汽车安全与节能学报 ›› 2023, Vol. 14 ›› Issue (4): 395-412.DOI: 10.3969/j.issn.1674-8484.2023.04.001
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收稿日期:
2023-07-29
修回日期:
2023-08-14
出版日期:
2023-08-31
发布日期:
2023-08-31
通讯作者:
*董鹏(1985—),男(汉),山东,副教授。Email: dongpengbeihang@163.com。作者简介:
基金资助:
XU Xiangyang(), ZHAO Junwei, DONG Peng*(), WANG Shuhan, LIU Yanfang
Received:
2023-07-29
Revised:
2023-08-14
Online:
2023-08-31
Published:
2023-08-31
Contact:
*Dr. DONG Peng, Associate Professor, An associate Professor and doctoral superviso in the About author:
Dr. XU Xiangyang, Professor. A professor, doctoral supervisor and the director of the academic committee, School of Transportation Science and Engineering, Beihang University. He is also the deputy director of National Engineering Research Center for Passenger Car Automatic Transmission, a member and executive director of China Society of Automotive Engineers. He has made outstanding contributions to basic theoretical innovation, engineering technology development and industrial application in the field of vehicle transmission in China, and published more than 100 SCI/EI papers and authorized 85 innovation patents. He led the R&D of world first front-across application 8-speed automatic transmission (8AT) and its series of products, and awarded First Prize of National Scientific and Technological Progress in 2016, achieving a major breakthrough in the core transmission assembly technology in China, breaking the foreign monopoly, building and completing the independent controllability of the automatic transmission industry chain in China, and promoting independent technological breakthroughs in automatic transmissions, hybrid transmissions, electric transmission systems for vehicles such as passenger cars, commercial vehicles, construction machinery and military vehicles. In addition, he has successively presided over more than 30 projects at the national, provincial, and ministerial levels and school-enterprise cooperation, including National Science and Technology Support Program and Key Project of International Science and Technology Innovation Cooperation, and won the Special Prize of China Machinery Industry Science and Technology Progress Award and the First Prize of China Society of Automotive Engineering Scientific and Technological Award.
摘要:
商用车是道路运输的重要力量和碳排放大户,实现商用车绿色转型发展是推动汽车产业快速实现双碳目标的重要突破点。然而,政策驱动和市场需求对商用车技术发展提出了新的挑战与要求,尤其是动力传动系统呈现出多种技术路线并存的发展局面。该文针对传统燃油、混合动力、纯电动和燃料电池商用车等采用不同动力来源方式下的中重卡、轻微卡和皮卡、客车等应用场景,对不同动力传动系统技术特征、产品谱系、场景适用性以及技术现状及发展趋势进行分析,并对商用车动力传动系统技术发展提出新的展望,以期为商用车动力传动系统技术路径选择和技术创新发展提供参考依据。
中图分类号:
徐向阳, 赵俊玮, 董鹏, 王书翰, 刘艳芳. 双碳目标下商用车动力传动系统技术特征与展望[J]. 汽车安全与节能学报, 2023, 14(4): 395-412.
XU Xiangyang, ZHAO Junwei, DONG Peng, WANG Shuhan, LIU Yanfang. Technical characteristics and prospects of power transmissions for commercial vehicles under the “Carbon-Peak and Carbon-Neutrality” target[J]. Journal of Automotive Safety and Energy, 2023, 14(4): 395-412.
