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纯电动汽车究竟要不要多挡三合一电驱动系统?
作者:尊龙用现金旧版    发布日期:2020-08-08 02:08


  目前,单挡减速器电驱系统在市场上占领绝对的地位,但是国内外诸多公司正在研发或已有应用多挡位的系统,之前也写过《采埃孚最新电动车2挡三合一电驱总成的“解读”》。为什么这么多公司都在做多挡系统,对整车和三合一电驱动系统带来了哪些优势?多挡会不会导致整车应用成本上升?多挡电驱系统今后的研发方向又在哪里呢?

  为了说明多挡位电驱动系统的优势,我们从电机的典型特性和整车需求出发,从动力性和经济性两个方面,浅析单一挡位电驱系统在整车应用中遇到的瓶颈。

  下图是典型的电机特性曲线,包含两个区域:恒扭矩区域和恒功率区域。其中Area I反应了整车的起步性能和低速区加速性能(一般0~50km/h)和低速爬坡性能;Area II反应了中高车速的加速性能(50~80km/h, 80~120km/h)和1km最高车速性能,换句话说“更高的极限车速,更牛逼的中高速超速性能”。

  当我们电机电控选定之后,如若想提高Area1整车性能,此时需要一个高的速比;若想提高Area2 的整车性能,又需要一个较小的速比,“鱼和熊掌不可兼得”,要怎么做?

  当然,也可以说“选一个牛逼的电机和控制器”,但这意味着电机、控制器甚至电池包的成本和设计要求的提升。为了同时满足Area I和Area II ,假设两种组合:

  1)若选择一个小的速比+大扭矩的电机。对于电机,这直接意味着其体积重量的增加,伴随着温升性能变差,这意味着系统损耗的增加,以及物料成本、选型成本和试验成本的提高(#话题太大...感兴趣的话,这一块内容我们后续可展开讨论,欢迎留言#);对于控制器,需要一个更大的容量承受这么大的电流,同时带来损耗上升;对于电池包,需要一个大倍率的放电电流,削减了电池寿命。

  2)若选择一个大的速比+高转速的电机。对于电机,需要严格控制其感应电势,重新校核转子、旋变和轴承极限转速,避免因此失效导致的破坏、漏脂和扭矩无法输出等风险;对于控制器或电池,可能需要提高母线电压或改变调制系数来保证高速区的弱磁深度,使扭矩顺利输出。

  综上,多挡位变速器的匹配,使电驱系统具有更宽的输出转速和扭矩范围,可以在帮助整车实现性能需求的同时,一定程度降低对电机、电控和电池的成本和设计难度。

  对于纯电动车,从诸多整车路谱得到的统计数据获得:约有40%~65%的工况比重放在中低转速和较低负载的在城市工况下,特别是,对于出口欧洲的车型,同时增加了超高速工况需求。此时,两挡或者多挡位变速器的匹配,可以显著增加了电机电控高效区的应用面积。下图3是某两挡变速器应用对于高效区的应用区域提升示意图,供参考。

  • 更”安静“的噪声表现:多挡位一方面降低了对电机电控的转速需求,另一方面降低了对减速器单个动力流齿轮修型扭矩宽度的选择范围

  • 更牛逼的极限性能表现:对加速性能和极高转速均有需求的车型,或者对于在极端坡度和负载需求的应用路况,多挡位电驱系统是一个较优的解决方案。

  • 电机体积的减小伴随着温升性能的提升,即同样的冷却条件会带来更优的冷却效果,一方面意味着系统损耗的就减少,另一方面降低了零件选型和耐久试验产生的成本

  目前主流的观点认为多挡减速器的应用会对整车应用带来如下弊端:成本上升、重量增加、额外的损耗(换挡执行系统)、换挡中断。

  BUT,这些所谓的“弊端”究竟是不是真的弊端?这需要我们站在系统角度思考:

  多挡位意味着更复杂的齿轴系统,额外的执行系统及其控制器,必然会导致减速器成本上升;但是速比宽度的增加同样可以降低对电机、电控和电池的需求:

  更优的电机温升性能,削减了相关零件选型成本,如轴承、油封,削减了耐久试验成本(时间更短)

  更优的电机温升性能,相同的冷却流量需求会带来更优的冷却效果,进而改善系统效率(依据测试经验,对比90℃和105℃绕组温度,整体来看三合一系统约有1%的系统传递效率差异),这意味着更少的电池模块需求

  综上来看,多挡“带走”的成本可能会>“带来”的成本。(#关于这个话题只做定性分析,若感兴趣,后续我们可展开讨论,欢迎大家留言。#)

  如上分析,多挡位同样意味着重量的增加;但是速比宽度的增加可以改善电机、电控的downsize,究竟增加与否,需要系统地考虑。

  由于换挡执行系统的应用会带来额外的损耗,但是这部分损耗与其“节约”下的相比,微不足道,这方面可以参考以下文献:

  多挡位电驱系统避不开的“坎”,但是没有什么问题是解决不了的,国内外对于换挡中断已有诸多方案,究竟选用哪个?我们后续专题解读。

  到此,关于文章题目所谈的问题应该已有答案,那么知道了这么多,后边怎么干?

  综上利弊,按“成本→动力性→经济性→舒适性→可靠性”的优先级,一张图概括纯电动汽车多挡电驱系统研发方向:

  优先级的制定是关键,这决定了产品的走向;优先级既定以后,并不是说设计逻辑是一条路走到底的,我们不断迭代、不断优化。

  举例说明:成本和动力性因素考虑完成后,我们可以得到初步的电机、电控和减速器参数,但是,在第3环节发现速比的调配不足以发挥电机电控高效区的优势,这时候可能要重新回到第1步,通过调整铜/铁比重,移动系统高效区,这个过程可能又会对动力性产生影响,这时候就需要系统来平衡。

  关于多挡位电驱动系统的介绍,网上有大把的资料,遗憾的是,没能看到系统、完整、清楚的解释,这也是萌发写这篇文章地原因。

  当然,还有另外一个目的,是作为后续”2挡三合一电驱系统产品开发》系列文章的引言,帮助自己整理思路、明确设计需求。

  以上,如有理解不当或者需要补充的地方,欢迎大家随时留言,如果觉得不错,希望你能分享给身边的人。

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