不可否認(rèn)，全新的電池組是雪佛蘭Bolt電動(dòng)車得以擁有“200英里+”續(xù)航里程的主要原因，但公司進(jìn)行的一系列系統(tǒng)優(yōu)化、精細(xì)的電機(jī)設(shè)計(jì)以及專利CAE工具的應(yīng)用也同樣重要。
電驅(qū)動(dòng)橋的設(shè)計(jì)本身非常簡(jiǎn)潔：Bolt電動(dòng)車的驅(qū)動(dòng)裝置剖面圖展示了通用汽車的標(biāo)志性條繞定子、空心軸、軸承與螺旋齒輪組結(jié)構(gòu)。
對(duì)于真正的工程師來(lái)說(shuō)，車輛推進(jìn)系統(tǒng)的剖面圖永遠(yuǎn)比免費(fèi)啤酒和披薩更有吸引力。在2016年北美國(guó)際車展（2016 Detroit Auto Show）上，這些工程師是如此熱情，以至于大眾汽車（Volkswagen Group）的新任主席Matthias Mueller必須在5人安保團(tuán)隊(duì)的協(xié)助下才能擠進(jìn)雪佛蘭（Chevrolet）的展臺(tái)。當(dāng)時(shí)，Mueller的助手指著雪佛蘭在當(dāng)日早些時(shí)候發(fā)布的2017款Bolt電動(dòng)車的推進(jìn)系統(tǒng)模塊說(shuō)，“就是這個(gè)！” 接著，多名身著黑西服的大眾高管立刻將這個(gè)剖面模型團(tuán)團(tuán)圍住。首先映入眼簾的，是安裝在銑制鋁質(zhì)外殼中的牽引電機(jī)和大型螺旋齒輪組。隨后，Mueller的助理開(kāi)始向各位大眾高管介紹該模塊的設(shè)計(jì)亮點(diǎn)。很顯然，這位助理肯定是有備而來(lái)，已經(jīng)提前熟悉了雪佛蘭模塊的技術(shù)細(xì)節(jié)。在整個(gè)過(guò)程中，大眾汽車還有專人在筆記本上迅速記下技術(shù)草圖，也有人不斷拍攝特寫(xiě)照片。
短短10分鐘后，Mueller等一行人匆匆離開(kāi)。隨后，本文作者與通用汽車電力推進(jìn)系統(tǒng)資深首席工程師Steve Poulos重新回到剖面模型前，繼續(xù)我們之前被打斷的討論。
“大眾汽車已經(jīng)不是今天第一家來(lái)‘考察’我們的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手了，”Poulos表示，“我們肯定會(huì)引起一些關(guān)注。”雪佛蘭的工程團(tuán)隊(duì)曾在1年前表示，新款雪佛蘭Bolt電動(dòng)車很有可能拿下包括2017年北美年度汽車大獎(jiǎng)（2017 North American Car of theYear）在內(nèi)的多個(gè)獎(jiǎng)項(xiàng)。雪佛蘭Bolt是所有4萬(wàn)美元級(jí)別的車型中首款續(xù)航里程超過(guò)200英里（322公里）的量產(chǎn)電動(dòng)車，這表明通用的全球推進(jìn)系統(tǒng)（GM Global Propulsion）與LG電子汽車元件（LG Electronics Vehicle Components）之間的戰(zhàn)略合作已經(jīng)凝聚成一支強(qiáng)大的汽車研發(fā)力量。具體來(lái)說(shuō)，LG電力汽車元件公司成立于2014年，這家公司參與了Bolt電動(dòng)車的動(dòng)力系統(tǒng)及其他多個(gè)子系統(tǒng)的研發(fā)。
