舍弗勒黄超:舍弗勒在汽车动力总成电气化旅途上的探索

NE时代新能源

阅读 1611    更新于2022-10-03 20:16:00

2022年9月21-22日,由NE时代主办,巨力自动化总冠名,巨一动力、中车时代电气、华域电动、上海电驱动战略合作,华为数字能源、智新科技生态合作的“2022(第二届)全球xEV驱动系统技术暨产业大会”在上海嘉定圆满召开。

舍弗勒大中华区电驱动桥业务单位负责人黄超以“舍弗勒在汽车动力总成电气化旅途上的探索”为主题做了以下分享。

以下为演讲实录:

大家下午好,我今天分享主题是“舍弗勒在动力总成电气化道路上的探索”。我们舍弗勒在传统动力总成领域还是做得不错的,目前全球去年销售额达到136亿欧元。我们有85000多名员工,但是越是这么大规模的企业,一定会面临电气化转型过程当中很多新的挑战,换句话说,我们原来优势的地方慢慢变得没有那么强大了,我们需要探索一个新的道路,如何进一步发展,让我们的业务能够持续增长。很早我们就开始在电气化领域布局,今天很高兴能够给大家分享一下我们在电气化探索过程当中的思考。我今天的分享分为四部分,舍弗勒电驱动全球的整体情况,以及大家越来越聚焦的电机、电驱动桥以及我们的混动产品的解决方案。

第一,总体来说舍弗勒是按照立足于本地服务于本地的战略部署全球的。所以,我们立足于中国,也服务于中国。我们除了总部在德国一个南部的小镇作为汽车科技事业部的总部。在北美包括中国、亚太都分布有我们的研发中心,整个电驱动领域我们已经有超过2000名技术专家。我们在中国从2012年开始布局,到今天已经有超过300多名技术专家服务于8个产品的业务单元。我们研发中心在安亭,目前我们在开拓长沙作为中国第二个电驱动的研发基地,这是我们全球的布局。

回顾一下我们舍弗勒电驱动领域的发展。其实电气化之路最早起步于1999年,包括离合器控制、p2混动构架等,以及各种电驱动执行器单元。我们2012年全球独立设置电驱动技术团队,2018年开始正式成立我们的电驱动业务单元。从这一天开始,舍弗勒在新的业务领域有了飞速发展,突破了一个又一个里程碑,从原来只做动力总成的轴承、离合器等等小的零部件,开始迈向系统集成,机电结合的大系统,大总成。首先,我们是全中国第一个开始做二挡电桥减速器的,并实现量产。其次,我们有量产的p2混动模块。我们还有电机,现在越来越多人谈到波绕技术,2018年我们就已经有了。同时我们还在布局燃料电池领域。特别值得一提的是,2022年我们投产了第一款非常紧凑的同轴二合一电桥,它的减速器效率全球第一,平均效率可以达到98.6%。所以,过去三年,我们全球在电驱动领域收获了超过100亿欧元的订单。

舍弗勒十年前就开始布局电驱动。这样的探索也让我们看到了,电气化的进程不是一蹴而就的,因为我们也没有想到要花十年的过程逐步突破。其实,我们今天谈的很多先进技术,也是有一个逐步发展的过程。舍弗勒比较喜欢非常稳步、可持续地往前推进,一直要保持我们引领技术方向的角色和地位。首先,我们非常擅长机械零部件,我们有各种动力总成的零部件产品,轴承,双离合器模块、减震单元等等。我们开始陆陆续续涉足于电机的零部件和总成部件,包括定子、转子、转子轴等等。基于这些我们传统优势的部分,我们也把它做了一些技术升级,我们会有一些子系统部件的产品,包括混动模块、减速器单元、轻量化差速器等等。最终我们沿着这样的道路继续往前走,去符合未来的市场的发展:40%电气化、40%混动。按照两条腿走路,去满足这两个领域两条道路的需求,我们开始有电驱动桥的产品。除了大家常说的三合一,我们有集成热管理模块的四合一电桥,还有2012年开始到现在的轮毂驱动系统。所以,舍弗勒在电驱动领域还在持续探索一些非常先进的未来移动出行的解决方案。混动领域也是我们坚定不移的,不管是原来的混动模块像P2的构架,同样我们还有三离合器的混动系统以及混动专用变速箱。这些就是我们坚定不移地方向,希望探索一些新的技术,实现新的创新。

