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美的威灵电机:两轮车电动力系统技术发展趋势与解决方案

2022-07-04 09:05:54 赵明灿 阅读:
日前,在AspenCore举办的“2022国际AIoT生态发展大会”的“智慧两轮车分论坛”上,广东威灵电机制造有限公司两轮车项目经理刘海量分享了“两轮车电动力系统技术发展趋势与解决方案”主题演讲。

日前,在AspenCore举办的“2022国际AIoT生态发展大会”的“智慧两轮车分论坛”上,广东威灵电机制造有限公司两轮车项目经理刘海量分享了“两轮车电动力系统技术发展趋势与解决方案”主题演讲。Z8aednc

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据介绍,威灵电机是隶属于美的五个业务板块之一——工业技术板块的子品牌。美的工业技术去年营收达400多亿元,当前涉足的领域覆盖了四个行业:家电、汽车、工控及3C。Z8aednc

美的工业技术在低速出行领域有较为完整的规划。这个业务版块是做TO B端的,主要服务于广大的车厂,做动力系统。Z8aednc

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以下是美的工业技术低速出行对于两轮车及其相应动力系统的应用终端的定义。其主要关注从滑板车和平衡车(属于娱乐车类型)到代步工具和健身工具,是以海外的e-Bike和国内的电动自行车和摩托车为主,最后到高速电摩。Z8aednc

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从电驱系统的形式来讲,简单来看就是集中驱动和分布驱动。目前,集中驱动在e-Bike和高速电摩应用较为常见,其他则都是轮毂的形式。其中AGV轮毂更多采用轮边的形式。所有的驱动系统演进的技术方向和趋势是趋同的,都会强调高效和续航,其次可能强调性能,包括舒适度、换档平顺性等等。Z8aednc

刘海量指出,两轮车对成本有着非常重要的考量,对低成本要求也比较高。小型化在一些场景上也特别重要。Z8aednc

从技术趋势来讲,电驱系统包括传动、电机和电控三个系统。传动包括集中驱动和分布驱动。集中驱动毫无疑问会包含一个减速器,有时还会有特殊的机构,比如威灵最新推出的e-Bike的中置系统里有减速系统也有升速系统。减速系统凡是带传动系统的往往会因为功率密度和力矩密度的考量需要做高速化,这在电摩上表现得特别明显。其次是强调多档化。但是在国内的两轮车动力系统上来讲,实际上多档化做得不多。主要在高速电摩上有应用,在一些高端的海外e-Bike上可能有前瞻性的技术布局。这主要还是因为成本和技术复杂度的限制。多档化应该从两方面来看:机械换档和电子换档。无论是哪一种演化方式,最后都会遵循一体化趋势,刘海量说。Z8aednc

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在分布驱动方面,国内的两轮车和娱乐车基本都是轮毂驱动。除了在商用或重载型AGV轮毂或者其他场景存在轮边电机,或者电摩上有侧挂形式的,也可以理解为轮边形式,轮毂电机是非常传统的形式。“轮毂电机从有了两轮车之后就有了,20年没有变过,我们也想尝试着在这些方向上带来一些新的进展。”刘海量表示。Z8aednc

电机和电控发展比较快,但是总体来说基本上可以概括为汽车技术的降维和移植。基于两轮车终端的使用特点,有一些技术方向和技术点可能需要再去斟酌。比如电机,毫无疑问,从成本、供应链安全等各方面考虑,肯定会强调去稀土。从电机设计的角度来讲,肯定要提高凸极比。然后,汽车都在推扁线,从高效、性能和巡航,两轮车也会存在这样的分支。其次就是冷却形式,现在更多是采用被动风冷,以后可能也会考虑液冷。Z8aednc

电控,从驱动层面理解,主要是需要代码规范化。刘海量表示,两轮车可能没有办法达到ISO 26262功能安全要求或AUTOSAR架构,但是因为对安全性、可靠性和规范性的要求存在,可能需要有一些中间的东西出来,比如需要达到ISO 13849,或者MBD的设计架构等等。Z8aednc

