博世新型CVT产品，未来多样化动力传动系统的宝贵解决方案
摘要：
随着未来向更加环保的交通方式过渡，预计将有进一步多样化的有利动力总成解决方案。诸如效率、适应性、多样性和舒适性等关键要求使得连续可变变速箱（CVT）值得被关注。它支持更高效地使用内燃机和电动机，同时提供对自动驾驶至关重要的舒适水平。本文研究提出了优化的混合动力和电动汽车CVT解决方案，包括具有更高最大扭矩和更好功率密度水平的新型推带产品。提出了一种模块化CVT设计，该设计适用于缩小尺寸的推带式变速器，覆盖了C级到轻型商用车市场。关键绩效指标（KPI）的改进和广泛的多样性使CVT成为多样化动力传动系统的宝贵贡献。1 满足未来市场需求
由于越来越严格地减少碳排放法规的要求，电动动力总成解决方案的市场份额正在增长。与迄今为止，在汽车历史中发生的进化、变化相比，这导致了更具颠覆性的情景。图1显示了博世对全球未来十年几种动力总成解决方案市场份额的看法，包括两个2030年的场景。在博世的电动出行的场景中，预计大约每三辆车中就有一辆是纯电动汽车。内燃机（ICE）将成为混合动力总成的一部分。为了支持市场上许多不同的使用案例，为电动车辆提供更多样化的解决方案是不可避免的。对于混合动力传动系统，我们正目睹这种多样化阶段的发生。最初的主要是P2配置的混合动力传动系统，现在已经显著扩展了各种基于单电机和双电机的专用混合动力变速器概念。
图 1. 博世动力总成情景（全球）
因此，在逐步淘汰内燃机之前，动力总成需要克服一些挑战。为了满足第二阶段和第三阶段电动化移动出行的市场需求，预计将进一步多样化有利的动力总成解决方案。
图 2. 通往电动出行的道路
2 变速器的角色 - 通过多速变速器实现的适应性
效率、适应性、多样性和舒适度仍然是电动出行和未来可再生能源及自动驾驶解决方案的关键要求。作为主要动力源与道路之间的连接，变速箱对这些关键绩效指标（KPI）提供了显著的贡献。因此，存在多种速度选择，为区分不同车辆类别的各种优先事项提供了可能性。对于混合动力的情况，已经认识到传动装置的作用，市场上出现了几种解决方案，这些方案也考虑到了内燃机的特性。如今市场上的大多数电动汽车面临着一个限制，即它们单速变速器的设计需要在加速和最高速度之间做出妥协。多速变速器的可变性可以解决这些相互冲突的需求，因此它成为了Tier1和原始设备制造商（OEM）的一个重要发展方向。这一点并不奇怪：内燃机动力系统齿轮数量的历史发展也揭示了随着时间的推移稳步增加的趋势，以进一步提高效率、性能和舒适度。对于未来的电动汽车代系来说，预计续航里程、最高速度、爬坡能力和加速要求将会提高。为了降低对电动组件的要求并支持日益多样化的电动汽车使用案例，多速变速器预计将在改善关键绩效指标（KPI）方面发挥重要作用，并为原始设备制造商提供区分其品牌和车型系列的机会。因此，市场上已经出现了第一批针对电动汽车的多速解决方案的出版物和市场介绍。然而，在2025年之前，预计不会出现整合的情况，在此之后，预计这些变速器在电动汽车中的份额将逐渐增加。2.1 无级变速器 CVT
对多速变速器不断增长的需求使得研究连续可变传动装置（CVT）变得有趣。其可变性支持内燃机（ICE）和电动机（EM）的有效使用，从而减少能源消耗。与采用行星齿轮传动的参考ICE动力系统相比，CVT通常可以在纯ICE中提供15%的节能效果，在混合动力系统中提供24%的节能效果。配备单速减速器的电动汽车可以利用CVT实现4%的能量节省[2]。这可以在保持同样高舒适度水平的同时实现，这对于例如自动驾驶等技术的接受至关重要。对于混合动力情况，进行了一项详细的基准研究，其中研究并详细模拟了多种混合动力概念[3]。该研究得出结论，具有CVT的混合解决方案可以在性能、效率和成本方面作为基准。尽管CVT非常适合集成到市场上存在的P2配置中，但这被证明最适合于在功率流下游（车轮侧）具有电动机的配置。本文进一步阐述了这项研究的成果。所提出的设计理念是尽可能少地使用组件，并将功能性和客户价值最大化。
