对应表中

9150)

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EDU结构：几挡是合适的?

能量消耗

WLTP循环中的电量消耗-1挡VS2挡

特殊布置

17.4

1挡电耗[

17.3kWh/100km]

2挡电耗[kWh/100km]

17.2

17.1

17

2消EDU具有-2%的能耗

优势

16.9

1st<->2[12,0k->8,5]1st<->2nd[19,8<->11]

16.8

15t<->2a1103<->6,01st<->2nd[12,0<->6,67]

16.71st<->2nd[12,0<->6,67]

567891011121314151617181920

速比，包含终减速[-]

■WLTP循环仿真：

-1550kgSUV

120kW峰值功率，150km/h最高车速

热车状态

考虑换挡损失

主流的传统系统和永磁电机参数

■1挡电耗：17.02~17.12kWh/100km

■2挡电耗：16.75~16.83kWh

■2挡提升能量效率1%至2%(特殊情况下达到3.5%)

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轻型商用车：计算轮上扭矩一真的需要两挡吗?

轮上扭矩计算结果

400030%坡度情况下需要的起步扭矩和总车重

—T_roadl

Peak1st一—T_roadl_3%

3500

一—T_wheel_1st_cont

——T_wheel_2nd_cont

3000—T_wheel_1st_peak

—T_wheel_2nd_peak

Continuous1st

2500装备单速变速器的车辆

最高速度只能达到

Peak2nd105kph

2000

在最高车速时，功率被

1500Continuous2nd完全利用

1000

500

306090120150

VehicleSpeed/kph

车速[kph]

1挡vs2挡

■3.5吨级别轻型商用车(MercedesSprinter,FordTransit)

1挡速比根据满足30%坡度起步要求定义

装备单速变速器的车辆最高速度只能达到

105kph

限制于电机最高转速

功率无法在平路上被完全利用，有剩余

■2挡变速器可以实现145kph的最高速度

电机功率可以在平路上完全被利用

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轻型商用车

对比1挡vs.2挡-仿真结果

8000Enginespeed

6000

4000

2000

200400600800100012001400

MotorTorque

200

-100

0200400600800100012001400

150BatteryPower

100

50

-50

0200400600800100012001400

4BatteryEnergy

3

2

1

0

200400600800100012001400

VehicleSpeed

100

50

200400600800100012001400

WLTP时间[s]

□WLTP循环电能消耗量：

-1挡：24kWh/100km

-2挡：23kWh/100km

-4%优势

■105kph持续行驶：

-1挡：41kWh/100km

-2挡：35kWh/100km

-14%优势

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3产品概述

同单挡减速箱对比，两挡减速箱能使整车获得更好的动力性和经济

性。匹配同一款电机，两挡减速箱可以获得更高的极限车速、更少

的百公里加速时间和更大最大爬坡度，同时通过高速挡和低速挡之

间的切换，可以使电机尽量工作在高效率区间。

本文将介绍一款FEV公司研发的一款新型两挡动力总成，其结构相

当新颖前卫，不同于当前其他两挡动力结构总成。该动力总成适用

于纯电动汽车(BEV)和混合动力汽车的后桥(PHEV-P4)。

FEV公司的这一款动力总成由电机、电机控制器和减速箱高度集成，

在业界也称之为“三合一动力总成”。该两挡动力总成具有两个前

进挡位，低速挡位的传动比为12.3,高速挡位的传动比为8.48,速

比极差为1.45。

在传统单挡三合一动力总成中，整车的空挡是靠电机的停机实现，

但FEV的这套动力总成的减速箱可以在结构上实现空挡，将电机和

车轮端的动力连接断开，所以该总成也可以很好的应用于后桥。在

动力总成中设计有驻车齿轮和驻车执行机构，可实现整车驻车。

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动力总成的最大轮上扭矩高达6000Nm,最大输出功率为300Kw,

