電驅(qū)動橋系統(tǒng)行業(yè)未來將迎來怎么樣的巨變？

隨著全球二氧化碳排放標(biāo)準(zhǔn)的日益嚴(yán)格，并且世界上一些人口最密集的城市亟需解決用車需求問題，電驅(qū)動橋產(chǎn)品將迎來發(fā)展的黃金時(shí)期。目前，由于全電動車型仍處于醞釀階段，因此電動驅(qū)動橋看上去是一個(gè)將當(dāng)前車型電動化的理想選擇。

電驅(qū)動橋系統(tǒng)也稱為電動全輪驅(qū)動系統(tǒng)（eAWD），指的是一種裝在一個(gè)車橋結(jié)構(gòu)中的機(jī)電系統(tǒng)，其中包含一個(gè)電機(jī)、動力電子元件和一種相當(dāng)于變速箱或差速器的裝置。與傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)（ICE）或混合動力系統(tǒng)聯(lián)合工作時(shí)，該系統(tǒng)能夠?yàn)樵緵]有電力驅(qū)動的車橋增添電驅(qū)動力，因此被稱為eAWD系統(tǒng)。

隨著越來越多的城市設(shè)立了專門的零排放區(qū)，零排放車輛的重要性與日俱增。沃爾沃XC90 T8插電式混合動力SUV采用了eAWD系統(tǒng)（電驅(qū)動后橋系統(tǒng)由GKN集團(tuán)所提供），并配有10.4 kwh電池。這一車型在EPA標(biāo)準(zhǔn)下的純電續(xù)航里程可達(dá)19英里。（圖片來源：GKN集團(tuán)；沃爾沃）

通過將電子組件、電機(jī)與差速器集成為一體，電驅(qū)動橋系統(tǒng)可以提升各種級別汽車的封裝靈活性、電氣化程度以及性能，起到了出色的整合作用。由于幾乎所有交通領(lǐng)域都必須采取一定形式的電氣化，以滿足二氧化碳排放限值，因此電驅(qū)動橋這一創(chuàng)新設(shè)備一下變得炙手可熱起來。

然而一位一級供應(yīng)商直接表示：“我們簡直要忙壞了。”

幾位接受本文作者采訪的工程師們均表示，電驅(qū)動橋較強(qiáng)的適應(yīng)性帶動了整個(gè)技術(shù)的快速發(fā)展。不過，許多一級供應(yīng)商們也逐漸發(fā)現(xiàn)“模塊化”不等于“插件”。對供應(yīng)商而言，人們最感興趣的模塊化技術(shù)，同樣增加了技術(shù)迭代的難度，也帶來了系統(tǒng)集成方面的新挑戰(zhàn)。

Dana公司推出的新型eS5700r 電驅(qū)動橋系統(tǒng)，能夠直接取代現(xiàn)有的中型卡車與公交車懸架。安裝有該款電驅(qū)動橋系統(tǒng)的新款東風(fēng)卡車于近期正式在中國投入運(yùn)營。本電驅(qū)動橋系統(tǒng)由液冷電機(jī)、逆變器、盤式制動器構(gòu)成，并且僅重673磅（305千克）。（圖片來源：Dana公司）

電驅(qū)動橋背后的推動力

盡管某些地區(qū)的市場因政治問題而出現(xiàn)動蕩，但二氧化碳排放標(biāo)準(zhǔn)的嚴(yán)格化，是全球的普遍趨勢。最近，一些主要城市的零排放區(qū)正在制定各項(xiàng)舉措，以推動純電動車的普及。而電驅(qū)動橋是一種可以同時(shí)解決多個(gè)問題的理想部件。

德納（Dana）公司電氣化與混合動力部門高級主管Michael Lembke表示，二氧化碳排放標(biāo)準(zhǔn)是推動汽車電氣化的最主要原因，不過“各個(gè)國家的標(biāo)準(zhǔn)都不一樣”。中國的影響力非常大，因?yàn)樗鼜?qiáng)制規(guī)定了電動汽車的比例。Lembke指出：“中國不僅規(guī)定了車隊(duì)的二氧化碳排放限值，它還規(guī)定在OEM生產(chǎn)的汽車中，必須有8%采用動力電池?！?/p>

