中国汽车工程师之家


中国汽车工程师之家--聚集了汽车行业80%专业人士 

论坛口号:知无不言,言无不尽!QQ:542334618 

本站手机访问:直接在浏览器中输入本站域名即可 

您当前所在位置: 新能源车 > 查看内容

新能源汽车变速箱行业深度研究报告

文章作者头像
发布:liuxianglong 来源: 未来智库
PostTime:16-8-2019 13:06
近年来新能源汽车销量高速增长,人们普遍担心自动变速箱的发展前景。我们针对传统、普混及新能源汽车的变速箱进行了详细分析

以下为文章全文:(本站微信公共账号:cartech8)


CQI(9,11,12,15,17,23)特殊工艺评估       Adams_car高级应用培训   振动噪声基本原理方法
美国/欧洲几何尺寸和公差(GD&T)培训    车身尺寸优化尺寸工程      汽车消声器设计,声学材料
大众,通用和福特对供应商期望和要求     汽车行业审核VDA6.X        高层,中层,基层培训

近年来新能源汽车销量高速增长,人们普遍担心自动变速箱的发展前景。我们针对传统、普混及新能源汽车的变速箱进行了详细分析,总体来看,新能源汽车仍然需要变速箱,市场空间依然巨大。我们预计变速箱整体需求仍将快速增长,总体产能供给充裕,利好万里扬等优势供应商,齿轮及油泵等领 域逐步突破,未来发展看好。

  • 新能源汽车仍然需要变速箱。新能源汽车分为插混(串联、并联、混联 等)、纯电动及燃料电池等,其中串联、纯电动、燃料电池目前多采用 单级减速器,未来能耗要求提升,或发展为多级减速器;并联多采用现 有自动变速箱进行改造或使用电驱动桥;混联多采用专用混动变速箱。总体来看,新能源汽车仍然需要变速箱,市场空间依然巨大。
  • 变速箱需求快速增长。变速箱需求由汽车销量及结构决定,在双积分、 五阶段油耗等政策推动下,预计弱混、强混、新能源占比大幅提升。结 合近年销量占比及车企技术路线,我们预计 2025 年自动变速箱、专用 混动变速箱、纯电动变速箱销量分布为 1888 万、360 万和437万台,较 2018 年分别增长 16.3%、1145.7%、454.9%。
  • 产能供给充裕,利好优势供应商。2020 年国内自动变速箱产能预计将超 过 2223 万,且改装为并联混动变速箱较为容易,加上专用混动变速箱 总产能将超过 100 万台,因此传统及新能源变速箱总体产能充裕,技术 能力较强、配套关系紧密的变速箱供应商有望受益。AT 领域爱信合资 广汽、吉利并扩建产能,DCT 领域以车企自建为主,CVT 领域万里扬积 极拓展吉利等客户,具有较好的发展机会。
  • 传统 CVT、混动并联及混联、纯电动多级减速器发展前景较好。综合市 场空间及增长速度来看,传统 CVT 变速箱、混动并联及混联变速箱市场 空间均超过百亿且增速较快,纯电动多级减速器有望实现从无到有的突 破,均具有较好发展前景,相关供应商及产业链有望大幅受益。
  • 齿轮及油泵等领域逐步取得突破。国内自动变速箱产业起步晚销量低, 配套尚不成熟,核心零部件主要为博世、舍弗勒等国际巨头所掌控。近 年来国内双环传动、德尔股份等在齿轮轴系、变速箱油泵等领域逐步取 得突破,未来有望受益于零部件国产化及自动变速箱渗透率提升。

报告内容:

新能源汽车还需要变速箱吗

汽车分类

汽车按照动力来源形式可以分为传统汽车、普通混合动力汽车和新能源汽车。传统汽车主要以内燃 机驱动。混合动力汽车是指由两个或多个能同时运转的单个驱动系统联合组成的车辆,按照是否外 接充电可划分为一般混合动力(Hybrid)、插电式混合动力(Plug-In)。新能源汽车是指采用新型动力系 统,完全或者主要依靠新型能源驱动的汽车,包括插电式混合动力(含增程式)、纯电动和燃料电池等。

根据混合度(即电功率比例)的高低,混合动力汽车可以分为微混、弱混和强混等不同类型。不同 公司定义不同,目前尚无统一标准。一般来说,微混主要有 12V 启停,弱混主要有 48V 混动,而强 混包括常见的并联、串联及混联(含功率分流)等。不同混动系统的特性比较如下。

