eAxles - E-mobiliteitstechniek (2023)

Peter Donaldson peilt naar de mening van enkele Tier 1-leveranciers over de hedendaagse eAxle-technologie en de waarschijnlijke toekomstige trends in hun ontwerp.

Gedreven door de OEM's

Door een motor, tandwieloverbrenging en vermogenselektronica te integreren in een compact, modulair pakket dat tussen de aangedreven wielen van een voertuig zit, ontstaat een systeem dat bekend is komen te staan ​​als een eAxle. Het wordt een steeds aantrekkelijkere optie voor fabrikanten van personenauto's, kleine bedrijfswagens en vrachtwagens die hybride en vierwielaangedreven versies van bestaande producten willen ontwikkelen, terwijl het voor ontwikkelaars van pure EV's een middel is om optimaal gebruik te maken van de intern volume voor extra batterijcapaciteit, passagiersruimte of andere verkoopargumenten.

De eAxles zelf worden steeds nauwer geïntegreerd voor compactheid en de verpakkingsflexibiliteit die daaruit voortvloeit. Dit brengt echter uitdagingen met zich mee, zoals koeling en toegang voor onderhoud en reparatie, naast de keuze van motor- en invertertechnologieën, versnellings- en differentieelopties en hun impact op het ontwerp van de ophanging.

Een opkomende markt

De markt voor eAxles in personenauto's en lichte bedrijfsvoertuigen groeit en wordt snel volwassen, waarbij één leverancier de afgelopen twee of drie jaar een grote toename van het aantal aanvragen meldt.

Het staat echter nog in de kinderschoenen, zeggen leveranciers, zeker voor de markt van zwaardere bedrijfswagens en offroad-machines. Deze voertuigen hebben minder ruimtebeperkingen en bieden meestal meer opties om de elektrische machine (EM) in verschillende posities in de aandrijflijn te plaatsen.

De terminologie voor deze posities is ontwikkeld om hybrides te beschrijven, waarvan sommige niet toestaan ​​dat de EM wordt losgekoppeld van de motor.

In P0 is de EM met een riem verbonden met de ICE. In P1 is het direct verbonden met de krukas. In P2 is het ontkoppeld van de motor, maar is afgestemd op of coaxiaal met de transmissie-ingang tussen de ICE en de transmissie, en draait met motortoerental of een veelvoud daarvan.

In P3 is de EM afgestemd op het transmissievermogen en draait met een veelvoud van de wielsnelheid. Ten slotte is de EM in P4 een op zichzelf staande as die is losgekoppeld van de motor, vaak aan de achterkant.

De eAxles die het onderwerp van dit artikel zijn, bevinden zich over het algemeen achteraan bij ‘addon’-hybrides op basis van voorwielaangedreven platformen en bij pure EV’s, al hebben die laatste ook de optie van de vooraspositie en moeten dus ook kunnen sturen.

Voertuig-OEM's zijn bezig met de beslissing om de complete as of bepaalde componenten uit te besteden of de complete unit in eigen huis te maken. Deze situatie dwingt Tier 1-leveranciers om zich op al die mogelijkheden voor te bereiden met producten die aan de behoeften van OEM's kunnen voldoen en die snel op de markt kunnen worden gebracht.

Dat is een uitdaging vanwege de grote verscheidenheid aan marktvereisten en de daaruit voortvloeiende complexiteit van de aandrijflijn. Een leverancier merkt op dat, omdat de ontwikkeling van drie-in-een (EM, tandwiel- en vermogenselektronica) producten een enorme inspanning is, ze modulaire families met gegarandeerde toepassingen moeten creëren.

Hoewel de EM-technologie redelijk volwassen is, in ieder geval voor de meeste motoropties met permanente magneet die nu worden overwogen, merkt een andere leverancier op dat de belangrijkste ontwikkelingsinspanning ligt in het integreren van alle subsystemen van de eAxle in steeds strakkere pakketten, zodat ze in meer toepassingsruimten.