盡管中國近期出臺的法規(guī)會推動電驅(qū)動橋應(yīng)用的普及，但其他市場上更有可能出現(xiàn)電動汽車的需求上升。

吉凱恩傳動系統(tǒng)公司（GKN Driveline）高級工程副總裁Theo Gassmann表示：“我們在中國的業(yè)務(wù)將在未來幾年中高速增長。但歐洲與美國也不落后，所有頂尖OEM都在加大對電動車及插電式混合動力汽車的研發(fā)與投資力度。二氧化碳減排計(jì)劃的出臺、當(dāng)?shù)匚廴締栴}的加重以及零排放區(qū)的設(shè)立，都大大推動了各地區(qū)的電氣化發(fā)展。”

據(jù)IHS Markit 市場調(diào)研公司汽車技術(shù)領(lǐng)域首席分析師Graham Evans稱，電驅(qū)動橋行業(yè)將迎來顯著增長，并指出：“我們預(yù)測，2017-2023年，輕型車用電驅(qū)動前橋的復(fù)合年均增長率將達(dá)到35%，后橋?qū)⑦_(dá)到46%。”

根據(jù)IHS 公司的預(yù)測，電驅(qū)動前橋系統(tǒng)的產(chǎn)量將從2017年的75萬臺增長到2023年的450臺以上，而同時(shí)，電驅(qū)后橋/全輪驅(qū)系統(tǒng)的產(chǎn)量也將分別從32萬臺/11萬臺增長到300萬臺/250萬臺。而隨著零排放區(qū)在全球主要城市及地區(qū)的設(shè)立，電驅(qū)動橋產(chǎn)品的商業(yè)應(yīng)用將使其產(chǎn)量進(jìn)一步高于預(yù)期。

Dana公司輕型車工程副總裁Seth Metzger表示：“如果我們只考慮商業(yè)領(lǐng)域，城市內(nèi)使用的工作車輛和配送車輛是需要全電動的。而那些來往于城市間的車輛在進(jìn)城后需要在一段時(shí)間內(nèi)切換為純電模式?！?/p>

麥格納動力總成系統(tǒng)公司所提供的eDrive電驅(qū)動橋系統(tǒng)由變速箱、電機(jī)與逆變器構(gòu)成。圖中顯示的中置電驅(qū)動橋系統(tǒng)能提供高達(dá)3800 N·m的扭矩，可用于混合動力汽車與純電動汽車。（圖片來源：麥格納）

快速迭代與成本問題

對于汽車制造商們而言，幸運(yùn)的是，電驅(qū)動橋產(chǎn)品能夠適應(yīng)現(xiàn)有的汽車結(jié)構(gòu)，幫助解決上述汽車二氧化碳排放方面的問題。來自Dana公司的Lembke解釋說：“由于時(shí)間緊迫，現(xiàn)在很多OEM們都要求在他們現(xiàn)有汽車結(jié)構(gòu)（包括發(fā)動機(jī)、變速箱、傳動軸、排氣系統(tǒng)與油箱）的基礎(chǔ)上，直接安裝一個(gè)eAWD系統(tǒng)?！?/p>

極強(qiáng)的適應(yīng)性，是電驅(qū)動橋技術(shù)廣受歡迎的主要原因。麥格納動力總成系統(tǒng)公司（Magna Powertrain）產(chǎn)品管理與傳動系統(tǒng)部門全球主管Walter Sackl解釋說：“很多的汽車制造商在生產(chǎn)汽車時(shí)，都已經(jīng)形成了自己固有的汽車平臺與汽車結(jié)構(gòu)，而采用電驅(qū)動橋部件后，我們能將原有的汽車結(jié)構(gòu)直接轉(zhuǎn)化為混合動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。并且，電驅(qū)動橋的尺寸往往可以輕松地裝進(jìn)普通汽車?！?/p>

