深度剖解新款雪佛兰Bolt电动车的创新内在

文章来源:SAE 点击数:50 发布时间:2017-03-28
不可否认,全新的电池组是雪佛兰Bolt电动车得以拥有“200英里 ”续航里程的主要原因,但公司进行的一系列系统优化、精细的电机设计以及专利CAE工具的应用也同样重要。
深度剖解新款雪佛兰Bolt电动车的创新内在

不可否认,全新的电池组是雪佛兰Bolt电动车得以拥有“200英里 ”续航里程的主要原因,但公司进行的一系列系统优化、精细的电机设计以及专利CAE工具的应用也同样重要。

电驱动桥的设计本身非常简洁:Bolt电动车的驱动装置剖面图展示了通用汽车的标志性条绕定子、空心轴、轴承与螺旋齿轮组结构。

对于真正的工程师来说,车辆推进系统的剖面图永远比免费啤酒和披萨更有吸引力。在2016年北美国际车展(2016 Detroit Auto Show)上,这些工程师是如此热情,以至于大众汽车(Volkswagen Group)的新任主席Matthias Mueller必须在5人安保团队的协助下才能挤进雪佛兰(Chevrolet)的展台。当时,Mueller的助手指着雪佛兰在当日早些时候发布的2017款Bolt电动车的推进系统模块说,“就是这个!” 接着,多名身着黑西服的大众高管立刻将这个剖面模型团团围住。首先映入眼帘的,是安装在铣制铝质外壳中的牵引电机和大型螺旋齿轮组。随后,Mueller的助理开始向各位大众高管介绍该模块的设计亮点。很显然,这位助理肯定是有备而来,已经提前熟悉了雪佛兰模块的技术细节。在整个过程中,大众汽车还有专人在笔记本上迅速记下技术草图,也有人不断拍摄特写照片。

短短10分钟后,Mueller等一行人匆匆离开。随后,本文作者与通用汽车电力推进系统资深首席工程师Steve Poulos重新回到剖面模型前,继续我们之前被打断的讨论。

“大众汽车已经不是今天第一家来‘考察’我们的竞争对手了,”Poulos表示,“我们肯定会引起一些关注。”雪佛兰的工程团队曾在1年前表示,新款雪佛兰Bolt电动车很有可能拿下包括2017年北美年度汽车大奖(2017 North American Car of theYear)在内的多个奖项。雪佛兰Bolt是所有4万美元级别的车型中首款续航里程超过200英里(322公里)的量产电动车,这表明通用的全球推进系统(GM Global Propulsion)与LG电子汽车元件(LG Electronics Vehicle Components)之间的战略合作已经凝聚成一支强大的汽车研发力量。具体来说,LG电力汽车元件公司成立于2014年,这家公司参与了Bolt电动车的动力系统及其他多个子系统的研发。

通用全球电池系统总监Bill Wallace表示,新款Bolt采用了全新的富镍锂离子NMC(镍锰钴三元材料)化学电池组设计,这种电池可以在保证寿命的前提下提高模块的耐热性。此外,更重要的是,这款电池极大地延长了新款Bolt电动车的续航里程。与之前Spark电动车所采用的电池组相比,Bolt的新电池体积更大,表面积也更大,因此功率也比前者增加了40kW。此外,Bolt电池的额定能量增加了3倍,从之前Spark电池的18.4 kW·h增加至目前的超过60 kW·h,但重量仅增加了1倍。

新电池的能量重量比(Watt- hours/kg)与功率体积比(kilowatts/L)均有显著提升(详见下表)。Bolt电池组的具体重量为959磅(435千克),拥有很高的热质量,这也意味着电池在工作时的温度变化仅会以小数计算。新电池在废热控制方面的表现也有所提升,工作时并不会产生很多废热,这也有助于优化Bolt电动车的减速动能与制动动能回收。《汽车工程》的编辑总是将这款电池称为“电池中的V8发动机”。

