四轮驱动电气化系统的发展

作者:Gernot Goppelt 文章来源:AI《汽车制造业》 发布时间:2019-02-18
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随着汽车排放标准愈加严格,可断开式四轮驱动系统要求更低的能耗需求,也就是说,四轮驱动电气化系统也将有更长远的发展前景。

四轮驱动常常被认为是日常生活中很少用到的“多余之物”。但车辆主管部门登记的车辆数量则反映的是另外一种情况,在2015年时,瑞士登记的四轮驱动车辆在所有乘用车中的比例为39%,奥地利接近22%,德国超过了17%,而且还有继续增加的趋势。采用现代化柴油动力的SUV使得四轮驱动有着更大的吸引力,而且这种吸引力还会更大。近几年来,柴油动力SUV的功率和输出转矩都在不断提高,为的是满足车辆后桥对牵引力的需求。电动汽车的要求也进一步增强了这一趋势的发展势头。Magna动力总成公司的全球电力驱动产品经理Weiner Neß先生给出了一组令人感兴趣的数字:2002年至2015年之间C级轿车加速性能从2.5 m/s2提高到了3.1 m/s2;到2025年时可能会提高到3.5 m/s2。更通俗一点的解读就是:0~100 km/h的加速时间从11.5 s缩短到了9 s。
悬而未决的问题就是:汽车的功率还会像现在这样继续提高吗?传输转矩的发展似乎没有止境。这取决于是否回归柴油动力的时代,而且与混合动力的市场需求、与是否有无必要进一步提高公路上奔驰的车辆的输出转矩有着密切的关联。传统的四轮驱动是可以做到这一点的,但却要付出一定的代价:万向节、变速器、差速器和离合器等都增加了车辆的重量,增加了摩擦以及驱动力损失。前驱横置发动机还会有一些额外的功率损失,因为它的变速器输出端有一个90°的转向机构。

减少功率损失
因此,减少、降低所有变速器之后的摩擦和功率损失、牵引力损失就是非常重要的事情了。大多数的悬挂式四轮驱动都处在半连接工况,因为万向节或者后桥驱动系是被动地随着转动的。
奥迪公司的Rolf Kronstorfer先生和Dieter Weidermann先生在第13届Graz四轮驱动论坛中介绍了Quattro Ultra四轮驱动技术方案(图1)。这一四轮驱动技术方案采用了Magna动力总成公司研发生产的“Flex4四轮驱动装置”,其功能明显的优于传统的悬挂式四驱解决方案。直到后桥的整个传动系统的离合采用了两种非常简单的方法加以控制,当不需要四轮驱动时,变速器与纵轴之间有着多片摩擦片的电动摩擦片离合器和后桥齿轮箱的离合器就会脱开,从而使纵轴和部分驱动系统停止工作。这是非常节能高效的,因为这就可以使用牙嵌离合器,可以在需要加速时利用万向节来传递驱动动力。由于这一结构类似一个变速器,因此可以把片式摩擦离合器视为牙嵌离合器的同步元件。

图1 奥迪公司的Quattro Ultra四轮驱动技术方案可以切断万向节和部分轴驱动系统的连接.jpg
跟所有使用了例如Subaru硅油离合器的全时四轮驱动相比较,这一新型四轮驱动遇到的挑战仍然像以前一样,后桥的离合必须非常柔和。例如弯道行驶时离合器突然接合会带来不希望的横向动载荷。除了很快的反应速度和敏感的离合控制之外,像发动机控制数据、变速器控制数据以及ESP及偏航传感器等的数据也有着非常重要的作用。它们提供了合适达到轮胎附着力极限的信息。此时,车辆的控制系统就要根据上述各个系统联网提供的数据做出前瞻性的判断,在达到附着力极限之前预防性地做好四轮驱动的准备。据奥迪公司介绍:这一系统能够在提前0.5 s的时间内做好四轮驱动的准备。在其他所有的情况下,驱动系统都是脱开运行的,这是非常有益的。据奥迪公司介绍说,与全时四轮驱动相比较可以节约0.3 L的燃油。

四轮驱动的电气化
eAWD电气化四轮系统驱动技术的发展能够更好地保护环境,降低温室气体排放,这一解决方案极为诱人的魅力是完全省略了RWD传动系统,保留了前置前驱配置方式节省空间的优点,有可能配置成动力强劲的混合动力轿车。该解决方案几乎是一种完全中立的、配置简单的P0混合动力系统,利用起动发电机直接驱动机械四轮驱动的系统。
一般情况下,eAWD电气化四轮驱动系统是可以按照当前P0~P4混合动力的配置方式进行设计的;可以结合前置的起动发电机驱动后置的电驱后桥。优先采用这种混合动力配置的是沃尔沃公司,它们的C级轿车中的Mini Cooper S E Countryman All4就是第一款采用这种电气化四轮驱动的混合动力轿车。
图2所示的是大众Cross Coupe GTE型轿车,它需要将发电机安装在车辆的前部,因为在车辆停止不行驶的情况下电驱后桥是不会发电的。这对于想利用电驱后桥进行纯电动行驶的插电式混合动力轿车来讲是最没有吸引力的:在电池电量较低时它将失去(全时)四轮驱动的能力。希望的是混合动力车辆随时都能灵活发电,在各种情况下车辆都有四轮驱动的能力。

图2 大众公司的Cross Coupe GTE型混合动力轿车采用了所谓的“电动万向节”.jpg

任何情况下的四轮驱动
eAWD电气化四轮驱动系统下一步可能的配置方式可以是P2~P4的配置方式,就像大众公司2015年研发的Cross Coupe GTE型轿车那样,其解决方案将电驱后桥与Getrag公司研发生产的混合动力变速器结合到一起。Getrag混合动力变速器本身就有一个48V、20kW的电动机,可以构成高电压插电式混合动力。
P2型混合动力有着许多优点,在所有各种行驶情况下它都有着最强的、最灵活的充电能力。在Getrag公司典型的电动机转矩分配装置中,甚至可以独立于发动机的工况而单独优化混合动力的电动机驱动行驶状况。当电池的电力不允许继续驱动车辆行驶时,发电机本身产生的电力也足以驱动车辆后桥继续工作。另外,两台发电机改善了车辆的动态性能也是一个不可忽视的优点:即便是在纯电力驱动行驶时,也可以按照前后桥的实际需求单独地分配输出转矩。
这也就是说,传动系统和行驶系统设计的传统问题部分地转移到了各个驱动轴的驱动控制方面中。另外,未来机械式的驱动链断开系统也是非常合理的,当后桥使用结构更加紧凑、重量更轻的发电机后,就可以通过电动机补偿离合器断开都消失的驱动力,对于降低燃油消耗、减少横向动载荷都有利。
eAWD电气化四轮驱动技术提供了更多的提高四轮驱动动态性能、高效节能、节油和降低噪声的可能性。    

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