通用全球電池系統(tǒng)總監(jiān)Bill Wallace表示，新款Bolt采用了全新的富鎳鋰離子NMC（鎳錳鈷三元材料）化學(xué)電池組設(shè)計(jì)，這種電池可以在保證壽命的前提下提高模塊的耐熱性。此外，更重要的是，這款電池極大地延長(zhǎng)了新款Bolt電動(dòng)車的續(xù)航里程。與之前Spark電動(dòng)車所采用的電池組相比，Bolt的新電池體積更大，表面積也更大，因此功率也比前者增加了40kW。此外，Bolt電池的額定能量增加了3倍，從之前Spark電池的18.4 kW·h增加至目前的超過(guò)60 kW·h，但重量?jī)H增加了1倍。
新電池的能量重量比（Watt- hours/kg）與功率體積比（kilowatts/L）均有顯著提升（詳見(jiàn)下表）。Bolt電池組的具體重量為959磅（435千克），擁有很高的熱質(zhì)量，這也意味著電池在工作時(shí)的溫度變化僅會(huì)以小數(shù)計(jì)算。新電池在廢熱控制方面的表現(xiàn)也有所提升，工作時(shí)并不會(huì)產(chǎn)生很多廢熱，這也有助于優(yōu)化Bolt電動(dòng)車的減速動(dòng)能與制動(dòng)動(dòng)能回收。《汽車工程》的編輯總是將這款電池稱為“電池中的V8發(fā)動(dòng)機(jī)”。
電機(jī)設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)
Poulos指出，盡管電池性能的提升非常顯著，但Bolt電動(dòng)車的電池、電機(jī)、傳動(dòng)功率控制與熱管理模塊的系統(tǒng)優(yōu)化更值得一提。
“我們嘗試了很多種方法，電機(jī)最終取得了97%的峰值效率。”他說(shuō)，“電機(jī)效率越高，我們所需的電池模塊就越小，而電池模塊越小，我們就越容易實(shí)現(xiàn)“200英里+”的續(xù)航里程，這個(gè)道理非常簡(jiǎn)單。”Bolt電動(dòng)車的電機(jī)是由通用公司內(nèi)部研發(fā)的，公司的電機(jī)團(tuán)隊(duì)專門為電機(jī)轉(zhuǎn)子確定了最理想的磁鐵位置，可以打破頻率限制，盡可能實(shí)現(xiàn)更高的扭矩密度。
工程師在電機(jī)轉(zhuǎn)子的深處不對(duì)稱地放置了多個(gè)雙層“V型”排列的釹鐵硼（NdFeB或NIB）磁鐵，具體位置是在相鄰兩個(gè)極槽之間，這能盡可能地降低轉(zhuǎn)矩波動(dòng)和徑向力。事實(shí)上，這種雙層磁鐵與電池的設(shè)計(jì)可以給工程師的設(shè)計(jì)提供很大的靈活度，并讓電機(jī)更快發(fā)揮出應(yīng)有的性能。工程師表示，條繞定子結(jié)構(gòu)是通用電機(jī)的標(biāo)志，這種設(shè)計(jì)能夠提供更高的槽填充水平、優(yōu)化的熱力學(xué)性能以及更高的效率。
Poulos的團(tuán)隊(duì)也意識(shí)到，與Spark電動(dòng)車相比，Bolt電動(dòng)車的體積更大、重量更重且續(xù)航里程要求更高，因此這款電動(dòng)車采用的永磁電機(jī)必須擁有更高的轉(zhuǎn)速。最終，新款Bolt電機(jī)的峰值轉(zhuǎn)速達(dá)8,810轉(zhuǎn)，幾乎是Spark電機(jī)的2倍。新電機(jī)的工作電流略低，因此效率得到了一定提升。峰值扭矩低于Spark電機(jī)，但憑借最終傳動(dòng)比（Final Drive Ratio）方面的優(yōu)勢(shì)（7.05:1 vs. 3.87），新電機(jī)獲得了更高的軸扭矩。
這種設(shè)計(jì)有助于降低推進(jìn)系統(tǒng)的整體重量（約為167磅/76千克，其中絕大部分重量為150kW的電機(jī)）與體積。值得說(shuō)明的是，Bolt驅(qū)動(dòng)裝置的設(shè)計(jì)非常緊湊，因此工程師得以將其精確地放置在車輛的中心線上，從而保證2個(gè)半軸的長(zhǎng)度完全一致。由于采用了這種設(shè)計(jì)，新款Bolt的扭矩轉(zhuǎn)向情況有所改善、集成成本有所降低且制造效率有所提高。