Anticiperend op grotere productievolumes voor batterij-elektrische voertuigen (BEV's), oordeelt een andere leverancier dat eAxles met een vermogen tussen 60 kW en 200-250 kW voldoende zullen zijn voor de meeste toepassingen in lichte voertuigen zoals auto's en SUV's.

Ze merken echter op dat OEM's verschillende benaderingen hanteren, waarbij sommige gericht zijn op het elektrificeren van betaalbare voertuigen, terwijl andere, zoals Porsche en Tesla, zeer hoge prestaties willen, dus er is geen enkele aandrijflijnarchitectuur die de belangrijkste trend zou kunnen worden genoemd.

Dit heeft geleid tot de conclusie dat ze een 'kit' moeten ontwikkelen en aanbieden waaruit OEM's het soort e-drive-systeem kunnen kiezen dat het beste bij hun toepassing past, terwijl de leverancier het beste kan halen uit wat duur ontwikkelingswerk is.

De technische eisen voor bedrijfswagens zijn heel anders. Zelfs de kleinere pakketbezorgers, bijvoorbeeld met een totaalgewicht van 2,8-3,5 t, hebben een aanzienlijke impact op de versnellingsbak. Rijprofielen zijn ook heel verschillend en worden gekenmerkt door kortere afstanden en veel starten en stoppen.

Er is nog geen gevestigde markt voor geëlektrificeerde trailerassen voor opleggers, maar een aanhangwagenleverancier die we hebben benaderd, ziet er wel een ontstaan ​​– met name voor koeltrailers, ook wel ‘reefers’ genoemd.

Markt drijfveren

eAxles voor deze voertuigcategorieën worden ook beïnvloed door gelijkaardige marktfactoren op het hoogste niveau op het gebied van kosten, flexibiliteit en duurzaamheid, hoewel ze onderworpen zijn aan zeer verschillende bedrijfscycli en de technologieniveaus die worden ingezet om deze te bereiken een zeer breed bereik kunnen bestrijken.

Voor lichte voertuigen ligt de nadruk op kosten, verpakkingsruimte, energie-efficiëntie, lage of geen emissies en prestaties met geluid, trillingen en hardheid (NVH) op de voet. Een leverancier zegt dat kosten de hoogste prioriteit hebben, omdat het e-drive-systeem niet wordt gezien als iets dat klanten gebruiken als onderscheid tussen auto's, zoals bijvoorbeeld motoren.

Efficiëntie komt daarna omdat het belangrijkste en duurste onderdeel van een EV de batterij is, en zelfs een efficiëntiewinst van 1% in de aandrijflijn kan op dit gebied veel meer besparen.

Voor bedrijfsvoertuigen ligt de nadruk op totale eigendomskosten en exploitatiekosten, waarbij energiezuinigheid en onderhoudseisen bijzonder belangrijk zijn. Ook bij bussen die in geluidsgereguleerde gebieden rijden, is NVH van belang.

Met name voor bedrijfsvoertuigen beïnvloeden de komende emissievrije zones in steden en breder geldende nieuwe voorschriften die het geluid en de CO2-uitstoot verder beperken de ontwikkeling, gestimuleerd door overheidsstimulansen voor emissievrije en emissiearme voertuigen (ZEV's) en vrijheid van beperkingen voor geëlektrificeerde voertuigen. lichte voertuigen.

See Also

E-assen | Rimac-technologiePijn in de schouder - veelvoorkomende oorzaken

Zowel in auto's als in lichte bedrijfsvoertuigen wordt de flexibiliteit die voortvloeit uit de toepasbaarheid van de eAxle voor het hybridiseren van bestaande platforms en pure EV's ook beschouwd als een marktmotor.

Het beeld bij offroad-toepassingen lijkt sterk op dat in de bedrijfswagensector. Een leverancier benadrukt dat in veel gevallen, zoals in mijnen en overslagfaciliteiten, ZEV's essentieel zijn voor de veiligheid.

Architectuur en evolutie

De architectuur en lay-out van eAxles is totaal anders dan die van traditionele assen. Al meer dan een eeuw brengen leveranciers van aandrijflijnen het vermogen over van de voorkant van het voertuig naar de wielen, waarbij het vermogen in de meeste gevallen 90º wordt gedraaid. In een eAxle kan de EM evenwijdig aan de draaias van de eindaandrijving worden opgesteld.