根据电机布置的位置,混动系统又可以分为P0/P1/P2/P3/P4等不同形式。

1)P0 电机置于发动机皮带轮系端,皮带驱动 BSG 电机,主要应用于 12V 启停及 48V 微混系统;2) P1 电机置于变速箱之前,安装在发动机曲轴上,在 K0 离合器之前,主要应用于 12V 启停及 48V 微混 系统;3)P2 电机置于变速箱的输入端,在 K0 离合器之后,主要应用于并联混动系统;4)P3 电机 置于变速箱的输出端,与发动机分享同一根轴,同源输出,主要应用于并联混动系统;5)P4 电机 置于变速箱之后,与发动机的输出轴分离,一般是驱动无动力的轮子,主要应用于并联混动系统。

下面分别介绍 12V 启停、48V 弱混、强混、插混、纯电动车、燃料电池汽车的分类与构成。

1)12V 启停混动

发动机启停(Stop-Start)系统就是在车辆行驶过程中临时停车(例如等红灯)的时候自动熄火,当 需要继续前进的时候,自动重启发动机的一套系统。发动机启停作为混合动力车的入门技术,由于 成本较低且有一定节能减排效果,目前应用较为广泛。

发动机启停系统主要有三种形式:

a)分离式起动机/发电机启停系统,这种系统的起动机和发电机是分开设计的,起动机为发动机启 动提供所需的功率,而发电机则为起动机提供电能。

b)集成起动机/发电机启停系统,这种系统集成的起动机/发电机是一个通过永磁体内转子和单齿定 子来激励的同步电机,能将驱动单元集成到混合动力传动系统中。

c)马自达智能启停系统,马自达 i-stop 技术主要通过在气缸内进行燃油直喷,以燃油燃烧产生的膨 胀力来重启发动机,发动机上的传统启动机在发动机启动时起到辅助作用。

2)48V 混动系统

48V 混动系统可以看成 12V 启停系统的升级版,主要由 48V 启动电机、锂离子电池组、用于 48V 与 12V电压之间转化的电压控制器(DC/DC)以及相应的控制模块组成。

根据电机布置的位置,48V 系统也可以分为 P0(BSG)、P1/P2/P3(ISG)、以及 P4(Real Axle Drive) 等不同形式。

相比传统 12V 系统,48V 混动系统由于电池电压输出升高,降低了线路损耗,同时电压的升高也可以 有效改善起停电机、空调压缩机、冷却水泵等系统的工作时间,让发动机在停车状态最大限度不参 与工作;其次是 48V 的电压更能满足锂电池快速实现能量回收的要求,而回收的能量可用于辅助驱 动等,降低发动机负载,从而实现降油耗和排放的作用。

3)强混汽车

目前强混车型的类型比较多,按传动系构型可分为串联式、并联式、混联式等三种。

a)串联式,最接近于纯电系统,配置的发动机仅用于推动发电机发电而不直接参与驱动汽车。系统 输出动力等于电动机输出动力。代表车型有日产Note(参数|图片) 等。

b)并联式,以发动机为主,电动机为辅,系统输出动力等于发动机与电动机输出动力之和。按照电 机位置可以分为 P2/3/4等不同类型。代表车型有现代索纳塔(参数|图片)混动版。

c)混联式(串并联),电动机和发动机都能单独驱动汽车。由于系统中配置有独立发电机,因而系 统输出动力大于发动机与电动机输出动力之和。

混联主要有两种形式,一种是分路式结构(功率分流),以行星排齿轮和双电机等作为传动机构, 代表车型有丰田Prius(参数|图片);另一种是开关式结构,以离合器和双电机进行动力切换,代表车型有本田雅 阁混动。