与内燃机（ICE）案例相比，全电动动力系统在应对车辆需求方面显示出更大的灵活性。然而，所需的起步性能和爬坡能力以及期望的最大速度在设计电动组件时带来了挑战。对于各种使用场景来说，这通常会导致妥协。本文基于整体系统视图分享了CVT在电动汽车中增强性能和续航里程的效果。综合方法表明，通过减少电动机、电池和冷却系统的成本，CVT可以补偿固定齿轮变速器的附加成本。不同车辆使用共享组件的附加价值也说明了这一点。这是由于CVT传动的平稳性和通常较大的比率范围所产生的灵活性所支持的2.2 新变矩器概念
改变车辆平台、混合动力化、增加车辆重量和具有高扭矩水平的电动机特性对CVT的变矩器提出了挑战性的要求。另一方面，较小的传动比覆盖范围可以实现小型化。为此目的，正在研究新的推带式变矩器概念，以达到更高的最大扭矩和提高功率密度水平。这些概念必须得到应用系统的知识支持，并在仔细研究和优化相互作用的地方进行研究。 本文结合博世新产品，提出了一种接近最终设计阶段的优化混合动力和优化电动无级变速器解决方案。2.3 新推带开发
随着2002年[4]发布的适用于更高扭矩水平的30/12推带，首次实现了大规模生产的汽车无级变速器（CVT）达到350牛米的水平。从那时起，由于使用更强大的涡轮增压发动机和日益增长的SUV类型车辆兴趣导致的车重增加，车辆应用的平均和峰值扭矩水平稳步上升。电气化的影响也增加了这一点。电动机能够在低速下产生高扭矩，这增加了传动系统的负载。再生制动意味着在制动过程中，也会对变矩器施加高负扭矩。CVT期望的传动比覆盖范围扩大，还意味着变矩器的整体负载增加。通常情况下，它需要在变矩器内皮带的运行半径更小的情况下覆盖更高的扭矩。这增加了对变矩器和皮带的要求。为此，将引入新的皮带类型。图3中展示了一个例子。
图3.自2002年以来高扭矩推带的开发阶段，左侧为新的带设计
图3显示，尽管需求更高，但新带内典型的设计特征导致了扭矩范围更大的小型化设计。原本由30毫米宽的带设计（2×12循环）覆盖的350牛米，新的设计能够在减少元件宽度至28毫米的情况下覆盖400牛米，并且支持的循环次数减少到2×10。除了更高的扭矩外，该皮带还允许增加比率覆盖范围，根据应用的不同，范围在20%到30%之间。通过改变设计、验证和制造过程，提高了整体功率密度，从而增加了新皮带在变矩器中的稳定性和耐久性。3 专用混合动力推带式无级变速器概念（DHCVT）
在动力传动系统和应用之间最大限度地重用组件的理念下，进行了一项概念研究，旨在开发一种混合CVT（无级变速器）为基础的动力传动系统。其中一个目标是创建一个设计，通过最少数量的组件可以提供低成本、高效且紧凑的单元，该单元利用了28毫米12圈×212圈×2 10圈×2。现有的CVT制造投资。图4显示了由此产生的基本概念。它包括一个发动机侧的小型变矩器和一台电动机，通过齿轮级和两个离合器连接到行星齿轮组，其中承载体与车轮相连。
图 4. 博世专用混合动力CVT解决方案（DHCVT）的基本概念
尽管该系统由有限数量的组件组成，但可以选择总共5种不同的操作状态。这些在表1中列出，标记为A到E。当驻车制动器被施加时，如果离合器C1和C2都打开，车辆处于空挡或停车状态。表1：DHCVT运行状态A至E