Dat heeft een groot effect op de vertanding, in die zin dat tandwielen met parallelle as de hypoïde tandwielen hebben vervangen. Het betekent dat de as meer als een transmissie kan worden verpakt, waarbij de versnelling er in de eerste plaats is om het koppel te vermenigvuldigen en meer vermogen te leveren.

Er kunnen ook meerdere snelheden en een schakelmechanisme in de as zijn om een ​​efficiënter gebruik van de motor bij het wegrijden mogelijk te maken, bij lage snelheden en bij hoge snelheden. Hoewel tandwieloverbrenging met meerdere snelheden meer ruimte in de as kan innemen, maakt het ook het gebruik van hogesnelheidsmotoren mogelijk, die compacter en krachtiger zijn dan EM's met lagere snelheden.

Een expert wijst er echter op dat recente ontwikkelingen op het gebied van tandwieloverbrengingen en oliesystemen grotere overbrengingsverhoudingen in transmissies met één versnelling mogelijk hebben gemaakt, waardoor het gebruik van elektrische machines mogelijk is geworden die op hogere snelheden werken en daardoor hogere vermogensdichtheden bereiken.

Verpakkingsbeperkingen zijn voornamelijk van invloed op het koppel dat de motor kan leveren, aangezien het effect op het vermogen tot op zekere hoogte kan worden gecompenseerd door het toerental te verhogen tot waartoe de motor zijn maximale koppel levert. Het voorbehoud hier is dat de resulterende as mogelijk alleen zijn maximale vermogen levert bij zeer hoge snelheden, wat waarschijnlijk niet is wat de OEM voor het voertuig wil.

Het is belangrijk om hier onderscheid te maken tussen tijdelijk piekvermogen, dat zelden langer dan een minuut wordt gebruikt, en continu vermogen. Het is veel moeilijker om een ​​koelsysteem te ontwerpen dat voldoende warmte onttrekt om het gewenste continue vermogen te behouden naarmate de verpakkingsbeperkingen strakker worden, omdat het beschikbare oppervlak voor koeling de neiging heeft om te krimpen.

Warmteproblemen kunnen worden verlicht met de juiste invertertechnologie, waarbij vooral wordt gelet op het aantal schakelaars in het pakket. De omvormer is hier normaal gesproken de beperkende factor, omdat motoren doorgaans een veel grotere thermische massa hebben.

Zwaardere vrachtwagens, bijvoorbeeld in klasse 7 en 8, kunnen qua verpakking lastig zijn omdat veel daarvan luchtvering hebben en de airbags veel ruimte achter de as innemen. Als het niet mogelijk is om een ​​voldoende krachtige eAxle tussen de airbags te monteren; er moet een andere oplossing worden gevonden die de motor op een andere plek zet, bijvoorbeeld in een e-transmissie.

Tijdsdruk

De belangrijkste uitdagingen bij het ontwikkelen van eAxles zijn niet die van de fundamentele technologie, maar van het beheersen van de kosten- en tijdsdruk en het goed samenbrengen van verschillende technische disciplines. Het realiseren van schaalvoordelen om de ontwikkelingskosten van specifieke eAxle-componenten af ​​te schrijven, is een grotere uitdaging dan de technische aspecten van een grotere integratie van componenten, zegt een leverancier.

Een dergelijke integratie vereist echter dat mensen met verschillende technische expertises nauw samenwerken. Dat omvat werktuigbouwkundigen voor de transmissie en algehele mechanische integratie, elektro- en elektronica-ingenieurs voor de EM en de vermogenselektronica, en software-ingenieurs voor de besturingsfunctionaliteit.

De snelheid van verandering is een bijzondere uitdaging, zegt een Tier 1-leverancier, aangezien OEM's op zoek zijn naar oplossingen die nu al in hun voertuigen passen en ze niet de flexibiliteit hebben om het hele chassis en de ophanging opnieuw te ontwerpen.