電驅(qū)動橋技術(shù)發(fā)展迅速，它的應(yīng)用還使得是原有汽車平臺的安裝工作相較于幾年前變得更為方便。GKN集團(tuán)的Gassmann解釋說：“每一款新的電驅(qū)動橋產(chǎn)品都會增添新的特征，并且集成度也更高、布置更為緊密，也更為先進(jìn)。最開始的電驅(qū)動橋有多個(gè)組成部分：一臺與變速箱相連的電機(jī)，一臺位于后備箱的逆變器，所有部件都由電纜連接。而現(xiàn)在的系統(tǒng)整合程度很高，逆變器、電機(jī)和變速箱基本整合在一起，組成一個(gè)完整的部件。”

任何新的系統(tǒng)在投入運(yùn)營時(shí)都會遇到一定的工程挑戰(zhàn)，電驅(qū)動橋系統(tǒng)也不例外。電驅(qū)動橋系統(tǒng)在推出時(shí)遇到的最大的一個(gè)挑戰(zhàn)在于，由于推動電動車產(chǎn)業(yè)發(fā)展的是二氧化碳排放法規(guī)，而非消費(fèi)者需求，因此OEM難以從電動車市場中獲利。

Dana 公司的Metzger表示：“高昂的成本是制約電動車發(fā)展的一大障礙。許多OEM都坦言，純電動車難以獲利。但隨著電驅(qū)動橋產(chǎn)量的增加，市場份額也會提升，并相應(yīng)帶動電池、電機(jī)與逆變器成本的下降。這些部件的成本最后都會降低，因?yàn)镺EM必須獲利才能生存。”

要想降低成本，除了提升電驅(qū)動橋的產(chǎn)量外，還需要降低原材料的價(jià)格壓力。IHS Markit公司的Evans表示：“電驅(qū)動橋是電動車中第二昂貴的部件，而鑒于目前激烈的市場競爭，單位成本應(yīng)該很快就會下降了?！?/p>

Evans指出，電機(jī)使用的稀土金屬原料是導(dǎo)致價(jià)格居高不下的主要原因。不過他也表示，“現(xiàn)在已經(jīng)有很多公司開始開發(fā)無稀土電機(jī)，這樣供應(yīng)鏈上的這一限制將不復(fù)存在，也不會阻礙技術(shù)發(fā)展了?！?/p>

除了成本方面的挑戰(zhàn)外，所有接受《汽車工程》雜志采訪的供應(yīng)商們都指出，噪聲、振動與不平順性（NVH）問題也是電動汽車所面臨的一個(gè)新挑戰(zhàn)。

ZF電動交通部門驅(qū)動橋系統(tǒng)產(chǎn)品/項(xiàng)目管理主管MichaelWetzel 指出：“由于電動車很安靜，因此只要汽車傳動裝置、電子元件以及電機(jī)發(fā)出一點(diǎn)噪音，你就能聽得很清楚。而電動車的部件布置又較為緊密，功率重量比較高，因此難以同時(shí)采用所有的NVH對策。”

要從系統(tǒng)層面上解決NVH問題，就需要先進(jìn)的仿真模擬工具加以輔助。GKN的Gassmann解釋說：“從一開始，你就要牢記系統(tǒng)中每個(gè)部件以及這些部件的組合方式。然后，你需要確?；静考囟紲?zhǔn)確地布置到位，這樣才能保證汽車無噪聲地高效運(yùn)行。這其中最關(guān)鍵的就是要選擇合適的潤滑油與軸承，也就是說要采用先進(jìn)的潤滑技術(shù)，以盡可能減少發(fā)動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過程中的摩擦損失?！?/p>

電驅(qū)動橋系統(tǒng)輸入轉(zhuǎn)速較高也是造成電動車NVH問題難解決的原因之一。一般高性能內(nèi)燃機(jī)的最高轉(zhuǎn)速只能達(dá)到8000 rpm，而相比之下，新一代電驅(qū)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速可達(dá)20000 rmp。Gassmann表示：“它和傳統(tǒng)系統(tǒng)截然不同，同時(shí)也帶來了艱巨的NVH難題。”