第二部分,给大家汇报一下我们在纯电、混动这两条道路上的成果。舍弗勒原来从来没有做过电机,今天我们很自豪,通过并购完善了整个电机开发和生产链条,可以给客户提供需要的电机产品。特别值得一提的是我们收购的ELMOTEC公司,这是一家全球最早做波绕组生产设备的公司,手里拥有很多波绕专利。你看,我们很早就开始布局这个领域。2017年我们收购这家公司,到今天为止,我们已经成为全球唯一一家可以给客户提供波绕生产设备,又能够提供叠片、转子轴到电机转子总成产品,具有各种业务模式的供应商。我希望帮助客户满足各种柔性化需求,特别是现在整车电驱动自制的比例特别高的情况下,各种不同的供货需求。大家看一下我们的波绕技术,这里有一段视频。

大家都知道今天我们流行的发卡式扁线电机,有那么多焊点。所以,专家们首先要解决这么多焊接的品质的一致性问题,因为不可能每一个焊点都能够100%在线监控;还要解决焊点多出来以后更多的热损耗问题。波绕技术可以很方便的解决这些问题,非常适合大批量生产,它现在已经成为大家非常认可的技术趋势了。我挑了四个舍弗勒比较有代表性的电机给大家做一个介绍。首先最左边的是一个我们实现量产的电机,是一个集中式绕组的,用在混动模块上,也可以服务于现在的DHT,作为驱动电机使用。中间那个是400V的驱动电机,扁线,发卡式的。第三个是2024年将要量产的专用变速箱的电机。最后一个是波绕技术的800V的扁线电机。

首先是这款集中绕组的电机。它看起来很一般,因为针对P2电机的应用,大家很早就开始做这种比较大直径和内径的电机。但是,这样的电机面临一个最大的挑战就是你要怎么做薄。我们这款电机具有非常小的轴向空间,大概34毫米。其次,这个电机有非常高的槽满率,这也是我们的创新突破,持续深挖圆线电机的槽满率的提高,达到和扁线相当的水平。这个电机应用于我们一个国内最大的本土客户,他们非常执着于对效率的提升,所以最后我们的产品实现了远超96%的效率。这种转速不太高的电机不是那么好把效率提高的。第二个是发卡式扁线电机。我们把这样一个发卡式的电机,做成了一个平台。它不仅有很高的槽满率和高效的工艺水平,还可以做成柔性的业务模式,提供给客户需要的定子、转子、定子轴等散件。第三个是我们下一代扁线电机,主要用于混动变速箱的应用。这样一个比较大的电机,我们在圆线的基础上做成扁线,效率可以更高。特别是定子不再是焊接进行拼接,而是用粘接来实现。最后谈到800V扁线电机,核心还是波绕技术,可以帮助客户最后收获成本的收益以及更高品质的要求。

第三部分,给大家介绍一下我们电驱动桥的探索和发展。我们2018年就开始就实现了一个突破,实现了同轴减速器的大批量生产。区别于现在业内的U形结构的同轴减速器,我们用的是行星排系统。它们被用在奥迪以及保时捷上。奥迪的一个高性能版本上,还用到了后桥的扭矩矢量分配,这是一个双减速器、双电机的后桥系统。这个同轴构型的产品为什么可以收获这么多高端品牌的喜欢呢?第一,它们的扭矩密度超级高,提供大扭矩输出的情况下还很轻,可以提高整车的续航里程。第二,效率很高,平均值到98.6%,这是实测值,而且不是最高效率点。最高点可以达到99.2%甚至更高。这个基础上我们进一步开发和探索。2018年左右大家对混动,特别是传统燃油车架构的SUV四驱混动会有一个特殊需求,一方面要空间小,紧凑;一方面又要能提供大扭矩和高车速。基于这个非常不一样的需求,换句话说我们为了做四驱混动化,开发了左边两款二挡电桥减速器产品,成功地给客户做了推介,在长城的WEYP8和CS75上实现了量产。这个产品有一个非常好的特点,可以通过一个80千瓦,不到200Nm的小电机,提供接近3300Nm的扭矩输出。这相当于今天一个150千瓦的电机,搭配单挡减速器的输出水平。第二,它能够解决混动四驱最高车速瓶颈问题。现在,虽然匹配中国的法规,新能源车只要能开到150km/h就够了,但是这款车当时的要求是能够开到220公里每小时以上。我们的两挡电桥减速器为这些挑战提供了很好的解决方案。进一步的,当然还有我们在同轴减速器基础上进一步开发的二合一同轴电桥,用在吉利品牌以及沃尔沃的插电混动车上。