Op enkele uitzonderingen na, zoals Tesla en nog meer niche-autofabrikanten, zijn OEM's nog een paar jaar verwijderd van schone lei-ontwerpen voor EV's, omdat de markt nog te nieuw is, dus willen ze eAxle-oplossingen die compatibel zijn met hun bestaande benzine- en diesel platformen. Dat maakt niet alleen fysieke verpakking moeilijk, het levert ook problemen op met thermisch beheer vanwege de beperkte luchtstroom, wat betekent dat leveranciers uitgebreide koelsystemen moeten ontwikkelen.

Naarmate meer voertuigen vanaf het begin zijn ontworpen om alleen op elektriciteit te rijden, zullen deze problemen veel gemakkelijker te hanteren zijn omdat hun unibody-architectuur anders zal zijn. Zonder dat er bijvoorbeeld een transmissietunnel nodig is, kan de vloer vlak zijn en kan het grootste deel van de ondervloer worden gereserveerd voor de batterij, zoals nu het geval is bij Tesla's en andere speciaal ontworpen pure BEV's.

Bovendien worden niet alleen de ophanging en stuurgeometrie geoptimaliseerd voor voertuigen met een inherent lager zwaartepunt, maar worden ze ook ontworpen om plaats te bieden aan eAxles met minder beperkingen op het gebied van grootte, vorm en luchtstroom eromheen.

Alle experts die in verband met dit artikel zijn geraadpleegd, zijn het erover eens dat het element van het elektrische systeem dat het meeste effect heeft op het voertuig waaraan het wordt toegevoegd om een ​​hybride te creëren, over het algemeen niet de eAxle is, maar de batterij, waarvan het gewicht ervoor zorgt dat ophanging, remmen, afgeveerde massa, trillingsdempers en structurele resonantie-effecten moeten allemaal worden herzien.

Trends in grotere voertuigen

Terwijl grotere voertuigen over het algemeen iets meer ruimte bieden, hebben ze veel meer vermogen nodig en dus ook grotere motoren en omvormers.

Dit komt vaak voor bij grote bedrijfsvoertuigen, waar de meeste OEM's wereldwijd kijken naar oplossingen met directe aandrijving, waarbij ze simpelweg de motor en transmissie vervangen door een elektromotor, die redelijk goed past in die voertuigtypes. Als je centraal een grote trekmotor kunt monteren – en zelfs een versnellingsbak, indien nodig voor vermogen – dan blijft de rest van het chassis grotendeels hetzelfde, zegt een leverancier.

Er zijn er die met eAxles op de markt komen, en er zijn er al een paar maar nog niet op schaal. Als je op dit moment naar een EV op de markt voor bedrijfsvoertuigen kijkt, is wereldwijd ongeveer 95% daarvan direct aangedreven.

Sommige leveranciers zien naafmotoren in dezelfde geest als eAxles, omdat een as het mechanisme tussen de wielen is dat hen van stroom voorziet en de naven op die lijn zijn gepositioneerd.

Naafmotoren beginnen vooruitgang te boeken in de off-highway-markt, aangezien voertuig-OEM's gewend zijn om de verpakkingsruimte te bieden die nodig is voor versnellingsnaven voor mechanische aandrijvingen. De combinatie van een planetaire tandwielset en een motor in de naaf kan veel vermogen opleveren, en een leverancier verwacht veel interesse in dat soort oplossingen.

Naafmotoren zijn al ongeveer 30 jaar het onderwerp van ontwikkelingswerk voor toepassingen in de markt voor lichte en bedrijfsvoertuigen, merkt de leverancier op, eraan toevoegend dat er nog steeds uitdagingen moeten worden overwonnen voordat ze waarschijnlijk op grote schaal in deze sectoren zullen worden gebruikt.

Niet alleen verhoogt het plaatsen van een motor en versnelling met de wielnaaf de onafgeveerde massa, het onderwerpt ze ook aan alle bewegingen van de ophanging en schokbelastingen op ruwe wegen. Dat maakt het lastig om ervoor te zorgen dat de rotor en stator in de motor elkaar niet raken.