持续输出功率为150Kw。

驱动总成宽度为554mm,长度为496mm,宽度为338mm,电

机部分直径为285mm,可见其结构相当紧凑，匹配纯电动汽车

(BEV)完全没有问题，同时适用于对空间要求更为苛刻的混动

汽车后桥(PHEV-P4)可能性更高。

整个总成在不包含润滑油的情况下净重小于85Kg。

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4细节结构

HCA转速

电机传感器

冷却器

电机控制器油泵

输入轴

行星齿轮组和

集油箱制动器总成

高压线束

差速器

带驻车齿轮驻车机构

的中间轴

动力总成的换挡元件为两个离合器，采用液压执行机构控制其结合

与分离。熟悉市场产品的读者应该一眼就看出，这套系统就是舍弗

勒的HCA(流体静压离合器执行机构),该结构已经大量应用于

各类产品，性能稳定性可靠。

HCA包含两个无刷电机，分别驱动两个主轴，通过建立压强推动

液压活塞。HCA执行动作时没有液体泄漏，很好地保证了分离结

合的有效性和及时性。在减速箱上有转速传感器，用于检测动力总

成的转速。

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整个动力总成的润滑方式不同于传统水冷电机+飞溅润滑减速箱的

动力总成，而是将电机、电机控制器、减速箱连通，整体采用润滑

油动力润滑。

这种润滑方式结构巧妙，润滑充分，有效保证动力总成在高速工作

的稳定性。电动油泵从油底壳中将有抽出，经过冷却器的冷却，流

入到电机控制器中，经过电机再返回到变速箱中。

在减速箱中，润滑油被分割为两部分，一部分用于冷却减速箱中的

行星排和传动齿轮，另一部分储存在减速箱上方的集油箱中用于缓

冲。在这里增加集油箱不但能进一步的充分的润滑轴系和轴承，还

能智能控制减速箱中润滑油液位的变化，大大减少搅油损失，提高

传动效率。

动力总成的减速箱由输入轴、中间轴和差速器组成。其中电机转子、

行星齿轮组和制动器总成都位于输入轴上。中间轴上的两个齿轮实

现二级减速，增大传动比范围。

其驻车机构采用的是棘爪式驻车机构，驻车齿轮位于中间轴上，电

机执行驻车动作。这种驻车机构在各类自动变速器中已大量使用，

技术较为成熟，成本低廉。

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差速器实现左右车轮的差速转动。

该动力总成搭载的是YASA的P400S轴向磁通电机，同轴集成了

SEVCON公司的电机控制器。从图中可以看到，该电机呈扁平状，

其轴向结构相当紧凑，宽度大概在75mm左右，直径为285mm,很

好的保证了最小的安装空间要求。

电机的最大功率为300kW,最大输出扭矩为500Nm,最高转速

10000rpm。并且在同一体积要求下，可更换为最大功率为220kW,

最大输出扭矩为380Nm的电机。

电机和控制器的总重量只有29kg,具有极高的功率密度(>10

kW/kg)。电机和控制器共享同一冷却回路，采用润滑油冷却。采用

4颗长螺栓同时穿过电机和电机控制器，固定在减速箱的箱体上，安

装方式简单快捷。

YASA即YokelessAndSegmentedArmature。

YASAMotors位于英国牛津，YASAMotors推出的领先的轴向磁通

电动机已经被应用在电动汽车(EV/BEV)、混合动力汽车(HEV)

和工业应用领域。

业内专业人士对YASAMotors产品的尺寸和重量感到非常吃惊，该

电机定子铁心采用SMC材料其高转矩密度可达到30Nm/kg,高功

率密度可达到10kW/kg,YASA-750电机产品在仅有25kg重量时，

可表现出750Nm和100kW的峰值性能，该产品现在已推向市场。

最新的YASA-400产品经过了先进的性能优化设计，在仅有22kg的

小重量和尺寸情况下，可达到150kW(700V)的峰值功率和

400Nm的峰值转矩，这种轻量级电机产品很快推向市场。

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5传动原理

EM(SS)

Zs₁

YASA公司其他两款电机参数

项目YASA-750YASA-750

峰值扭矩750Nm400Nm

持续输出扭矩400Nm220Nm

峰值功率100KW100KW

持续输出功率50KW85KW

最高效率95%95%

重量25kg22kg

体积7L280*75

二级行星齿轮

齿圈及轴

行星架及轴

太阳轮及轴大太阳轮及轴

一级行星齿轮

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该总成的两挡减速箱的核心是一套拉维娜式行星齿轮组，以及2组