4)插混车型

插混分类与强混类似,也包括串联式(增程式)、并联式、混联式等三种,主要区别是插混车型可以充电,并且电池系统的带电量更高,纯电行驶里程更长。

a)串联式,也就是增程式混合动力,代表车型有广汽传祺 GA5(参数|图片) PHEV。

b)并联式,包括 P2/3/4 等多种形式,代表车型有大众途观(参数|图片) L 插电混动版、吉利帝豪 GL PHEV、长城 Wey P8 等。

c)混联式(串并联),同样包括分路式及开关式两种,分路式结构(功率分流)代表车型有通用凯 迪拉克 CT6 插混版,开关式结构代表车型有上汽荣威 eRX5。

5)纯电动车

纯电动车指的是完全由动力电池提供电力驱动的电动车,其驱动系统与串联式混动类似。

6)燃料电池汽车

我们可以将燃料电池系统视为发动机或增程器,燃料电池汽车的架构类似于串联式混合动力,有插电式或不插电等不同形式。

变速箱结构

1)传统汽车变速器

传统变速箱作为协调发动机转速和车轮实际行驶速度的变速装置,用于发挥发动机的最佳性能。具 体来说,由于发动机的合理转速区间较窄(一般在 1000-4000rpm 左右),转速过低则无法输出转矩, 而一旦发动机转速过高则会处于一种低效的工作状态,所以在行驶时,燃油车需要通过换挡来调整 减速比,从而使转速保持在合理的工作区间。

按操纵方式分类,传统变速箱可以分为手动变速器和自动变速器(含半自动变速器)两大类。按照 结构和原理的不同,自动变速器可以分为四种形式:液力自动变速器(AT)、无级变速器(CVT)、双 离合变速器(DCT)、机械式自动变速器(AMT)。

2)普通混动汽车

普混汽车中,弱混汽车一般是在原有发动机和变速箱基础上加装12V 或 48V 混动系统,其变速箱与 传统汽车变速箱基本一致,但大都配置的是自动变速箱。对于 12V 启停汽车而言,装配 12V 启停系 统的汽车与传统汽车在变速箱上并无差别。对于 48V 微混汽车而言,装配 P0/1/4 方案的变速箱与传 统汽车没有差别,装配 P2/3 方案的变速箱或需要略作改动,但大体结构仍与传统汽车变速箱相同。

而强混及新能源汽车的变速箱和传统汽车略有不同,按照混动和纯电等不同动力形式进行划分,车 型和结构不同,变速箱差异较大。

a)串联式

串联式混合动力系统最接近于纯电系统,发动机仅用于推动发电机发电而不直接参与驱动汽车,大 都无需变速箱,一般仅在电机输出端配置单级减速器,部分会与电机或电机控制器集成为二合一或 三合一驱动系统,未来或采用多挡变速箱。

b)并联式

按照电机位置,并联式混动有 P2/3/4等不同构型。对于 P2 结构而言,混动变速箱与传统自动变速箱 差别较小;对于 P3 结构,部分将电机集成在变速箱内部,结构改动较大。

而对于 P4 结构,一般称为电驱动桥,变速箱结构与串联式结构类似。部分车型 P4 结构与 P2 结构结 合,前驱仍包含 P2 并联混动变速箱,如长城 Wey P8等。

长城 WEY P8及长安 CS75 PHEV 应用了舍弗勒的 P4 结构电驱动桥,其中使用了两挡变速箱。

c)混联式

混联式变速机构与传统变速箱差异较大,主要有两种形式,一种是分路式结构(功率分流),以行星排齿轮和双电机等作为传动机构,另一种是开关式结构,以离合器和双电机进行动力切换。

丰田 THS 混动系统的 E-CVT 变速箱属于分路式结构(功率分流),结构非常简单,仅仅由MG1 发电 机、MG2 驱动电机、行星齿轮系统、动力控制单元 PCU 等组成,具有平顺性好、传动效率高、结构 简单、体积小等优点,是全球应用最为广泛的混动变速箱之一。

本田 i-MMD 混联变速箱属于开关式结构,主要由发电机、驱动电机、离合器及动力控制单元 PCU 等 构成,具有纯电模式、串联混动、并联混动三种模式,在结构简单的同时,还能保持高效动力输出 和极低的油耗。

3)新能源汽车

对于插混汽车,增程式混动的变速系统与串联式混动类似,目前大都采用单级减速器,未来或采用2 挡或多挡变速箱;并联式及混联式插混与强混系统类似,均需要特定的变速箱。对于纯电动汽车,变速系统与增程式(串联式)混动系统类似。目前全球主流纯电动汽车均采用电机匹配单级减速器的架构,未来或采用2 挡或多挡变速箱。

对于燃料电池汽车,其驱动系统构造类似于串联式混合动力,一般采用单级减速器,未来或采用2 挡或多挡变速箱。

综上所述,对于混动及纯电动汽车,纯电动及串联式混动需要单级减速器或多挡变速箱,并联式混 动变速箱与传统自动变速箱类似,而混联式等则需要专用混动变速箱。

混动及纯电动变速箱发展趋势

1)混动汽车—强混以混联居多,插混以并联为主

对于微混及弱混等车型,变速箱与燃油车基本相同,其发展趋势是自动变速箱渗透率持续提升。对 于强混及插混等车型,变速箱与传统车辆或有较大区别,技术路线包括并联、串联及混联等,不同 构架下的优缺点及变速箱要求比较如下表。