当从状态“A”接合离合器C2并将太阳齿轮和齿圈连接时，电动机直接与车轮相连，实现全电驱动。当离合器C1也闭合时，内燃机开始向车轮提供其能量。到目前为止，这解释了这个概念的基本混合动力功能。有趣的部分在状态“D”中揭示，此时离合器C2打开而离合器C1关闭。这种状态是为了在电池低电量状态下起步或在最大功率加速时选择的。在这种状态下，从静止状态踩下（全部）油门时，内燃机会转速升高，而电动机（EM）则会减速，同时施加其全部扭矩。这导致电动机向电池产生负（充电）能量流，同时实现了最大的轮扭矩。在电池低电量的情况下，操作策略是先进行起步，然后切换到混合模式，从而允许进一步为电池充电。图5显示了不同状态下牵引力作为车辆速度的函数。这揭示了这个概念的一个独特特性，即即使在低电量的情况下也能实现启动，同时结合了令人印象深刻的性能。
图5. DHCVT在不同车速下的牵引力
DHCVT概念在设计研究中得到了进一步探讨。该研究的目的是展示这个概念可以轻松地适应车辆相关发动机舱空间。为此，制作了两种不同的设计。一种设计基于一个相对小直径和稍长长度的独立电机发电机（SMG）。另一种设计是基于一个集成电机发电机（IMG），具有稍微大一些的直径和较短的长度。随后基于C到E级车辆的包装研究表明，这些设计可以适配现有的车辆平台。这两种配置因此提供了两个选项来定位发动机，该发动机连接到可变传动装置的初级轴上，位于变速器的一侧或另一侧。
在关于DHCVT概念的广泛基准研究中，与其他混合解决方案进行了比较[5,6]。为了这个基准测试，各种混合系统被调整到相同的电机功率水平，并在同一款C级车辆定义中进行模拟。采用了一种模块化配置，安装了一个IMG（集成式起动机发电机），该IMG替代了现有CVT设计中的扭矩转换器，作为参考，并对其进行了100%的评估。所调查的关键绩效指标（KPI）包括充电耗尽（EV）模式下的能耗、整体系统成本和性能。
图 6. 分别带有 SMG 和 IMG 的 DHCVT（左）和 IMG（右）
本基准研究的主要结果见图7。这项研究的总体结论是，CVT在下游（P3）配置中——与DHCVT一样——在这些KPI上得分最高。如果与纯内燃机动力系统进行比较，DHCVT在充电保持模式（强混合动力模式）下的燃油消耗量减少了超过18%。如果动力系统扩展到插电技术，则可以实现更大的节省。这些节省的幅度取决于计算方法和安装的电池容量。基于配置的功能能力，DHCVT概念即使在低电量状态下也能提供良好的性能，这使其在整体判断中优于P3CVT。
图 7. 混合动力传动系统的基准测试结果
在变矩器尺寸方面，所提出的DHCVT概念能够实现变矩器的缩小设计。由于不需要在变矩器上驱动，所需的传动比覆盖范围可以减小。这意味着对所应用的推带系统的要求也可以降低，从而实现更小、更高效和成本效益更高的解决方案。作为结论性评论，应该指出的是，选择例如P2CVT系统的理由可能非常充分。特别是当利用已经存在的投资时，它提供了一种可以在不进行大规模设计和设备更改的情况下应用的解决方案。该研究显示，对于纯内燃机动力总成而言，这种选项已经具有显著优势，即在应用于强混合动力时燃料消耗减少了15%。对于常规混合配置，CVT完全利用了电动机的超高效率再生区域。推带式变矩器可以保持其原始尺寸。作为通往下一章节的桥梁——处理纯电动汽车动力总成——提前提及推带式变矩器和其执行系统在DHCVT和电动车的CVT中的共同应用是值得的。4 CVT 用于电动汽车