電驅(qū)動橋系統(tǒng)推廣所面臨的另一大挑戰(zhàn)在于系統(tǒng)布置形式的復(fù)雜性。來自Magna動力總成系統(tǒng)公司的Sackl表示：“傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)總共只有六種布置方式，比如前橫置發(fā)動機(jī)前輪驅(qū)動，前縱置發(fā)動機(jī)后輪驅(qū)動等等。而電驅(qū)動橋系統(tǒng)的布置形式則復(fù)雜得多，可能會產(chǎn)生42種甚至更多的布置形式?！?/p>

ZF研發(fā)的新型完全集成式電驅(qū)動橋系統(tǒng)將于2018年底前交由一家歐洲制造商進(jìn)行量產(chǎn)。（圖片來源：ZF）

OEM與供應(yīng)商合作，加強(qiáng)系統(tǒng)集成

在此之前，零部件供應(yīng)商主要專注于零部件的機(jī)械制造，而現(xiàn)在則需要與OEM客戶們共同合作，以應(yīng)對集成系統(tǒng)、尤其是集成系統(tǒng)軟件研發(fā)制造方面的挑戰(zhàn)。

Gassmann也承認(rèn)說：“OEM們現(xiàn)在開始同一級供應(yīng)商合作，致力于集成式電驅(qū)系統(tǒng)的開發(fā)。這對我們供應(yīng)商而言既是巨大的機(jī)遇，也是巨大的挑戰(zhàn)。不過這也意味著我們供應(yīng)商需要做出重大的轉(zhuǎn)變，因?yàn)槲覀冊戎鞴サ氖?a href="http://ttokpm.com/v/tag/1472/" target="_blank">機(jī)械零部件的整合，以及變速箱的制造等等，但現(xiàn)在我們卻需要擔(dān)負(fù)起整個(gè)系統(tǒng)集成的工作。”

麥格納的Sackl 表示：“過去是機(jī)械部件決定汽車的功能，而現(xiàn)在我們開始重點(diǎn)研發(fā)制造像電控離合器這樣的電子組件。因此，我們需要在現(xiàn)有汽車結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上再加入控制軟件，這使得整個(gè)系統(tǒng)部件的生產(chǎn)流程變得復(fù)雜起來?！?/p>

Sackl繼續(xù)解釋說：“同以往相比，一級供應(yīng)商所提供的產(chǎn)品的范圍也在不斷擴(kuò)大?，F(xiàn)在，我們所供應(yīng)的大部分都是軟件類的部件產(chǎn)品，并且軟件類部件研發(fā)的工程人員，也已經(jīng)占到了我們工程人員總數(shù)的近一半之多?！?/p>

48伏電氣系統(tǒng) vs. 高壓電氣系統(tǒng)

48伏電驅(qū)動橋系統(tǒng)的應(yīng)用前景如何？我們采訪的大部分供應(yīng)商都表示，雖然許多新型舒適性技術(shù)與底盤技術(shù)的運(yùn)行仍需要48伏系統(tǒng)的支持，但未來的電驅(qū)系統(tǒng)卻需要更高的電壓支撐。麥格納的Sackl解釋說：“48伏系統(tǒng)最主要的功能是向汽車的其它系統(tǒng)供電，但高壓電氣系統(tǒng)的主要功能則是為汽車提供動力?！?/p>

ZF的Wetzel對此表示贊同，他指出：“我們目前提供的大部分電驅(qū)動橋產(chǎn)品都是與高壓電氣系統(tǒng)相兼容的，因?yàn)檫@一系統(tǒng)下電驅(qū)動橋產(chǎn)品的輸出功率可達(dá)50 kw及以上，這為用戶在內(nèi)城區(qū)駕駛純電動車提供了可能。”