考虑动力性、经济性、成本、技术难度、布置等因素,在强混领域,混联式专用混动变速箱具有成 本较低、燃油经济性好等优点,有望得到广泛应用;而在插混领域,并联技术具有开发难度低、与 现有驱动体系兼容性好等优点,有望大范围推广。

从 2017 年到 2019 年 6 月乘联会销量数据来看,强混系统中,混联(包括分路式和开关式)占据了绝 大多数;而插混系统中并联占比最大,其次是混联,串联式(增程式)混动占比均较小。主要车企 强混及插混技术路线如下表。

强混系统中,功率分流占据主导地位,丰田等功率分流技术壁垒较高,产品价格较低,占据了普混 的主导地位。未来丰田或将 THS 系统出售给国内车企,有望维持强混的主导地位。

插混系统中,采用并联系统的车企较多,如大众、比亚迪等。在新能源汽车双积分政策的引导下, 各大合资车企纷纷引入插混车型,其中日系丰田、美系通用、福特等以功率分流为主,德系大众、 标致雪铁龙、韩系现代等以并联为主,日系本田以混联为主。随着这些合资车企插混车型的上市及 推广,未来插混车型有望呈现并联为主、混联及功率分流等多种技术路线齐头并进的局面。

另外按照对原有车型改变的程度,混动变速箱还可以分为附加式(Add-on)及专用式(DHT)两种。

附加式(Add-On)混合动力系统指的是基于现有传统发动机动力总成,把电动机安装到动力传输线 路的合适位置,构成的混合动力系统。目前比较多的是将电动机加装在变速器输入轴上,电动机与 发动机之间加入一个切换离合器,实现并联混合动力系统(P2)。

这种结构要尽量减少对原动力总成的改变,利用现有的批量变速器产品,从而降低开发新产品费用。附加式混动系统的结构比较复杂,适合小批量混合动力或者高端汽车。由于自动变速器变化较小, 这类变速器产品可以放在传统自动变速器分析里。

与附加式对应的是专用混合动力变速器(DHT,Dedicated Hybrid Transmission),指的是通过集成一个 或多个电动机到变速器中形成带电动机的自动变速器系统,加上发动机输入后即可实现混合动力驱 动的功能。较为典型的 DHT 有丰田 THS 系统、荣威 EDU 系统、本田 i-MMD 混动系统等。

区分附加式与专业混动变速器的关键在于去掉电动机后变速器能否正常工作。附加式混动系统前期性能、成本、空间等优化较好。

专用混动变速器具有空间和质量等优势。由于电动机驱动可以帮助发动机工作在效率较高的区域, 因此混动变速箱的挡位数可以适当减少,同时对整车的油耗影响很小。专用混合动力变速器挡位数 比附加式混合动力挡位数少,其结构也就相对简单,需要空间也比较少,同时可以实现减重。下图 比较了一个传统 8AT 的空间和一个 5AT 专用混合动力变速器所需空间。

专用混动变速器前期开发成本较高。虽然专用混合动力变速器相对可以简单,但前期开发成本较高, 如果产量不能达到一定水平时,较高的研发成本摊销将导致最终成本比利用现有的自动变速器实现 附加式混合动力系统的成本高。只有达到一定产量时,开发专用混合动力变速器才具有经济性。下 图比较了传统 8AT 的成本与用于专用混合动力的 5AT-DHT 成本比较。以 8AT 年产 20 万台为 100%基准, 只有当 5AT-DHT产量超过 8.1 万台时,其成本才能降低到 8AT 大批量生产的水平。

由于开发全新的混合动力系统开发成本较高,因此在混合动力市场有限的情况下,汽车厂以及变速 器公司倾向于选择在已有的自动变速器批量产品上做尽量少的改动,加入电动机实现附加式(Add-On) 混合动力系统。由于增加了一整套电驱动系统,动力总成比较复杂且价格昂贵,因此整车价格偏高, 普及率较低。目前应用附加式混动系统的主要有大众等,主要技术路线为并联。

随着混合动力系统的市场继续扩大,开发新型专用混合动力变速器从性价比角度考虑就是一个好的 途径和时机。目前丰田、本田、通用、上汽等均有开发专用混动变速箱,主要技术路线为混联。