产品谱系 | 传统燃油商用车 | 混合动力商用车 | 纯电动和氢燃料电池商用车 |
---|---|---|---|
中重卡 | MT、AMT AT、DCT | 增程混动、并联混动 | 单电机多挡、双电机多挡,集中式电桥、分布式电桥(轮边电桥、轮毂电桥) |
轻微卡和皮卡 | MT、AMT AT、DCT | 增程混动、并联混动、 专用混联DHT(含串并联、功率分流) | 单电机直驱、减驱、多挡 |
客车 | MT、AMT、AT | 增程混动、并联混动、专用混联DHT (含串并联、功率分流) | 单电机直驱、减驱、多挡、双电机多挡、集中式电桥、分布式电桥(轮边电桥、轮毂电桥) |
产品谱系 | 传统燃油商用车 | 混合动力商用车 | 纯电动和氢燃料电池商用车 |
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中重卡 | MT、AMT AT、DCT | 增程混动、并联混动 | 单电机多挡、双电机多挡,集中式电桥、分布式电桥(轮边电桥、轮毂电桥) |
轻微卡和皮卡 | MT、AMT AT、DCT | 增程混动、并联混动、 专用混联DHT(含串并联、功率分流) | 单电机直驱、减驱、多挡 |
客车 | MT、AMT、AT | 增程混动、并联混动、专用混联DHT (含串并联、功率分流) | 单电机直驱、减驱、多挡、双电机多挡、集中式电桥、分布式电桥(轮边电桥、轮毂电桥) |
产品类型 | AMT | AT | DCT | MT |
---|---|---|---|---|
技术优势 | 1. 结构设计简单,换挡控制简单 2. 挡位数目多(6~16挡) 3. 速比范围广,最大速比大 4. 最大扭矩承载能力强 | 1. 挡位数目集中于6~9挡 2. 动力换挡,换挡品质高 3. 传动比范围较广 4. 大扭矩承载适应面较广 | 1. 挡位数目多为7挡、9挡 2. 动力换挡,换挡品质高 3. 传动效率较高 | 1. 结构设计简单 2. 成本较低 3. 手动控制 |
技术劣势 | 1. 换挡动力中断 2. 换挡冲击大,舒适性较差 | 1. 结构设计复杂 2. 传动效率相对较低 3. 换挡控制难度较大 | 1. 结构设计相对复杂 2. 对控制系统要求较高 3. 离合器工作对温度敏感 4. 传递扭矩受限 | 1. 驾驶操作强度高 2. 传动效率较低 |
代表企业 | 德国采埃孚、斯堪尼亚、伊顿、法士特、中国重汽、东风商用车、一汽解放 | 德国采埃孚、美国艾里逊、爱信、法士特、长城、盛瑞 | 伊顿、沃尔沃、博格华纳 | 德国采埃孚、法士特、上汽变速器、万里扬、重庆青山 |
产品类型 | AMT | AT | DCT | MT |
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技术优势 | 1. 结构设计简单,换挡控制简单 2. 挡位数目多(6~16挡) 3. 速比范围广,最大速比大 4. 最大扭矩承载能力强 | 1. 挡位数目集中于6~9挡 2. 动力换挡,换挡品质高 3. 传动比范围较广 4. 大扭矩承载适应面较广 | 1. 挡位数目多为7挡、9挡 2. 动力换挡,换挡品质高 3. 传动效率较高 | 1. 结构设计简单 2. 成本较低 3. 手动控制 |
技术劣势 | 1. 换挡动力中断 2. 换挡冲击大,舒适性较差 | 1. 结构设计复杂 2. 传动效率相对较低 3. 换挡控制难度较大 | 1. 结构设计相对复杂 2. 对控制系统要求较高 3. 离合器工作对温度敏感 4. 传递扭矩受限 | 1. 驾驶操作强度高 2. 传动效率较低 |
代表企业 | 德国采埃孚、斯堪尼亚、伊顿、法士特、中国重汽、东风商用车、一汽解放 | 德国采埃孚、美国艾里逊、爱信、法士特、长城、盛瑞 | 伊顿、沃尔沃、博格华纳 | 德国采埃孚、法士特、上汽变速器、万里扬、重庆青山 |
产品谱系 | AMT | AT | DCT |
---|---|---|---|
中重卡 | 8挡、12挡、14挡、16挡 重卡扭矩需求可达3 kNm以上 中卡扭矩范围在0.8~1.6 kNm 速比范围最高可达16~18 | 8挡、9挡 扭矩范围可覆盖0.6~3.0 kNm | 由于传递扭矩受限,DCT仅在需求扭矩较低的中卡场景探索应用 |
轻微卡和 皮卡 | 6挡、8挡 扭矩范围在0.4~1.8 kNm | 由于结构复杂、成本较高AT在轻微卡应用场景有限,但在高性能皮卡应用前景看好 | 7挡 适配于扭矩需求较小的轻微卡 |
客车 | 新能源客车渗透率逐渐增大,以驱动电机为动力源的自动变速器市场将占主导地位 以燃油发动机为动力源的传统自动变速器在客车领域的应用占比将逐渐变小 |
产品谱系 | AMT | AT | DCT |