此外，單速齒輪組架構(gòu)也有助于停車系統(tǒng)的載入。同時(shí)，“車輛后蓋與電機(jī)外殼之間的分割線”與“電機(jī)和變速箱外殼之間的分割線”設(shè)計(jì)，均有助于提高電機(jī)的結(jié)構(gòu)剛度。正是在這些設(shè)計(jì)的支持下，通用汽車才得以成功打造了這款獨(dú)立式電機(jī)，而工程師也無(wú)需拆卸整個(gè)驅(qū)動(dòng)單元，即可進(jìn)行電機(jī)維護(hù)。
通用汽車電氣化資深工程師 Steve Poulos曾擔(dān)任雪佛蘭Bolt、Spark電動(dòng)車項(xiàng)目及E-Assist輕混車型項(xiàng)目的主管，目前擔(dān)任通用燃料電池項(xiàng)目的總工程師。
通用汽車的獨(dú)家分析工具
Bolt電子自動(dòng)推進(jìn)設(shè)備中的潤(rùn)滑系統(tǒng)，采用了加壓與重力進(jìn)料/流動(dòng)結(jié)合的技術(shù)。系統(tǒng)在變速箱外殼處安裝了一款12V的可變流速泵。所采用低壓泵僅會(huì)在停車狀態(tài)之外或監(jiān)測(cè)到車輛產(chǎn)生速度時(shí)工作。Poulos指出，這個(gè)12V泵還能優(yōu)化過(guò)濾器位置，并盡量降低驅(qū)動(dòng)裝置中的自動(dòng)變速箱油容量，進(jìn)而減低成本、重量與阻力/旋轉(zhuǎn)損耗。
Poulos透露，這款推進(jìn)系統(tǒng)能夠達(dá)到甚至超過(guò)設(shè)計(jì)目標(biāo)的關(guān)鍵在于公司應(yīng)用了一種專利CAE工具。“我們只要輸入所有我們希望電機(jī)完成的操作，比如多驅(qū)動(dòng)周期、爬坡、0-60mph加速、通過(guò)操作表現(xiàn)等，工具就可以在“扭矩-速度”地圖上生成成千上萬(wàn)的數(shù)據(jù)點(diǎn)。” 而如果沒(méi)有這款分析工具，公司就不得不花費(fèi)大量時(shí)間，嘗試成千上萬(wàn)種不同組合。
這一步之后，程序會(huì)將生成的圖分為多個(gè)區(qū)域，并根據(jù)其對(duì)車輛性能的影響大小進(jìn)行優(yōu)先排序，最終為每個(gè)所代表的點(diǎn)生成一個(gè)“重心”。
“接著，我們將進(jìn)行‘實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)’，并確定全套的設(shè)計(jì)變量，此時(shí)分析工具會(huì)根據(jù)我們的當(dāng)下選擇，確定一個(gè)最優(yōu)方案。”Poulos介紹說(shuō)，“此后，我們將繼續(xù)添加更多的點(diǎn)，直到所有數(shù)據(jù)均收斂至一個(gè)不會(huì)變化的點(diǎn)。” Poulos目前為通用汽車燃料電池項(xiàng)目的總工程師。
通用汽車電氣化部門總監(jiān)Tim Grewe補(bǔ)充說(shuō)，“這種技術(shù)是由我們自己內(nèi)部開(kāi)發(fā)的，功能非常強(qiáng)大，可以協(xié)助我們盡量減少鐵和銅的用量，從而以最小的重量和體積，滿足所需的性能要求。
“從客戶滿意度方面來(lái)看，這個(gè)項(xiàng)目并不會(huì)在研發(fā)結(jié)束后即刻終止。因?yàn)椋覀冞€將從客戶的角度出發(fā)仔細(xì)考慮還有哪些需要優(yōu)化的部分。”Grewe說(shuō)，“這個(gè)工具可以在保證客戶滿意度的前提下，告訴我們具體還有哪些可以優(yōu)化的地方。”