在汽车行业中，电动驱动的相对较新引入意味着仍有一些挑战需要解决（图8）。其中一个挑战是在某些情况下为了实现高期望的最大速度和在高速度下的良好加速性能而做出的妥协，同时也要能够在陡峭的山坡上满载起步。此外，电动汽车的续航里程与电池大小之间的权衡直接关系到成本，仍然是一个关键挑战，因为这两者都直接吸引了消费者的目光。通过多速变速器引入的传动比范围提供了一种解决方案。然而，如果安装了有级变速器，则需要解决另一个挑战。从一个比率切换到另一个比率会在速度和扭矩上产生不连续性。就像传统的内燃机一样，动力换挡技术可以是一种解决方案，但它增加了额外的损失和成本，并且在所有情况下换挡仍然不会被忽视。另一种经过验证且成熟的技术CVT可以通过允许车辆保持消费者目前从电动汽车中所期待的高舒适度水平来克服这些缺点。
图 8. 配备无级变速器（CVT）的电动汽车的基础要求和好处
4.1 效率和功率的可变性
使用CVT可以获得比例如双速变速器更平滑的比率变化以及更宽的比率范围。与大约为1.8的分级双速变种相比，其约3.5的更宽比率覆盖范围提供了进一步探索单速潜力的可能性。例如，通过在效率更高的条件下操作电动机，并将电机保持在速度上。它提供其最大或连续功率。在这些条件下，动力传动系统损失会减少，这可以提供更高的最高速度、更好的加速弹性和改进的牵引和爬坡能力。图9中的图表解释了这一机制。在左边的图片中，深蓝色线代表电动机与CVT耦合时的运行条件，在一个逐渐加速的过程中。浅蓝色的线显示了一个固定比率的单速变速器的运行条件。可以看出，可变比率能够保持最佳运行条件，而固定比率则决定了运行条件。
图9. 单速和CVT电机的运行效率更高（左）以及加速更快/持续功率
右侧图片再次展示了自由比与固定比的差异。在这个例子中，可变比率保持电机在最大功率操作状态，而固定比率则迫使电机在高速度时降低功率。一项关于CVT（无级变速器）相对于单一速比解决方案的性能优势的研究表明，最高速度提高了11%，整体加速性能也有所提升，例如在80至120公里每小时的速度范围内提升了13%，而在100至150公里每小时的速度范围内提升了20%（以150千瓦C级车为例）[1]。模块化解决方案的适应性
除了利用CVT的可变性和比率范围来提高效率和性能的功能性机会之外，这些特性可能还提供了开发一种可以应用于一系列车辆的单一驱动单元的潜力。为了调查和验证这个想法，对从C级到E级直到LCV（轻型商用车）车辆段的各种平台进行了一项设计研究。在表2中可以找到主要参数和要求的主要定义。为了找到最优解决方案，一方面需要优化组件及其交互作用，另一方面需要在给定的封装定义内进行调整，这个过程遵循了多次迭代。在本论文中，我们将关注由此产生的概念。图10显示了单速和CVT概念的功能布局图。单速概念包括参考eDrive（电机+逆变器）、两个齿轮阶段和一个常规差速器。CVT概念（CVT4EV）具有相对较低的扭矩eDrive。其对车轮传递的扭矩通过输入齿轮、CVT无级变速器和最终传动比组合来放大。值得注意的是最终驱动和差速功能的集成。最终驱动由CVT输出轴两侧的行星减速机构成。通过连接两个环齿轮，在左右轮之间创建差速功能，这是通过平衡轴实现的。表2：模块化研究中的车辆定义和要求
图 10. 单速和CVT（无级变速器）基础布局概念
可以很容易地理解，一个最初设计为与固定减速器配合使用效果最佳的电动机，当与CVT（无级变速器）结合时可能不是最好的解决方案。因为在最终会对这两种概念进行比较，所以选择了一个相似的动力水平，即150千瓦的永磁同步电机类型。图11说明了不同设计策略对两种电机的特性影响。关于效率特性，可以从图11的上图中看出，CVT优化设计的最大效率值达到了更高的水平。电机设计的最小扭矩减少了约50%，这使得直径和磁铁的尺寸都得到了节省。尽管如此，直径并没有减小到该扭矩水平可能达到的最大程度。这种极端的小型化会以降低效率为代价。因此，直径已经尽可能地减小以满足包装要求。