从时间维度来看,附加式混动系统投入小见效快,短期有望占据主流;随着混动汽车销量的增加, 专用混动变速器优势更加突出,长期看普及率或将上升。

2)纯电动—集成化是发展趋势,多挡渗透率有望提升

集成化。随着新能源汽车技术的不断发展,零部件集成化设计已经成为必然趋势。通过集成化设计, 一方面可以减少简化主机厂的装配,提高产品合格率和安装维护效率;另一方面还可以减少连接线 等部件,达到轻量化、降低成本等目的。

在电驱动技术方面,集成化也是发展趋势,包括“二合一(电机+减速器)”方案,代表车型是雪佛兰 Bolt;以及“三合一(电机+减速器+电机控制器)”方案,代表车型是特斯拉系列。

综合来看,目前大多数企业只能做到“二合一”的电驱动总成方案,但预计未来在能耗要求提升、 降本等因素推动下,三合一电驱动总成方案将成为主流。

多挡化。目前全球主流纯电动汽车大都采用电机匹配单级减速器的架构,但随着能耗等要求的提升, 未来纯电动汽车有望逐步采用多挡变速箱。

由于电机的工作范围较广(一般在 0-15000rpm)。在低转速下也可以输出很大的转矩,因此没有变 速箱电动汽车也可以照常运行。从结构上来说,单级减速器不需要换挡机构、同步器和离合器,结 构相对简单且容易实现,因此应用广泛,目前主流纯电动车均采用单级减速器方案。

但单级减速器依然存在着不足。单一传动比通常无法同时兼顾纯电动乘用车的动力性和经济性,行 驶过程中驱动电机多数情况下无法处于高效率工作点,尤其是在最高或最低车速以及低负荷条件下, 驱动电机效率一般会降至 60-70%以下,严重浪费了电能而减少续驶里程。此外在车辆高速行驶时, 电动机需要保持极高的转速,对噪音控制和续航里程方面都不利。

解决的办法就是使用两挡或多挡变速箱。如果使用多级减速器,可以增加速比范围,并可以根据不 同工况进行速比的改变,就可以在车辆起步时拥有更好的加速水平,并且在高速时降低发动机的转 速,从而降低噪音和电能的消耗。

目前市场上主流单挡电桥为了综合性能,速比大多数选择了8-10 区间。而舍弗勒两挡电桥通过 1 挡 选用大速比 14.8,2 挡选用小速比 5.05,兼顾了加速性和最高车速等两方面的需求。舍弗勒公司数据 表明,使用两挡电驱动桥的电动汽车在动力性和经济性上更有优势,在动力总成不变的情况下,采 用两挡电桥比采用一挡电桥的电耗可以降低6.3%,电池容量可以减少 8%,续航里程增加 6.4%,同 时可以采用功率更小、转速更低的电机和控制器。

纯电动多挡变速箱成本增加但收益明显。相比于单级减速器,使用两挡变速箱的成本增加约 2000-3000 元,但有较好的综合收益:一方面电耗降低 5%-10%,同等续航里程要求下,可以减少约 8%电池装 机量,以单车 50 度电及度电成本 1000 元计算,可以节省电池成本约 4000 元;另一方面电机最高转 速及功率要求下降,同样可以降低电机及控制器成本。因此纯电动汽车采用多挡变速箱具有较好的 综合收益。

2019 年 7 月 9 日,工信部发布关于《〈乘用车企业平均燃料消耗量与新能源汽车积分并行管理办法〉 修正案(征求意见稿)》,对于纯电动汽车,续航里程的积分因子减小 50%,同时设置了范围较宽(0.5-1.5)的电耗调整系数,有助于鼓励车企发展低电耗的纯电动车。

随着未来新能源汽车积分与电耗水平挂钩,车企为了获得更高的新能源汽车积分,必然努力提高整 车电耗水平,而采用多挡变速器成本增加但收益明显,未来有望得以广泛应用。

[文章纠错]

文章网友提供,仅供学习参考,版权为原作者所有,如侵犯到

你的权益请联系support@cartech8.com,我们会及时处理。

会员评价:

0 发表评论

QQ|小黑屋|手机版|Archiver|汽车工程师之家★汽车技术交流学习网★车辆设计论坛 ( 渝ICP备18012993号 )

GMT+8, 18-9-2019 05:17 , Processed in 1.266833 second(s), 23 queries .

Powered by Discuz! X3.2

© 2001-2013 Comsenz Inc.