Tier 1-leveranciers willen over het algemeen met zoveel mogelijk auto-OEM's samenwerken en tegelijkertijd de extra kosten en moeite vermijden die gepaard gaan met het ontwikkelen van veel op maat gemaakte oplossingen. Dat betekent dat ze in het begin de verpakkingsruimte moeten definiëren, zodat ze weten wat de dimensionale limieten zijn, samen met de massa en de vereiste prestaties van het voertuig.

Om over-engineering te voorkomen, berekenen ze het vermogen dat nodig is om het voertuig van nul naar 100 km/u te laten accelereren in bijvoorbeeld 8 of 10 seconden, en berekenen ze vervolgens wat dat betekent voor de eAxles. Door gesprekken met OEM's en het constant monitoren van vele databronnen leren ze wat de doelstellingen voor kosten en efficiëntie zijn.

Nadat deze parameters zijn bepaald, kunnen ze beginnen met het ontwikkelen van een generiek technologieplatform dat in verschillende vermogensklassen kan worden geïmplementeerd.

Hybriden en EV's

Het ontwikkelen van eAxles voor hybrides en pure EV's vereist vergelijkbare benaderingen, maar er zijn enkele belangrijke verschillen. Hoewel beide elektrische machines, vermogenselektronica en transmissiecomponenten nodig hebben, hebben ze doorgaans verschillende vereisten voor de inschakelduur. Hybride transmissies zijn onvermijdelijk complexer en bieden uitdagingen op het gebied van koeling en afdichting, en er moet meer aandacht worden besteed aan torsietrillingen en koppelingsbelastingen.

Een eAxle voor een EV moet alle aandrijfvereisten van het voertuig dekken, maar een voor een hybride moet werken in combinatie met de ICE, dus de assen moeten anders worden gespecificeerd en geoptimaliseerd. Kortom, bij voertuigen van vergelijkbare grootte en prestaties zijn er waarschijnlijk verschillen in de grootte en het vermogen van de elektrische componenten van de as. Een eAxle voor een hybride is bijvoorbeeld mogelijk niet ontworpen voor maximale snelheid, waarvoor het voertuig afhankelijk is van de ICE, dus het heeft waarschijnlijk kleinere componenten.

Het streven naar brandstofzuinigheid met behoorlijke prestaties in een hybride betekent dat de eAxle op verschillende tijdstippen moet worden in- en uitgeschakeld. Het kan bijvoorbeeld alleen worden gebruikt bij lage snelheden in stop-startverkeer of in combinatie met de ICE voor extra acceleratie, en worden uitgeschakeld bij hoge snelheden.

Dit laatste geval verbetert de algehele efficiëntie door de weerstand van een as die geen vermogen levert bij hoge snelheden te elimineren, en beschermt tegen slijtage en mogelijke schade aan de motor en tandwieloverbrenging als ze niet zijn ontworpen om met dergelijke snelheden te werken. Natuurlijk vereist aan- en afkoppelen een fysiek mechanisme en besturingssoftware.

Een leverancier merkt op dat sommige eAxle-ontwerpen door elkaar kunnen worden gebruikt als het enige voortstuwingsmiddel in een pure EV en als onderdeel van een hybride systeem, waarbij alleen de software de verschillen tussen beide definieert.

Er is echter een belangrijk verschil tussen hybride en pure EV's dat een diepgaand effect kan hebben op het ontwerp van het e-drive-systeem, en dat is de vorm van de fysieke omhulling waarin het moet passen.

Een typische plug-in hybride EV gebruikt bijvoorbeeld de ICE-aandrijflijn om de voorwielen aan te drijven en een eAxle aan de achterkant, maar het chassis is waarschijnlijk oorspronkelijk ontworpen voor een ICE-voertuig. Inderdaad, de meeste hybrides maken deel uit van een modelreeks die benzine- en dieselvoertuigen omvat, met ophanging, brandstoftank en uitlaatcomponenten in het achterste bodemgedeelte. Dat betekent over het algemeen dat de beschikbare ruimte lang en dun is.

