48V輕混目前已逐漸成為新能源的“香餑餑”，這主要是來源于嚴苛的汽車排放的壓力，以及搭載額外高壓功率電子等技術要求產生的成本增高等多方因素而形成的。 ? 48V系統(tǒng)最大的特點之一就是可以對高壓系統(tǒng)進行降本增效，以及避免12V電源的功率限制。 ? ?

? 今天，我們就以舍弗勒為例，詳細解讀P4電驅橋四驅技術方案——

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系統(tǒng)及應用簡介

電驅動技術首先需要面對的是典型城市工況，比如城市中較短的行駛距離、頻繁的起停過程、較低的行駛速度、以及頻繁的加減速過程等，這些是電驅動技術應用的絕佳舞臺，但再次過程中也遇到了諸多挑戰(zhàn)。 ? 傳統(tǒng)動力總成的混動化、電氣化成為了過渡技術的選擇。目前混合動力汽車已經可以達到排放低于100克碳/公里。 ? 高功率的電機加上一個小型化的內燃機能實現(xiàn)的行駛里程與搭載傳統(tǒng)動力總成的車輛相當。其所需的電功率是由具有高達600伏工作電壓的系統(tǒng)提供，電能通常由幾千瓦時電量的鋰離子電池提供。 ? 但是，鋰離子電池、高壓功率電子和所需的安全技術相對于傳統(tǒng)的動力總成會產生高昂的額外成本。 ? 舍弗勒開發(fā)的峰值功率為12千瓦的48V電橋提供了一種高性價比的混動化方案，它包括一個電機、兩級行星齒輪以及一個電子機械式換檔機構。電機的功率電子和換檔執(zhí)行器被集成在電驅動橋中。 ? 兩檔變速箱可以在一檔實現(xiàn)車輛純電起步到20km/h。除了用在頻繁起停的路況，純電行駛也可用于部分自動駕駛操作，如泊車。在二檔，助力和能量回收可以在很寬的車速范圍內實現(xiàn)。 ? 根據(jù)不同的車型，電動巡航（車速恒定）速度可以最高達到約70km/h。搭載一個電機和兩檔變速箱的舍弗勒48V電橋可以實現(xiàn)高達15％的節(jié)油率。

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48V系統(tǒng)的功能&優(yōu)勢

正如上文所說，相比于高壓系統(tǒng)，48V系統(tǒng)所需要的電氣和電子部件的成本要低得多，并且電池可設計具有更小的容量。 ? 同時48V系統(tǒng)不在接觸保護等法規(guī)的要求范圍之內。在48V系統(tǒng)中電流高達250A，可實現(xiàn)最高12千瓦的輸出功率，其可用電力足以減少內燃機在低車速、低工作效率范圍內的使用頻率。 ?

? 上圖表示針對B-F級別車輛在不同駕駛循環(huán)（NEDC/WLTP/Artemis）中可回收的最大能量與制動功率的關系。48V系統(tǒng)通過搭載峰值功率為10-12千瓦的電機可以實現(xiàn)80%的能量回收率（B級/C級車/NEDC循環(huán)），回收能量可用于車輛的下一次加速。 ? 即使更重的車輛在更加動態(tài)的駕駛循環(huán)中（E級/F級車/WLTP循環(huán)），通過搭載48V系統(tǒng)可以實現(xiàn)超過60%的制動能量回收。雖然高壓混動系統(tǒng)可以實現(xiàn)100％能量回收率，但由此增加的系統(tǒng)成本遠高于多回收能量所帶來的效益。 ?

? 上圖比較了不同48V混動系統(tǒng)架構的功能。與皮帶式起動發(fā)電機（BSG）和集成式起動發(fā)電機（ISG）相比，由于沒有發(fā)動機拖曳扭矩的影響，P2混動模塊與電橋在純電爬行、純電行駛、電動巡航以及能量回收方面都表現(xiàn)出更好的性能和更高的系統(tǒng)效率。 ? 雖然P2混動模塊在發(fā)動機起停和負荷點轉移方面表現(xiàn)更好，但是電橋有一個顯著的優(yōu)勢，即通過安裝在后驅動橋的電橋實現(xiàn)電動四驅功能。前驅動橋與后驅動橋分別由傳統(tǒng)動力總成和電橋獨立驅動。 ? 由傳統(tǒng)動力總成與48V電橋組成的電動四驅系統(tǒng)具有以下優(yōu)點：