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中重卡 | 8挡、12挡、14挡、16挡 重卡扭矩需求可达3 kNm以上 中卡扭矩范围在0.8~1.6 kNm 速比范围最高可达16~18 | 8挡、9挡 扭矩范围可覆盖0.6~3.0 kNm | 由于传递扭矩受限,DCT仅在需求扭矩较低的中卡场景探索应用 |
轻微卡和 皮卡 | 6挡、8挡 扭矩范围在0.4~1.8 kNm | 由于结构复杂、成本较高AT在轻微卡应用场景有限,但在高性能皮卡应用前景看好 | 7挡 适配于扭矩需求较小的轻微卡 |
客车 | 新能源客车渗透率逐渐增大,以驱动电机为动力源的自动变速器市场将占主导地位 以燃油发动机为动力源的传统自动变速器在客车领域的应用占比将逐渐变小 |
产品类型 | 并联混动系统 | 串联混动系统 | 专用混联式混动系统 |
---|---|---|---|
技术优势 | 1. 结构布局简单,仅在传统自动变速器基础上进行电机位置的布局,以P2为主 2. 发动机和驱动电机均可直接参与驱动 3. 动力性、工况适应性较好 | 1. 结构设计简单,补能方便 2. 发动机与发电机形成增程器,与轮端解耦,能够使发动机保持在高效区工作 3. 驱动电机能够与变速器结合工作 | 1. 分为串并联式和功率分流式,具有多种工作模式,能量调节自由度高 2. 发动机、驱动电机和发电机均可参与驱动 3. 经济性、动力性、工况适应性可同时兼顾 |
技术劣势 | 1. 挡位与工作模式多,换挡换模平顺性 2. 轴向尺寸难以控制,利用空间较大 3. 单电机无法同时驱动和发电 | 1. 重载、高速亏电工况能量利用效率较低 2. 亏电状态下,动力性较差 3. 发动机无法直接参与驱动,能量调节自由度较低 | 1. 多挡结构设计复杂、构型寻优难度增大 2. 控制难度较大、平顺性和NVH难控制 3. 重载传递扭矩能力有限 |
代表企业 | 沃尔沃、奔驰、法士特、江淮、苏州绿控 | 江淮、凯博易控、吉利远程、比亚迪 | 艾里逊、宇通、江淮、上汽 |
产品类型 | 并联混动系统 | 串联混动系统 | 专用混联式混动系统 |
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技术优势 | 1. 结构布局简单,仅在传统自动变速器基础上进行电机位置的布局,以P2为主 2. 发动机和驱动电机均可直接参与驱动 3. 动力性、工况适应性较好 | 1. 结构设计简单,补能方便 2. 发动机与发电机形成增程器,与轮端解耦,能够使发动机保持在高效区工作 3. 驱动电机能够与变速器结合工作 | 1. 分为串并联式和功率分流式,具有多种工作模式,能量调节自由度高 2. 发动机、驱动电机和发电机均可参与驱动 3. 经济性、动力性、工况适应性可同时兼顾 |
技术劣势 | 1. 挡位与工作模式多,换挡换模平顺性 2. 轴向尺寸难以控制,利用空间较大 3. 单电机无法同时驱动和发电 | 1. 重载、高速亏电工况能量利用效率较低 2. 亏电状态下,动力性较差 3. 发动机无法直接参与驱动,能量调节自由度较低 | 1. 多挡结构设计复杂、构型寻优难度增大 2. 控制难度较大、平顺性和NVH难控制 3. 重载传递扭矩能力有限 |
代表企业 | 沃尔沃、奔驰、法士特、江淮、苏州绿控 | 江淮、凯博易控、吉利远程、比亚迪 | 艾里逊、宇通、江淮、上汽 |
产品谱系 | 并联混动系统 | 串联混动系统 | 专用混联式混动系统 |
---|---|---|---|
中重卡 | 结合传统变速器的技术优势,应用于中等中、长运距场景 | 在纯电驱动系统基础上,为有效补充电池能力不足,增设增程器进行适时补能 | 由于传递扭矩有限,目前尚未在重卡场景应用 |
轻微卡和 皮卡 | 由于并联混动系统成本较高,对于小载重轻微卡多采用纯电驱动系统 | 对于补能有需求的中长运距,串联混动系统在轻微卡场景下有应用潜力,尤其在生鲜冷链运输场景下很有应用潜力 | 有效解决中长运距里程焦虑,串并联混动系统具有很大的应用潜力,具有TCO优势 |
客车 | 并联混动系统早期应用于城市客车 | 对于给定固定路线的客车场景,多以纯电为主 | 对于非固定路线的小型客车有一定的应用潜力 |
产品谱系 | 并联混动系统 | 串联混动系统 | 专用混联式混动系统 |
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中重卡 | 结合传统变速器的技术优势,应用于中等中、长运距场景 | 在纯电驱动系统基础上,为有效补充电池能力不足,增设增程器进行适时补能 | 由于传递扭矩有限,目前尚未在重卡场景应用 |