Poulos指出,尽管电池性能的提升非常显著,但Bolt电动车的电池、电机、传动功率控制与热管理模块的系统优化更值得一提。

“我们尝试了很多种方法,电机最终取得了97%的峰值效率。”他说,“电机效率越高,我们所需的电池模块就越小,而电池模块越小,我们就越容易实现“200英里 ”的续航里程,这个道理非常简单。”Bolt电动车的电机是由通用公司内部研发的,公司的电机团队专门为电机转子确定了最理想的磁铁位置,可以打破频率限制,尽可能实现更高的扭矩密度。

工程师在电机转子的深处不对称地放置了多个双层“V型”排列的钕铁硼(NdFeB或NIB)磁铁,具体位置是在相邻两个极槽之间,这能尽可能地降低转矩波动和径向力。事实上,这种双层磁铁与电池的设计可以给工程师的设计提供很大的灵活度,并让电机更快发挥出应有的性能。工程师表示,条绕定子结构是通用电机的标志,这种设计能够提供更高的槽填充水平、优化的热力学性能以及更高的效率。

Poulos的团队也意识到,与Spark电动车相比,Bolt电动车的体积更大、重量更重且续航里程要求更高,因此这款电动车采用的永磁电机必须拥有更高的转速。最终,新款Bolt电机的峰值转速达8,810转,几乎是Spark电机的2倍。新电机的工作电流略低,因此效率得到了一定提升。峰值扭矩低于Spark电机,但凭借最终传动比(Final Drive Ratio)方面的优势(7.05:1 vs. 3.87),新电机获得了更高的轴扭矩。

这种设计有助于降低推进系统的整体重量(约为167磅/76千克,其中绝大部分重量为150kW的电机)与体积。值得说明的是,Bolt驱动装置的设计非常紧凑,因此工程师得以将其精确地放置在车辆的中心线上,从而保证2个半轴的长度完全一致。由于采用了这种设计,新款Bolt的扭矩转向情况有所改善、集成成本有所降低且制造效率有所提高。

此外,单速齿轮组架构也有助于停车系统的载入。同时,“车辆后盖与电机外壳之间的分割线”与“电机和变速箱外壳之间的分割线”设计,均有助于提高电机的结构刚度。正是在这些设计的支持下,通用汽车才得以成功打造了这款独立式电机,而工程师也无需拆卸整个驱动单元,即可进行电机维护。

通用汽车电气化资深工程师 Steve Poulos曾担任雪佛兰Bolt、Spark电动车项目及E-Assist轻混车型项目的主管,目前担任通用燃料电池项目的总工程师。

通用汽车的独家分析工具

Bolt电子自动推进设备中的润滑系统,采用了加压与重力进料/流动结合的技术。系统在变速箱外壳处安装了一款12V的可变流速泵。所采用低压泵仅会在停车状态之外或监测到车辆产生速度时工作。Poulos指出,这个12V泵还能优化过滤器位置,并尽量降低驱动装置中的自动变速箱油容量,进而减低成本、重量与阻力/旋转损耗。

Poulos透露,这款推进系统能够达到甚至超过设计目标的关键在于公司应用了一种专利CAE工具。“我们只要输入所有我们希望电机完成的操作,比如多驱动周期、爬坡、0-60mph加速、通过操作表现等,工具就可以在“扭矩-速度”地图上生成成千上万的数据点。” 而如果没有这款分析工具,公司就不得不花费大量时间,尝试成千上万种不同组合。

这一步之后,程序会将生成的图分为多个区域,并根据其对车辆性能的影响大小进行优先排序,最终为每个所代表的点生成一个“重心”。

“接着,我们将进行‘实验设计’,并确定全套的设计变量,此时分析工具会根据我们的当下选择,确定一个最优方案。”Poulos介绍说,“此后,我们将继续添加更多的点,直到所有数据均收敛至一个不会变化的点。” Poulos目前为通用汽车燃料电池项目的总工程师。

通用汽车电气化部门总监Tim Grewe补充说,“这种技术是由我们自己内部开发的,功能非常强大,可以协助我们尽量减少铁和铜的用量,从而以最小的重量和体积,满足所需的性能要求。”

“从客户满意度方面来看,这个项目并不会在研发结束后即刻终止。因为,我们还将从客户的角度出发仔细考虑还有哪些需要优化的部分。”Grewe说,“这个工具可以在保证客户满意度的前提下,告诉我们具体还有哪些可以优化的地方。”