由于最大扭矩较低，因此最大功率在更高的电机转速下获得。优化后的电驱动的绝对最大功率略低于参考电机。然而，在较高速度下，由于在这些条件下损失减少，其最大功率超过了相同速度下的参考电机的功率。由于优化后的电机具有更好的热性能，尤其是在持续功率方面的表现，比如以最高速度在高速公路上行驶时，其性能显著提高。而固定比率的传动系统在驾驶速度更快时会遇到可用功率降低的问题——这是由电机和车轮之间的固定比率决定的——优化的电机通过CVT变矩器的可变性支持，可以在约11,000转/分的速度下保持其最大连续功率。总而言之，这不仅导致了指示出的更高车辆速度。由于这种优势是通过在这些条件下远低的损失创造的，它还对磁铁的热阻和冷却系统的需求大大降低。因此，这些组件可以缩小规模。图12和图13分别显示了WLTC循环和最高速度为180公里/小时的驾驶所需的减少的能量。峰值和连续功率比较
图 11. 单速和CVT变速器的e驱动特性
图 12. WLTC 的电驱动能源消耗
注：C、D、E、H 车辆类别（H=轻型商用车）；FD 最终传动装置；1sp 定比变速器；EM 电动机；INV 逆变器
图 13. 以 180 公里每小时行驶时的电驱动能耗
选择相对低扭矩电动机的一个后果是所需的直径较小，这是实现集成化推动因素之一。与减小输入减速器内部齿轮的中心距离以及差速器和前面提到的行星齿轮组的直列结构相结合，使得该概念成功地整合到预定义的空间中。图14展示了带有电源电子设备的整体单元中的组件包装。为了完成这个概述，图15显示了在可用空间内的单元。4.3 模块化生效
在上一章对设计考虑和机会进行了解释之后，现在是时候评估CVT（无级变速器）模块与针对每个车辆细分市场设计的固定速比减速器的主要特性了。总览见表3。该表格的顶部部分显示了单速传动系统的结果。中间部分显示了CVT的结果。底部部分显示了两者的比较。
图 14. CVT4EV 用于电动驱动。带电机和电源电子设备的完整单元
图 15. CVT4EV单元位于副车架内
可以得出结论，基于CVT的单元根据使用情况可提高约1到2%的能量消耗。由于更高的持续可用功率，相同的动力传动系统允许增加最高速度。特别是在E级应用中，为了使固定比率动力传动系统能够爬坡，所需的驱动比会显著降低最大速度。由于在低速时的初始功率限制，从静止加速到100公里/小时的过程使用CVT的车辆会更慢。在这个0到100公里/小时的加速过程中，可用功率的差异逐渐减小，直到CVT车辆的优势显现出来。当评估80到120公里/小时的加速弹性时，这种优势就会发挥作用。在这种事件中，功率优势已经生效，导致加速时间缩短。表3：CVT通用模块与专用单速模块的评估
关于成本，有不同的方面。第一个影响与更复杂的CVT变速器有关。然而，这种影响被其他动力总成组件的成本降低所抵消。由于电动机的扭矩和速度要求减少，CVT4EV能够减小电动机活动部件的体积，如磁铁和铜绕组。这些组件的成本因此而降低。这样的缩小版电动机结合CVT可以提供相同甚至更好的性能，但与需要提供更高扭矩和速度的电动机相比，效率更高。此外，减少的热量产生是小型化冷却能力的一个促成因素。电池尺寸的减小也减少了制造电池所需的二氧化碳排放，从而降低了电动汽车开始呈现比内燃机（ICE）为基础的车辆更小的环境足迹的平衡里程数。最终，汽车制造商最有趣的成本优势潜力在于其模块化。CVT4EV使得单一传动系统适用于多种应用场景，无论是中型车、跑车还是轻型商用车。这个单一平台解决方案包括一个CVT4EV模块、一个逆变器、一个电动机和带有通用比率的最终驱动，这些比率可以适用于一系列车辆类别。这导致了开发、生产、校准和车辆应用的售后市场中的成本和复杂性降低，为汽车制造商创造了重大优势。4.4 为特定用例提供额外价值