In speciaal ontworpen BEV's is er meer ruimte voor het e-drive-systeem, aangezien er geen uitlaat of brandstoftank is en de positie van de batterij nu gestandaardiseerd lijkt te zijn onder de vloer in het midden. Dat betekent dat de eAxle groter in diameter kan worden gemaakt, wat aanzienlijke kostenvoordelen heeft, maar ook korter is.

Lichte belasting versus commercieel

De mate van verwacht gebruik is een andere belangrijke factor die van invloed is op het ontwerp van de eAxle. Lichte voertuigen zoals auto's en SUV's worden veel minder gebruikt dan bedrijfsvoertuigen, dus hun assen moeten worden ontworpen voor een langere levensduur. Lichte voertuigen werken normaal gesproken ook met een relatief laag vermogen, waarbij het piekvermogen alleen wordt gebruikt tijdens acceleratie en regeneratief remmen, terwijl bedrijfsvoertuigen doorgaans een hoger continu vermogen nodig hebben om te voldoen aan de hellingsgraad op de snelweg.

Dit verschil in bedrijfscycli heeft de neiging om de koelsystemen vorm te geven, waarbij de eerste de neiging heeft om een ​​mix van water en glycol te gebruiken en de laatste oliekoeling gebruikt om hun continue prestaties te verbeteren, hoewel luchtkoeling een optie blijft wanneer de bedrijfscyclus en/of verpakking beperkingen zijn minder ernstig.

Koppel- en vermogensverschillen zijn ook belangrijk en komen voort uit de snelheidsbereiken waarin de EM's werken.

De meeste motoren die in lichte voertuigen worden gebruikt, draaien tussen de 10.000 en 18.000 tpm en moeten aanzienlijk worden teruggeschakeld om ervoor te zorgen dat de eindoverbrenging het vereiste vermogen en koppel levert in het juiste toerentalbereik. In commerciële voertuigen zijn de motoren fysiek groter en leveren ze veel meer koppel, maar bij lagere snelheden, met een piek van ongeveer 4000 tpm, een combinatie die resulteert in veel meer vermogen maar de voertuigsnelheid beperkt.

Het bruto voertuiggewicht heeft misschien wel de grootste invloed op het ontwerp van de eAxle. Bedrijfsvoertuigen van 2,8 ton en meer hebben motoren die meer koppel produceren, en omdat elektromotoren hun maximale koppel leveren vanaf nul toeren, moet de overbrenging sterker en taaier zijn, aangezien een hoog koppel bij een laag toerental zeer belastend is voor mechanische componenten. Hoewel softwarebesturing van de motoren die impact tot op zekere hoogte kan verminderen, zijn er situaties waarin de software niet snel genoeg kan reageren, benadrukt een asontwikkelaar.

Als een wegdek bijvoorbeeld op sommige plaatsen ijzig is en het voertuig accelereert, vertraagt ​​of remt met een van een paar aangedreven wielen op het ijs en de andere op een oppervlak met grip, zou bijna al het koppel aanvankelijk op de laatste worden uitgeoefend . Binnen ongeveer de eerste milliseconde zou een enorme koppelpiek slechts één aandrijfas beïnvloeden voordat de softwarebesturing deze kon verminderen.

Dergelijke situaties kunnen scheuren in de aandrijfas en het differentieel veroorzaken. Ze kunnen ook de halfgeleiders in de vermogenstrap van de omvormer en in de motor beschadigen, zegt de ontwikkelaar.

Nauwere integratie

Hoewel er geen enkele grote technologische verbetering is geweest die leveranciers in staat heeft gesteld om eAxles nauwer te integreren als reactie op marktdruk voor strakkere verpakkingen en lagere kosten, wijst één leverancier op een diepgaand begrip van de belangrijkste subcomponenten – de elektromotor, de versnellingsbak en de omvormer.

Dit heeft geleid tot ongecompliceerde maar effectieve verpakkingsstrategieën, zoals het elimineren van de kabelboom en bedrading door de omvormer aan de zijkant van de motor te bevestigen, en tot meer subtiele dingen zoals het optimaliseren van compromissen in de relatie tussen de motor en de omvormer, Bijvoorbeeld.