GKN的Gassmann也表示：“我們認(rèn)為48伏電驅(qū)動橋系統(tǒng)的市場前景并不大，因?yàn)檫@一系統(tǒng)所能提供的扭矩很有限。如果你想在市中心駕駛電動車，并且想讓汽車保持足夠的扭矩、毫不費(fèi)力地駛過路緣或是爬上停車場的斜坡，那么汽車只能以低速行駛?！?/p>

“但如果你更注重于二氧化碳減排目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，那么就需要確保電動車能夠高速行駛，否則就發(fā)揮不了電動車的二氧化碳減排能力以及電驅(qū)動橋在提升汽車驅(qū)動性能方面的優(yōu)勢了。因此，要實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，就必須增加整個(gè)混合動力系統(tǒng)的設(shè)計(jì)成本，將傳統(tǒng)的變速箱升級為雙速變速箱，但這就又與原先的48伏低成本混合動力驅(qū)動橋系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則相違背了?！盙assmann繼續(xù)解釋道。

GKN推出的新型eTwinsterX電驅(qū)動橋系統(tǒng)擁有獨(dú)特的同軸特性，這大大減小了系統(tǒng)空間。該系統(tǒng)最大輸出功率達(dá)120kw（161hp），最大扭矩達(dá)210 N·m（155 lb· ft），并同時(shí)配置有雙速變速箱與扭矩質(zhì)量分配功能。（圖片來源：GKN）

汽車動力學(xué)與二氧化碳減排

作為零部件供應(yīng)商，最重要的是生產(chǎn)出客戶想要的產(chǎn)品，而不應(yīng)只是一味專注于提高產(chǎn)品的效率。將電驅(qū)動橋系統(tǒng)添加到現(xiàn)有汽車平臺中，除了能減少汽車二氧化碳的排放量、減小ICE的尺寸外，更為重要的是是能夠增提升車輛的性能。

GKN的Gassmann 指出：“雖然電驅(qū)動橋行業(yè)的發(fā)展必然會對機(jī)械式全輪驅(qū)動系統(tǒng)的市場造成一定的沖擊，但這不代表我們有所損失。相反，我們還獲利了，因?yàn)殡婒?qū)動橋系統(tǒng)的價(jià)值遠(yuǎn)高于機(jī)械式全輪驅(qū)動系統(tǒng)。”

Dana公司的Metzger表示：“大部分向我們詢問高性能系統(tǒng)報(bào)價(jià)的客戶都會問及汽車的扭矩矢量分配功能。從這里就可以看出，雖然燃油經(jīng)濟(jì)性是一個(gè)方面，但很多客戶所關(guān)注的已不僅僅是汽車的燃油經(jīng)濟(jì)性這么簡單，而是更注重汽車的整體性能以及駕駛樂趣?！?/p>

麥格納的Sackl也表示：“我們的主要目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)汽車動力學(xué)性能以及減排能力的提升，二者缺一不可。最終，我們將以增加客戶駕駛樂趣為主攻方向，提升汽車動力學(xué)性能，讓客戶真正享受到駕駛的樂趣?！?/p>

電驅(qū)動橋行業(yè)迎來快速發(fā)展期

無論最終推動電動車產(chǎn)業(yè)發(fā)展的是排放法規(guī)，還是消費(fèi)者需求，電驅(qū)動橋行業(yè)都將迎來重大變化。。

Dana公司的Lembke 表示：“看看過去5年中電氣化行業(yè)發(fā)生的改變就知道，電氣化行業(yè)正經(jīng)歷著內(nèi)燃機(jī)與變速箱過去25年中所經(jīng)歷的變革。每個(gè)月都有OEM宣布:‘到X年，我們混合動力汽車或純電動汽車的生產(chǎn)量將達(dá)到……’。尤其是在中國以外的地區(qū)，這樣的現(xiàn)象每周都有發(fā)生。”

GKN傳動系統(tǒng)部門的客戶與項(xiàng)目工程副總裁StevenLaChance表示：“有了全輪驅(qū)動技術(shù)后，我們解決了很多系統(tǒng)集成方面的問題，這很棒。但電驅(qū)動橋技術(shù)更讓人振奮，屬于工程師們的激動人心的時(shí)代終于到來了?！?/p>