再就是第三代半导体。从成本上来讲,这在两轮车上短期内不太实用,但是会在一些特别的分支上有机会。“比如三电,涉及到电池,就一定会有充电的场景。两轮车的充电器大部分时候是被路况颠簸震坏的,如果能做集成,利用相关的特性做小型化,就可以改变充电场景。简单来说,如果能把两轮车的充电变成类似手机充电那样不带充电器,做成内置,这样行业形态会发生很大的变化。”刘海量认为。Z8aednc

他指出,目前两轮车缺乏底层设计。整个车型的定义更多关注于外观或者功能,但是对于实现底层的技术可能缺少自上而下的设计。驱动系统都是大同小异的,整车和动力系统的参数匹配在汽车上也存在这样的问题,汽车上可能做得更细一点,至少在当前国内两轮车驱动系统的设计和匹配上,应该先把所有的动力系统和经济性指标做清晰区分。比如动力型指标,经济型指标,每一个指标的由来,包括自上而下的逻辑顺序应该要有梳理,这样才会得到匹配车型的动力系统设计。Z8aednc

刘海量认为,当前主要的问题,首先是缺基础数据。虽然保有量很多,但数据的收集统计分析采集是比较少的。所以一直到现在是没有路谱的,没有路谱就没有载荷谱,所以现在驱动系统的指标体系非常粗糙,没有办法实现精准匹配。Z8aednc

基于当前的技术实际和对现有状况的认识,威灵提出了自己的想法。“首先要做数据收集。这个数据收集更多应该是车厂基于云端的大数据得到路谱。有了路谱之后,现在两轮车比较缺少整车的仿真和具体的功能测试。需要先有这些环节,才可以得到真实需要的动力系统的边界。可能还需要考虑一些重要的工况,比如动力工况、爬坡度,当前两轮车做的驱动系统匹配还不是太完善。有了这些东西之后,把所有的工作点做汇集分析,就能得到驱动系统的载荷谱。”刘海量指出。Z8aednc

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他表示,整车客户向驱动系统供应商提需求的时候,实际上对驱动系统的了解还不是特别够。因为两轮车整车客户更多会关注整车的结构、车架、外观设计,包括一些功能的层面,所以对于真正驱动系统底层需要什么,每一个指标的意义,有时候定义得不会特别清楚。“举个简单的例子,电机系统有它的数字特性。比如,以峰值扭矩为例,一般都会给一个多少牛米的要求。但是首先一定要加上持续时间。比如红色的线和蓝色的线是同一台电机,如果对它的持续时间要求得不一样,实际上红色线的电机持续时间短了以后就可以做到蓝色的线。换句话说,峰值扭矩就抬高了,所以到底要什么,需要定义清楚。”刘海量表示。Z8aednc

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扭矩需求和整个驱动系统,特别是电机本体的成本直接相关。因此,在低成本维度,首先要清楚地规划成本。其次是加速要求。简单来讲,如果车的扭矩大,加速特性就会好。对于高速电摩来讲,四轮车可能百公里加速,两轮车可能50公里加速,整个加速是从0秒加速到一定车速之内,这与整个驱动系统输出的总能量有关,是对驱动系统的Nm曲线的积分值。这个时候驱动系统就不只是要关心有多大的扭矩,还要关心它的拐点转速到底是多少。这样就会得到一个平衡的设计,然后实现同样的加速特性。Z8aednc

下面这张图看起来有一点零乱,它引用的是汽车上的驱动电机。“我们知道汽车上一般都会有自动回收,驱动系统有发电跟电动两种状态。这个图就显示了我们怎么规划一个驱动系统的设计。最常见的应该是最大的爬坡速度决定了峰值扭矩,其次则是加速特性要求决定了峰值功率。峰值是有规律的,可以留5%左右的设计余量,绘制特性曲线,然后得到峰值功率和恒功率的要求。这样的规划套路才能让驱动系统定义更为精准。”刘海量说。Z8aednc

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除了动力性指标,还有经济性指标。经济性指标更关注电耗。刘海量认为,这里仅给出效率map是不够的。“真正输出的时候虽然有一些地方效率比较高,但是输入功率不大,这种工况点对于整车的电耗影响较小。所以,怎么样才能定量计算出,需要怎么样的驱动系统的效率分布,才能使得续航最长?比如把损耗map跟整车基于路谱和仿真得到的载荷谱,在同样的矩阵接触下去求电耗期望,实际上就是逐个网格相乘求和,这样的电耗值才代表了续航的多少,这就是经济性指标的规划。”Z8aednc