CVT的特性优势在于能够满足特定负载情况下既需要高车轮扭矩又需要高车轮速度的要求，这一点可以通过一些具体的使用案例来最好地展示。
图 16. 高轮扭矩和高轮速下CVT的变异性
为了这个目的，我们以一辆送货车和一辆四轮驱动的运动型多功能车为例。对于送货车来说，典型的工况包括在低速下的频繁停车和启动，高负载以及经常遇到的陡坡，同时在高速公路上还有高速行驶的情况。这类车辆的典型循环是美国的邮政服务（USPS）循环。模拟显示，对于这种应用，可以实现7%的节能效益。同时，在高速公路速度和相关的高轮扭矩能力方面也提供了性能改进。对于四轮驱动车来说，特别是四轮驱动跑车，高轮扭矩和高速度都是预期的。两个电动驱动单元的存在当然能够满足这些要求，但同时也消耗额外的能量。通过可变速度和扭矩传输到车轮所提供的自由度，使得既能在能耗上进行优化，也能在性能上进行优化。对于这种情况，模拟也显示出明显的好处：与固定比率的传动系统相比，能源消耗可以减少5%，同时性能也可以得到提高。5.结论
推带式变矩器和CVT不仅为内燃机（ICE）提供了坚实的基础，也为混合动力和电动汽车的动力系统提供了基础。
DHCVT概念提供了一种灵活的设计，具有良好的效率和性能，且成本最低。
推带式CVT的可变性和比率范围可用于提高电动汽车的效率和性能。
CVT4EV单元具有紧凑的包装，允许其在典型的电动汽车平台上应用。
一项研究表明，CVT4EV能够使用单一单元覆盖多个汽车类别。
这种单一平台解决方案导致在应用和车辆的发展、生产和售后市场的成本和复杂性降低，为汽车制造商创造了重大的成本优势。
6 缩写词
【CO2 】 二氧化碳
【CVT】无级变速器
【CVT4EV】 电动汽车用无级变速器
【DH-CVT】专用于混合动力车的无级变速器
【EV】 电动汽车
【ICE 】 内燃机
【WLTC】 全球轻型车辆测试循环
7 参考文献
1. Cai, Z.: CVT4EV - design and validation, TMC congress China (2020).
2. van Spijk, G., et al.: Pushbelt variator module to improve performance of electrified powertrains, CTI USA (2019).
3. Tweehuysen, M.: Dedicated hybrid CVT, VDI 3rd conference CVT in automotive applications, Baden-Baden (2019).
4. van der Sluis, F., et al.: Stress reduction in pushbelt rings using residual stresses, VDI congress, Munich (2002).
5. van Spijk, G., et al.: CVT, dedicated to hybrid solutions, VDI Dritev Bonn (2018).
6. van Spijk, G., et al.: CVT pushing hybrid Technology to new heights, VDI 2nd conference, CVT in automotive
applications, Eindhoven (2017).
作者：Gert-Jan van Spijk, Francis van der Sluis and Zhijian Cai