制动器和一个单向离合器。

从结构简图上可以看到，电机转子从小太阳轮输入动力，B1制动

器用于锁止行星架(行星架同时连接一单向离合器，笔者暂不知道

其作用，欢迎各位读者评论指导),同时制动器B2用于锁止大太

阳轮，齿圈输出动力，再通过减速齿轮和差速器等传递到车轮。

控制制动器B1和B2的打开和结合，实现两个挡位的切换。

挡位原理

项目B1B2OWC传动比

1挡结合打开(工作)i=nzs1/nzr=α₁=Z,/Zs₁>1

2挡打开结合

B1/B2:制动器OWC:单向离合器

拉维娜式行星齿轮组运动方程

单排双级行星齿轮机构运动方程：

nzs1-α₁nzr=(1-α₁)·nzcα₁=Z/Zs1

单排单级行星齿轮机构运动方程：

nzs2+α₂nzr=(1+α₂)·nzcα₂=Z/Z₂

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1挡：

此时B1制动器结合，B2制动器打开，行星架被固定，电机

的输入动力经一级行星齿轮，二级行星齿轮传递到齿圈进行输

出。

nzc=0,且动力仅由单排双级行星齿轮机构传递，则运动方程

为：

nzs1-α₁nzr=0

传动比i=nzs1/nzr=α₁=Z/Zs1>1

驱动电机传动同向减速增扭。

2挡：

此时B1制动器打开，B2制动器结合，大太阳轮被固定，电

机的输入动力经一级行星齿轮，行星架传递到齿圈进行输出。

ns₂=0,则运动方程为：

nzs1-α₁nzr=(1-α₁)·nzc

α₂·nzr=(1+α₂)·nzc

传动比i=nzs1/nzr=(α₁+α₂)/(1+α₂)>1

驱动电机传动同向减速增扭。

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未来EDU集成度提升-高效，小型化，低成本为目标

分体设计

FEV2合1电机与变速器集成，逆变器贴附在其顶部

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适用于乘用车和轻型商用车的2挡电驱动单元

逆变器由

SEVCON

提供

变速箱由

FEV开发

电机由

YASA提供

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6飞溅润滑仿真分析

仿真工况设置

工况1工况2工况3工况4

模式

纯电动-前进纯电动-前进纯电动-倒退…

温度

208080…

电机转速

2000820410…

倾角

noyesno…

网格重叠设置几何模型修整

Magnitude(m/s)

网格生成仿真可行性检查

网格生成步骤

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仿真结果-第一阶段--油液速度可视化

a)

OperatingpointNo.1

Enginespeed0(rpm)

Motorspeed-2000(rpm)

Differ.speed-198.873(rpm)

SolutionTime0.000416667(s)

TimeStep5

油位

监测结果

功操失

Gearwheel9queSpeedrpm

Differential0.279-198.875.82

E-Motor0.003-2000.000.61

Engine0.0000.000.00

Generator0.0000.000.00

Intermediate-0.041753.623.21

Total9.64

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Gearbearingouter

ringlocation

润滑率/%

No.TypePart(right/eft)

1TonnesBearingDifferentialI69.11

2TonnesBearingDifferentialr66.30

3BallBearingE-Motorr0.00

4BallBearingEnginer0.00

5BallBearingGeneratorr0.00

6TonnesBearingIntermediate91.49

7TonnesBearingIntermediater0.00

8GearTeethDifferential78.09

9GearTeethE-Motor2.11

10GearTeethEngine2.73

11GearTeethGenerator0.00

12GearTeethIntermediate18.87

第2阶段设计优化--几何结构修改

螺栓改型

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减少油量的设计增设导油结构

结果对比

1st阶段2nd阶段

Differ.s

电机轴承位置润滑油量显著增加

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TransHorizon

监测结果

功率损失/W

Speed/Stage1Stage2

Gearwheelrpm

Differential-198.875.822

E-Motor-20000.611.76

Engine000

Generator000

Intermediate753.623.212.48

total9.646.24