四輪驅動功能

作為擴展系統(tǒng)，與傳統(tǒng)動力總成可兼容

可實現(xiàn)低速純電行駛

通過兩檔變速箱可實現(xiàn)高速下的電動巡航

通過發(fā)動機解耦可顯著降低發(fā)動機摩擦與拖曳損失

更好的燃油經濟性

? 發(fā)動機拖曳扭矩在燃油經濟性中起到了至關重要的左右。圖3展示了針對三種不同車輛級別與發(fā)動機在NEDC循環(huán)中發(fā)動機拖曳扭矩消耗能量、制動能量與回收能量的比較（采用12千瓦BSG電機）。 ? 以上可以看出，在NEDC循環(huán)中發(fā)動機拖曳扭矩消耗的能量遠大于回收能量。通過發(fā)動機解耦可以減少拖曳扭矩，從而實現(xiàn)更好的燃油經濟性。 ?

? 上圖比較了電橋與BSG系統(tǒng)在NEDC循環(huán)中所能提供的軸荷扭矩。由于沒有發(fā)動機拖曳扭矩的影響以及電橋在一檔具有大速比，電橋可以提供較高的軸荷扭矩，使車輛起步達到15km/h。 ? 與之相反，除去發(fā)動機拖曳扭矩之后BSG系統(tǒng)所能提供的凈軸荷扭矩小于NEDC循環(huán)中車輛所需軸荷扭矩，不足于驅動車輛起步。而且，電橋在能量回收時比BSG系統(tǒng)具有更高的效率。 ? 另外，由于電橋在二檔時具有小速比，可以實現(xiàn)高達70km/h的純電巡航。而由于速比的限制，BSG系統(tǒng)在高車速（70km/h）時所能提供的軸荷扭矩較小，不足以單獨驅動車輛。 ? 基于以上分析，電橋相對BSG系統(tǒng)在純電起步，能量回收以及電動巡航時具有更高的效率。48V電橋可以在NEDC循環(huán)中實現(xiàn)15%的節(jié)油率，如下圖所示。 ?

? 48V電橋的設計與開發(fā)應基于最優(yōu)利用整個功率范圍的理念。要最大程度上降低二氧化碳排放，需要較小速比，這樣48V電橋的高效區(qū)域和最大功率都可以在一個較寬的車速范圍內為電動巡航與能量回收所利用。 ? 同時，車輛需要在0-15km/h車速范圍內具有高軸荷扭矩，因此需要大速比。對于駕駛員來說這是在不降低駕駛舒適性的前提下，在車輛加速時體驗純電的駕駛樂趣的唯一方法。 ? 因此集成一個兩檔變速箱到電橋當中是有必要的。相對于單檔電橋，兩檔電橋具有以下優(yōu)點：

采用一檔的大速比可以實現(xiàn)更好的加速性能和爬坡能力

采用二檔的小速比可以提高最高車速和拓寬車速范圍

更低的電機運行轉速，更好的NVH

電機可小型化

更大的高效區(qū)域和更高的綜合運行效率，可采用更小的電池容量或者提高純電續(xù)航里程

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舍弗勒的48V解決方案

接下來我們來看看舍弗勒的具體解決方案。 ?

? 舍弗勒48V電橋可以應用在不同的整車架構中。純電行駛和能量回收完全由48V電橋完成（圖7a、7b）。為了啟動發(fā)動機，仍然需要12V起動電機。 ? 另外，傳統(tǒng)動力總成和電橋分別驅動前、后橋，實現(xiàn)電動四驅功能（圖7c）在后驅車型中電橋安裝在后橋前端，由后橋差速器的法蘭支撐，并與萬向軸保持同軸。 ? 電橋所產生的扭矩通過萬向軸和后橋差速器傳遞到后輪。在前驅車型中電橋安裝在變速箱后端，通過法蘭連接在變速箱殼體上。電橋所產生的扭矩通過變速箱中間軸傳遞到前橋，從而驅動車輛行駛。 ? 對于具有更高駕駛動態(tài)響應要求的高端車型，可以采用帶扭矩矢量分配功能的舍弗勒48V電橋。它可以提供48V電橋的全部功能并增加后輪的扭矩矢量分配功能（圖7d），從而具有更好的駕駛性和動態(tài)響應特性。 ? 舍弗勒48V電橋包括一個電機，兩級行星齒輪以及連接齒輪和萬向軸的電子機械式換檔機構。電機的功率電子和換檔執(zhí)行器被集成在后軸驅動的傳輸通道中。 ?