De magnetische materialen in de motor en de halfgeleiders in de vermogensmodule van de omvormer zijn erg duur, maar door deze en andere kostenveroorzakers op een Pareto-grafiek uit te zetten, kunnen ingenieurs de kosten laag houden terwijl ze prestatiedoelen halen, misschien door € 5 extra uit te geven aan motormagneten om € 15 te besparen op het vermijden van nog een vermogensfase in de omvormer.

Een expert benadrukt dat de belangrijkste vorderingen in kerncomponenttechnologieën zijn: vermindering van motorverliezen via dunnere lamellen, betere laminering en magnetische materialen, het gebruik van siliciumcarbide en galliumnitride voor inverters, en materialen met hogere warmteoverdrachtscoëfficiënten om beter thermisch beheer mogelijk te maken.

De combinatie van planetaire tandwielsets en een differentieel met rechte tandwielen maakt hogere vermogensdichtheden mogelijk, zegt een andere expert, eraan toevoegend dat hogesnelheidselektromotoren kleinere afmetingen en gewicht mogelijk maken zonder de prestaties te verminderen, maar dat dit zwaar is voor de lagers.

Motor- en omvormerkeuzes

De meeste eAxles gebruiken motoren met radiale flux vanwege hun lage kosten in vergelijking met machines met axiale flux, eenvoud van fabricage en het vermogen om met hogere rotatiesnelheden te werken. Hoewel hun koppeldichtheid lager is, compenseert het vermogen om met een hoger toerental te draaien dat tot op zekere hoogte door het gebruik van hogere overbrengingsverhoudingen mogelijk te maken.

Motoren met radiale flux zijn ook vaak langer en dunner dan vergelijkbare machines met axiale flux, wat helpt bij het verpakken in eAxle-toepassingen met een beperkt volume.

Het hoge koppel en de vermogensdichtheid van een machine met axiale flux, evenals een goede verhouding tussen vermogen en gewicht, maken ze echter bijzonder aantrekkelijk voor grotere bedrijfsvoertuigen, waarbij hun toerentalbeperkingen en grote diameter ten opzichte van machines met radiale flux er niet toe doen. veel.

Motoren hebben nauwkeurige besturing van de omvormer nodig om de snelheid en het vermogen in te stellen die ze nodig hebben en op de spanning die wordt bepaald door het batterijpakket, of het nu 48, 400, 800 V of meer is, en terwijl ze voldoen aan de functionele veiligheidseisen van ISO 26262.

Hoewel veel convertor/inverter-topologieën zijn voorgesteld als mogelijke kandidaten voor gebruik in dit soort toepassingen, zijn twee-niveau, driefasige apparaten de meest voorkomende vanwege hun lage aantal componenten, volwassenheid en eenvoud van besturing, merkt een expert op.

Een belangrijk gebied waar leveranciers de meeste aandacht aan besteden, is overstappen, wat een groot effect heeft op de algehele efficiëntie van de vermogensafgifte en wordt gedifferentieerd door de besturingssoftware en de gebruikte halfgeleidermaterialen. Inverters met geïsoleerde poort bipolaire transistor (IGBT) zijn de meest gebruikte technologie in eAxles, maar leveranciers houden de ontwikkelingen in de siliciumcarbidetechnologie nauwlettend in de gaten.

Het behalen van de prestatie-, efficiëntie- en kostendoelstellingen voor een nieuw e-drive-systeem vereist veel technische compromissen. Een van de belangrijkste hiervan is de relatie tussen de magneten in de elektrische machine, de grootte en het aantal IGBT's in de omvormer en het vermogen van het koelsysteem.

Omdat IGBT's in bijna gestandaardiseerde reeksen worden geleverd die veel goedkopere opties bieden dan op maat gemaakte, hebben eAxle-leveranciers de neiging om ze als een gegeven te beschouwen en tot op zekere hoogte de rest van het systeem te ontwerpen om er het beste uit te halen. Dit is waar het zinvol kan zijn om meer uit te geven aan magneten om te voorkomen dat er meer IGBT-capaciteit nodig is, maar thermische bijwerkingen stellen grenzen aan deze aanpak.