谈一下我们的思考。原来很多著名的变速箱公司都是我们客户,我们比较出名的是提供各种变速箱的零部件产品,但是电驱动领域这个赛道给大家提供了很多机会,换句话说技术的变革对减速器提出了很多要求。第一,档位不会多。目前看起来商用车领域最多三档。在纯电驱动领域,当时看得也比较久远,核心原因是基于当时的电机转速拉不高,只能做到13000rpm,所以我们认为二挡是非常有必要的,从而开发了我们的二挡电桥产品。今天来看,这个需求是非常前瞻和有需求的。第二,高速的单挡电桥一定是主流。特别是随着轴承技术的发展,16000-20000rpm都不会是问题,从而拉高车速。所以,纯电市场成熟以后,大家都会有更高的最高车速的需求。我最近刚刚听到消息,我们马上在杭州和宁波之间会做一条150km/h的高速公路。大家也都知道,德国不限速,所以他们一直对最高车速有很高要求的。基于这个原因,我们当时开发了同轴减速器,可以帮助客户很好地解决轻量化和提高效率的问题。舍弗勒有优势的部分就是我们有很多自制的子零部件,甚至包括断开机构和驻车,这些产品我们采用了ADD ON的方式,很好的和减速器集成起来,加上我们的电机,我们可以方便的实现二合一、三合一产品。这也是舍弗勒非常不一样的地方,可以很柔性地满足客户不同的需求。

简单说一下我们的减速器,这是二档减速器。4年过去了业内做二档的真正投入量产的没有几家。大家一直有一个怀疑,需不需要二档。但是,我越来越发现做为纯电四驱的辅驱,为了提高效率,大家开始探讨永磁同步的电桥要不要做断开。可是做断开的时候为什么不直接做一个二档呢?成本差不多。第二,我的二档有什么优势呢?第一,最高的车速性能一定可以提高。电桥电机的最高转速可以做到多少呢?16000rpm现在是业内的共识,可是特斯拉将它提高到了20000rpm,成本的增加也远远高于做二档的电桥。第二,加速性能可以显著提高,逻辑上实现电机的小型化。我们这个二挡电桥产品速比可以做到15.05,意味着一个200Nm的小电机就可以最终输出3000多Nm。这是一笔经济账,电机成本被原材料的价格绑架得那么厉害,但是铁的涨价还没有铝、铜、稀土等这些东西来得贵。那么电机成本的节省比减速器更有意义。第三,两挡的电桥也可以实现断开,提高效率。这个产品是有一、二档和空挡的。所以,我们两挡的电桥减速器,一方面可以把车速拉得很高,还能保持高速加速能力,这时,我的二档开始使用。另一方面,也非常容易提高百公里加速指标。当时我们客户两款车都不轻,2.5吨左右,加速性都能明显提高。

第二,我们专注于做同轴电桥系统,目前业内没有几家能做。这个二合一电桥产品有一个特点,它是为P4也就是插电混动做的产品。插电混动面临什么问题,传统电机的转速随着最高车速拉得越来越高,而电机控制器对反电动势有严格要求,这个产品只有不到620V反电动势。为此我们做了很多牺牲,是为了最高车速做的牺牲。这款产品应用在沃尔沃全系插电混动车上,它们要在德国不限速的公路上要PK的。我们也用了一个行星排系统,对比传统的减速器同样3600Nm的设计可以省10公斤重量。

在这种同轴的电桥基础上我们还有什么探索呢?我们越来越发现做电系统到最后有一个避不开的话题,那就是热怎么管理。现在整车越来越关心热怎么很好地优化和管理,我们的探索是把传统强项集合起来。因为舍弗勒在传统燃油机中就供应热管理系统,业内也是很有名的。我们第一个构想就是把热泵,多通阀等热管理的部件放到电桥上做成一个热管理系统。同时,这样一个系统还具有无动力中断的二档,这个无动力中断实际上是通过双离合器构型做的。最后因为用上了热管理系统,很重要的一点就是-4度下的WLTC效率能够提高接近15%。这是很不容易的,因为低温下电池工作的不是最经济的,电桥油温还要加热,整车要有更温暖的空间,还要供暖给乘客。那怎么把这个系统做得更加协调和均匀,这变成一个非常复杂的系统问题。我们这套系统可以做到这一点,注意,我们还用了二氧化碳的热泵。

为什么我们可以做到这一点呢?传统燃油机上,我们有一些多通阀和泵,集成起来,加上冷媒、热管理回路等等,就变成了中间的子系统,ICS系统。我们可以往整个电驱动桥系统上继续集成,这是一个新的视角和方向。其次,成本上也有减少,因为我们省掉了很多连接管路。另外还能利用电机的热,理论上可以回收很多的废热,可以达到比较好的热效率。