? 上圖中，舍弗勒48V電橋結構為了得到起步所需扭矩，到驅動軸的高減速比是必要的。 ? 行星齒輪可實現(xiàn)的最大速比受到太陽輪與齒圈的節(jié)圓直徑比例的限制，舍弗勒通過使用盡可能小的太陽輪和一個創(chuàng)新的較容易安裝在殼體中的齒圈，可以使傳動比達到最大。 ? 第一級和第二級齒輪的齒數(shù)是相同的，兩極行星齒輪都與固定在殼體上的同一個齒圈相嚙合。在一檔時電機產生的動力通過第一級行星齒輪的太陽輪傳遞到行星架。 ? 同時第一級行星齒輪的行星架與第二級行星齒輪的太陽輪相連接。最終動力通過第二級行星齒輪的行星架輸出。行星齒輪的行星架與中間軸的鎖止通過換檔執(zhí)行器與同步環(huán)來實現(xiàn)。 ?

? 在二檔時第一級行星齒輪的行星架直接與中間軸相連接。因此只有第一級行星齒輪參與動力傳遞，第二排行星齒輪在空轉。 ? 舍弗勒48V電橋在后驅車型中典型的系統(tǒng)構型如圖10所示： ?

? 舍弗勒48V電橋和整車之間的接口需根據(jù)具體車型來定義。48V電池通過功率電子供給電機所需要的電功率。 ? 同時，整車控制單元（HCU）和功率電子通過車輛總線（CAN或FlexRay）進行通訊，ECU所要求的扭矩通過功率電子中的控制單元轉化為對電池的電流需求。 ? 換檔執(zhí)行器同樣通過車輛總線與整車控制器通訊，并且根據(jù)駕駛工況把整車控制器的換檔命令轉化為執(zhí)行器位置信號。 ? 換檔執(zhí)行器由車載12V電源供電。除了控制信號，車輛總線還傳送位置、溫度和電流傳感器數(shù)據(jù)，以允許整車控制器隨時監(jiān)控混動系統(tǒng)的當前狀態(tài)。 ? 換檔執(zhí)行器的底層驅動軟件以及控制算法都由舍弗勒獨立完成，并且可以根據(jù)目標車型的要求進行修改與匹配。機械接口包括中間軸與萬向軸的連接，以及后橋差速器和電橋法蘭的連接。
舍弗勒48V電橋樣機分別由兩個主機廠進行了臺架以及樣車測試，如下：

? 測試的重點除了測量電橋在車上的溫度特性和純電驅動與內燃機驅動的模式切換，還包括搜集純電行駛的數(shù)據(jù)以及由電動滑行和能量回收帶來的二氧化碳減排量。
在開發(fā)舍弗勒48V電橋過程中，采用模塊化設計原則是至關重要的。因為可以沿用通用的量產零部件，模塊化設計的理念已得到廣泛認可。 ? 48V電橋樣品的電機來自于BSG電機，電機的定轉子已經大批量生產。電橋的設計高度集成，殼體為集成功率電子進行了設計調整。同時可以沿用BSG系統(tǒng)中大部分的發(fā)動機控制和總線接口。 ? 與功率電子器件關聯(lián)的換檔執(zhí)行器已被使用于舍弗勒高壓電橋，無需任何修改即可用在48V電橋系統(tǒng)當中。變速箱、殼體和軟硬件接口已經為48V電橋的相關應用進行了調整。零部件共用策略可以避免針對每個客戶的全新開發(fā)，而僅需要應用匹配。

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技術總結

峰值功率為12千瓦的舍弗勒48V電橋提供了一種高性價比的混動化方案。基于模塊化設計原則，共用已有的換檔控制器和采用已大批量生產的零部件，使得開發(fā)出低成本的48V電驅動橋成為可能。 ? 電橋變速箱包含兩級行星齒輪。兩檔變速箱可以利用一檔實現(xiàn)車輛純電起步到20km/h。 ? 除了用在頻繁起停的路況，純電行駛也可用于部分自動駕駛操作，如泊車；在二檔，助力和能量回收可以在很寬的車速范圍內實現(xiàn)。 ? ? ? 根據(jù)不同的車型，電動巡航（車速恒定）可以最高達到約70km/h的速度。搭載一個電機和兩檔變速箱的舍弗勒48V電橋可以實現(xiàn)高達15％的節(jié)油率采用更高功率的電機，如從12千瓦增加到18千瓦，可以預期獲得更高的制動功率和更好的能量回收率。 ? 另外，通過改變電機的冷卻方式，從風冷轉變?yōu)橛屠洌梢杂行岣唠姍C的額定功率。這些都是舍弗勒針對48V電橋下一步要研究的工作。 ? 除此之外，結合扭矩矢量分配功能對輪胎滾動阻力的優(yōu)化也是進一步研究的方向。

編輯：黃飛

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