轻微卡和 皮卡 | 由于并联混动系统成本较高,对于小载重轻微卡多采用纯电驱动系统 | 对于补能有需求的中长运距,串联混动系统在轻微卡场景下有应用潜力,尤其在生鲜冷链运输场景下很有应用潜力 | 有效解决中长运距里程焦虑,串并联混动系统具有很大的应用潜力,具有TCO优势 |
客车 | 并联混动系统早期应用于城市客车 | 对于给定固定路线的客车场景,多以纯电为主 | 对于非固定路线的小型客车有一定的应用潜力 |
产品类型 | 电驱动及传动总成 | 集中式电桥 | 分布式电桥 |
---|---|---|---|
技术优势 | 1. 通过采用单电机、双电机和不同挡位进行组合,能够有效匹配不同载重商用车,包括单电机纯电直驱、减驱、多挡系统,双电机多挡传动系统,适用场景广 2. 结构设计简单、控制策略简单 3. 与驱动电机组合传动效率较高,能够实现制动能量回收 | 1. 在电驱动及传动总成基础上进一步集成,结构布置更紧凑 2. 重量相对减少,扭矩密度显著提升 3. 传动效率更高 | 1. 布置空间更灵活,未来可实现即插即用 2. 转矩密度、功率密度优势明显 3. 传动效率更直接 4. 减少不必要且复杂的传动部件、重量大幅减轻,轻量化优势明显 |
技术劣势 | 1. 对电池充放电能力要求较高 2. 重载、大扭矩运行条件下对电机能力要求高 3. 高速状态下NVH性能较差、对传动系统设计能力要求高 | 1. 成本较高 2. 造成簧下质量增加问题 | 1. 结构设计复杂、成本较高 2. 非簧载质量大 3. 三向协同控制难度较大 |
代表企业 | 采埃孚、艾里逊、博格华纳、凯博易控、法士特、特百佳、绿控、汇川、精进电动 | 艾里逊、特斯拉、东风德纳、比亚迪 | 奔驰、采埃孚、比亚迪、湖北泰特 |
产品类型 | 电驱动及传动总成 | 集中式电桥 | 分布式电桥 |
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技术优势 | 1. 通过采用单电机、双电机和不同挡位进行组合,能够有效匹配不同载重商用车,包括单电机纯电直驱、减驱、多挡系统,双电机多挡传动系统,适用场景广 2. 结构设计简单、控制策略简单 3. 与驱动电机组合传动效率较高,能够实现制动能量回收 | 1. 在电驱动及传动总成基础上进一步集成,结构布置更紧凑 2. 重量相对减少,扭矩密度显著提升 3. 传动效率更高 | 1. 布置空间更灵活,未来可实现即插即用 2. 转矩密度、功率密度优势明显 3. 传动效率更直接 4. 减少不必要且复杂的传动部件、重量大幅减轻,轻量化优势明显 |
技术劣势 | 1. 对电池充放电能力要求较高 2. 重载、大扭矩运行条件下对电机能力要求高 3. 高速状态下NVH性能较差、对传动系统设计能力要求高 | 1. 成本较高 2. 造成簧下质量增加问题 | 1. 结构设计复杂、成本较高 2. 非簧载质量大 3. 三向协同控制难度较大 |
代表企业 | 采埃孚、艾里逊、博格华纳、凯博易控、法士特、特百佳、绿控、汇川、精进电动 | 艾里逊、特斯拉、东风德纳、比亚迪 | 奔驰、采埃孚、比亚迪、湖北泰特 |
产品谱系 | 电驱动及传动总成 | 集中式电桥 | 分布式电桥 |
---|---|---|---|
中重卡 | 双电机多挡位传动系统能够适用于49T以上重卡车型 单电机多挡位传动系统能够有效匹配中卡车型 | 双电机集中式电桥适用于载重与扭矩需求大的中重卡 | 分布式电桥的产业化应用将持续探索验证 |
轻微卡和 皮卡 | 纯电减驱系统能够应用于3.5T以上轻卡车型微卡可直接使用纯电直驱系统 | 单电机集中式电桥适用于载重与扭矩需求小的轻微卡 | |
客车 | 可有效匹配单电机直驱、减驱、多挡传动系统 | 根据载重与扭矩需求可匹配单/双电机集中式电桥 | 轮边电桥适用于低地板客车 |
产品谱系 | 电驱动及传动总成 | 集中式电桥 | 分布式电桥 |
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中重卡 | 双电机多挡位传动系统能够适用于49T以上重卡车型 单电机多挡位传动系统能够有效匹配中卡车型 | 双电机集中式电桥适用于载重与扭矩需求大的中重卡 | 分布式电桥的产业化应用将持续探索验证 |
轻微卡和 皮卡 | 纯电减驱系统能够应用于3.5T以上轻卡车型微卡可直接使用纯电直驱系统 | 单电机集中式电桥适用于载重与扭矩需求小的轻微卡 | |
客车 | 可有效匹配单电机直驱、减驱、多挡传动系统 | 根据载重与扭矩需求可匹配单/双电机集中式电桥 | 轮边电桥适用于低地板客车 |
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