最后,关于电驱动桥,我们还有一些更新的想法和技术创新,主要集中在扭矩矢量分配。这次展会谈这个话题的不是太多,但是我们舍弗勒一直是扭矩矢量分配技术的推动者。右下角最早我们给的扭矩矢量分配系统就是通过一大一小电机来实现。大电机管驱动,小电机加上一个行星排系统,实现左右扭矩的矢量分配,当时做到了1200Nm。后来我们是通过两个驱动电机加两个减速器来实现扭矩矢量分配,因为我们有一些客户在轿跑上为了追求极致动力性,而采用了这个构型,比如前面提到的奥迪的etron。那今天我们要展示的是一个为纯电四驱提供的,更高效的解决方案。我们采用了两个湿式离合器,放在差速器位置进行控制。首先,湿式离合器在舍弗勒来说已经是非常有名的产品了,没有难度。第二,我们有很强离合器开关控制的经验。第三,能够同步实现左右两个轴的扭矩矢量分配,特别是转弯过程当中,可以实现很小半径进行转弯。比如,现在流行的5米长的大车转弯,通过它就可以实现很好地帮助。还有麋鹿试验中可以增加很多的主动安全性。最重要的还是我们还能够实现断开功能,它是直接在半轴上进行断开的,作为一个辅驱,两个大电机摆在后面,一些机械和电损失就不需要了,能够提高效率。这是我们目前在开发的项目,如果大家有兴趣我们进一步做探讨。

最后谈一下混动这块。舍弗勒为什么做混动,我们传统是做双离合器的,全球做双离合器的没有几家,我们在传统技术优势上就想看一看基于双离合器是不是能做一点什么电气化的尝试。我们开发了P2混动模块,2010年的时候我们就有了这样一个产品,2017年当时在长安上也做了一些探索。电气化进程当中,我们中国汽车工业的发展确实远远超前于全球,这是当之无愧的。即便是对比欧洲,现在很多技术也已经远远超过欧洲至少半代,这是我作为中国人很自豪的地方。2017年我们能够把P2混动模块这个产品在中国率先落地也是我们很自豪的事情。我们在2018年这个产品做了AT变速箱,液力变速器集成进去,福特F150混动车上做了应用。今天,国内的大趋势DHT变速箱,我们有幸也参与中国一个很大客户, DHT里面这个模块的供货,我们提供了P0离合器集成在电机里。最后,我们目前已经在为自己的DHT变速箱投产,进行进一步地努力和开发。

稍微就刚刚说的DHT变速箱和混动模块上的应用做一些介绍。国内的混动到底怎么做?现在的趋势,一直是欧洲还在做P2,我们和日本都开始在做DHT变速箱。所以,我们这个产品的设计要求有很大的扩展性。你看,中间这个模块产品就是把两个湿式离合器集合在电机里,我们就是帮客户解决它的痛点,减少轴向尺寸的影响。如左边图,我们还可以加一个离合器到这个模块里面,这就是DCT变速箱的三离合器构架,把原来两个DCT的离合器省掉了,但是把三个离合器集成在一起,不用客户单独管理。另外一边,我们可以基于模块做减法,把传统的P1的离合器取掉,这样就可以用作DHT混动变速箱里面的离合器开关,动力流的中断和结合。这是一个比较好的模块化设计,所以,如果大家在DHT整个变速箱有各种需求,可以和我们进行探讨。

再说一下这个模块里面的集中绕组式圆线电机,看起来没什么特别,但是圆线技术其实是持续可以挖潜的。我们做了什么探索呢?这个电机客户就是要求效率高,必须要超过96%,我做到了96.5%。这个效率图是实际测出来的结果。怎么做到效率高呢?第一,圆线,传统的圆线截面是圆的,很难做到高槽满率。但我们现在做成蜂窝状,最后远远大于60%的槽满率,快接近扁线电机了。我们的扁线电机大概在67%左右。第二,做端部绕组上做了优化,较少了尺寸。这也是为了节省空间,毕竟变速箱的横向尺寸不能太大。芯部35mm,两边多出来的48mm,只多了13个毫米。这个产品客户自己也做了,但是基于圆线做不到这个水平。基于这些,我们设计比较高的槽满率,最后这个产品的效率很高,目前在市场上也在大力推广。

以上就是我今天的报告,非常感谢大家。舍弗勒电气化的布局很早,2012年就开始了,我们也一直坚定走电气化的道路,一方面是纯电,另一方面是混动。而且,我们非常愿意深耕中国,在中国我们通过独立研发,目前开拓出了很多全新的产品。我们一直坚信一个口号,we pioneer Motion!我们要做一些技术领先的产品。我这里呼吁一下,我们业内做技术的人员还得往前看,通过技术创新持续地提高我们产品的功能和价值,不要只盯着降本一件事。我们要能够多帮助我们的客户创造价值,这样也能够帮我们更好地可持续成长。谢谢大家!

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