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在电机本体的技术趋势方面,刚才简单提到要去(重)稀土,所以在材料上要利用晶界扩散技术和晶界调控技术跟电机设计去匹配,跟材料应用去匹配。还有凸极化,在国内,雅迪在2019年公开的技术专利,就做了外转子凸极化的电机。四轮车的演化趋势也是一样的,凸极比越来越高,这样就可以得到更少的系统用量。Z8aednc

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在四轮车上,扁线绕组的应用时间很长。当前在两轮车中更多是高速电摩上可以用到分布绕组下的Hair-pin和I-pin,以及连续波等,这肯定是一个趋势。但因为空间限制和成本考虑等等,所以两轮车上更值得关注的是扁平形式。扁线的好处是提高了效率,提升了续航,但也有劣势,比如趋肤效应、高设备投入等。从两轮车的车速角度来讲,它更容易避免掉由于过高的转速带来的去负荷连接效应,所以它更适合用扁线绕组,唯一要考虑的就是如何低成本地实现,刘海量指出。Z8aednc

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实际上,我们不一定要迷信四轮车行业的技术。发卡绕组不一定总有优势。两轮车的控制技术难度不是太高,但它需要对整个终端非常熟悉,包括加速特性的调节等等,可能需要符合对整车的定义。随着软硬件技术的要求提升,在e-Bike领域就要求做到ISO 13849。虽然可能不需要做到AUTOSAR,但也需要做到代码自动生成,做到建模到自动输出的软件设计,他表示。Z8aednc

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再就是个别场景和部件上可能需要去考虑一下第三代半导体的应用价值。传动是一种非常传统的科学。它强调的是共用,比如共壳体、共轴、优化形状关系。控制也一样,我们怎么样去共用芯片、共用电路、共用功率器件、所有的接插件能否放一起…还有小刀双动力、苏州八方电器做的三速变速轮毂的电机结构。总体上来说是一个结构一体化和控制一体化的趋势。Z8aednc

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整车驱动系统都会谈NVH,它有几个方向,但大同小异。“需要关注的和四轮车差不多,但是需要关注的程度不太一样,而且关键是能不能抓大放小。因为有传动,还需要关注传动效率损失,所以从离合器或单向器,到齿轮,到润滑,到驱动设计都是需要考虑如何降低损耗。”刘海量表示。Z8aednc

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最后是产品规划。4月份美的工业技术收购了天腾动力,这是家做e-Bike中置动力系统的厂家。下图是其已有的产品。“这个产品最大的特点是静音。因为是行业最低的传动比,同时其空间和体积跟行业竞品是基本一致的,这就降低了转速,带来了更好的静音体验。因此所有骑行的小伙伴基本对它的评价都是非常满意的,因为听不到任何的声音,它非常适合做城市车。同时我们还针对较大功率需求的场景,比如山地,电机扭矩会进一步增大。同时,美的工业技术也有自研的方案。刚才我也介绍了几个重要的适合两轮车应用场景的技术点,我们在这里基本都实现了。所以,我们现在有一套宽幅高效的、MBD代码生成、非对称扁线绕组技术的驱动系统,可以供各位车厂来使用。”Z8aednc

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下图是该公司做的e-Bike中置电机。“它跟市面牙盘齿数适配性非常好的系统。当前有两个车型,同时今年下半年还会推出一个系统,并会在今年年底在越南实现批量生产。我们的电机可以在峰值扭矩75%的前提条件下连续运行,保证壳体不过温。可以实现非常强劲的动力输出,同时不需要打高温标识。”刘海量说。 Z8aednc

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下图是其产品规划。“因为e-Bike落地的终端更多是在海外,所以我们主要是在欧洲布局售后服务网点,这也是依托美的全球化的资源。”刘海量表示。Z8aednc

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赵明灿
赵明灿是EDN China的产业分析师/技术编辑。他在电子行业拥有10多年的从业经验。在加入ASPENCORE之前,他曾在电源和智能电表等领域担任过4年的工程师。
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