Zoals een expert uitlegt, hoe groter het aantal en de grootte van de IGBT's in een omvormer, hoe meer stroom hij kan vloeien, terwijl hoe sterker de magneten en hoe meer er in de motor zijn, hoe meer koppel hij kan produceren.

Sterke magneten veroorzaken echter tegenstromen die warmte genereren in de motor, waarvoor een beter thermisch beheersysteem nodig is om deze te verwijderen. Aan de andere kant betekent het verminderen van de sterkte van de magneten dat er meer stroom nodig is om de prestaties te herstellen, en daarom moet er meer worden geïnvesteerd in de IGBT's van de omvormer.

Gevolgen voertuigcontrole

Het toevoegen van een eAxle aan een bestaand voertuig om een ​​hybride te creëren, kan een grote impact hebben op de besturingssoftware, aangezien de nieuwe toevoeging een specifieke besturingsstrategie vereist en het systeem als geheel moet voldoen aan Automotive Safety Integrity Level C onder de ISO 26262 Functional Safety voor wegvoertuigen standaard. In een hybride moet de eAxle zijn koppel en vermogen afstemmen op de ICE-aandrijflijn, wat een uitdaging kan zijn, maar in een pure EV wordt de controller van de eAxle gewoon de voertuigcontroller, vanuit het oogpunt van voortstuwing.

Eén leverancier benadrukt hoe belangrijk het is om het veiligheidsconcept van de OEM te begrijpen. Dit komt omdat functionele veiligheid kan worden gegarandeerd binnen het eAxle-systeem, in welk geval de besturingssoftware slimmer moet zijn dan bij de alternatieve benadering, waarin de voertuigcontroller deze rol op zich neemt en de eAxle wordt beschouwd als een actuator die transformeert stroom in koppel.

Toekomstige ontwikkelingen

Leveranciers zijn het erover eens dat er nog meer integratie nodig is om te voldoen aan steeds strengere vereisten op het gebied van verpakking, efficiëntie, NVH en kosten.

In de toekomst zullen daarom waarschijnlijk nog meer hardware en functionaliteit in eAxles zijn geïntegreerd, en zullen ze ook compacter, krachtiger en krachtiger worden (spanningen van 800 V en hoger staan ​​op het punt geïmplementeerd te worden in hoogwaardige toepassingen).

Er is nog steeds potentieel om het gewicht en de kosten te verminderen door meer elektrische en elektronische componenten te integreren. Moderne voertuigen hebben doorgaans tussen de 30 en 50 regeleenheden en OEM's willen dat aantal verminderen.

Een leverancier suggereert dat de voertuigcontroller die rijcommando's naar de eAxle stuurt, kan worden opgenomen in de besturingskaart van de omvormer als deze een krachtigere microcontroller krijgt, aangezien de belangrijkste component van de voertuigcontroller de software is. Ook de toevoeging van koppelvectoring, de ingebouwde lader, de waterpomp voor het koelsysteem en zelfs functies zoals ophanging, besturing en energieopslag zouden nieuwe voertuigarchitecturen en -concepten mogelijk kunnen maken.

Naarmate de markt meer eAxles vraagt ​​en de productievolumes toenemen, zal het economisch zinvol zijn om meer gestandaardiseerde systemen te maken, terwijl het tegelijkertijd niet langer nodig zal zijn om te vertrouwen op kant-en-klare componenten als wel investeringen in sterk op maat gemaakte oplossingen met gerelateerde functies gecombineerd in aangrenzende componenten zullen lonend zijn.

Eén leverancier verwacht dat dit de komende 20 jaar zal gebeuren.

Dankbetuigingen

De auteur wil graag Benjamin Daniel van Schaeffler Technologies, Gabriel Domingues van BorgWarner, Olaf Drewes van SAF-Holland, Ryan Laskey van Dana Incorporated, Simon Mead van Integral Powertrain, Gunter Muhlberg van Vitesco Technologies en Alexander Schey van Allison Transmission bedanken voor hun hulp. met het onderzoeken van dit artikel.