电动车变速箱探讨还未完!多电机多档位多组合自动变速系统

良嘉动力

【第一电动网】(特约作者 梁焯雄)众所周知在新能源纯电动车的架构中,整车控制器VCU、电机控制器MCU和电池管理系统BMS是最重要的核心技术,对整车的动力性、经济性、可靠性和安全性等有着重要影响,电机、电控、电池三大核心动力系统这块还存在一定的技术制约,在铺天盖地的文章报道都是三大核心动力系统。唯一没有提及的是机械自动变速系统,好象它没有存在,只有一个减速箱,作不了文章。

在中国汽车工程学会齿轮技术分会年会上,电动车自动变速器话题引起与会代表极大热情,从理论上讲,纯电动汽车是不需要变速器的,仅需要固定速比的减速器。今天,越来越多的人意识到:电动车需要自动变速器。这是为什么?国内电动汽车生产商制造电动汽车,之所以没有采用变速器,主要就是因为人们最初误认为电动车不需要变速器。那么,在成本上不划算;国内汽车自动变速器产业化还处在低水平,没有合适的自动变速器可供选择。因此,《纯电动乘用车技术条件》没有规定用自动变速器,更没有规定能耗限值标准。固定速比减速器仅有一个挡位,让电机常处在低效率区域,既浪费宝贵电池能量,又提高了对牵引电机的要求,还减少车辆续驶里程。如果配装自动变速器,电机转速就可以改变电机工作转速,大幅度提高效率,节约电能,增加续驶里程,并且还可以在低速挡增加爬坡能力。

北京航空航天大学交通科学与工程学院副院长徐向阳教授在接受记者采访时说:“电动车多挡自动变速器有着广阔的市场前景。”纯电动乘用车的电动机低速扭矩很大,此时电机的效率极低,因此电动汽车在起步、加速和低速爬陡坡时耗电极大,还会使电动机发热,在丘陵地带、山城或拥堵的城市里使用电动汽车续航里程缩短很多。这就需要用变速箱来减小电动机发热、减小能耗、增大续航里程、提高车辆动力性。如不需要提高动力性,可减小电动机功率而进一步节能、提高续航里程,还可简化电动机的冷却系统降低成本。但是电动汽车在低速起步或爬陡坡时,驾驶员不会感觉动力不足和能耗极大,因此纯电动汽车需要的是自动变速箱。

新浪搏客王华平99讲到谁都知道延长续驶里程是电动汽车普及的关键,如果电动汽车安装变速器,同样的电池容量,续驶里程最起码延长百分之三十以上。这个观点,笔者在同几个电动汽车生产厂家交流时得到了确认。比亚迪的秦,安装了比亚迪自主研发的双离合自动变速器,续驶效率提高明显。按道理,电动汽车安装变速器是好的,但却没有厂家去安装呢?关键是没有合适的变速器。

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如果只考虑电动汽车的加速性能一个电机就足够,如果有一个更低的档位,配合更好的轮胎,在起步时也可以达到高的多的加速度。所以一般认为电动车如果有一个3档变速箱,对性能也会有显著的改善,据说特斯拉也曾经考虑过配上这样一个变速箱。不过呢,增加变速箱不仅仅增加成本,还会带来额外的效率损失,即使是好的双离合变速箱,传动效率也只能做到90%多,而且还增加重量,这样不但会降低动力,也会增加油耗。所以为了大多数人并不在意的极限性能而增加变速箱,似乎没有什么必要。汽车构造是一个发动机串联一个变速器,电动车按照这个思路去做行吗?到此还没有看到成功的案例,从现有的汽车变速器放进去,体积大了重了贵了,得不偿失,没有合适的只能一个固定速比的减速器顶着用。

至于为了加速性能而采用多级变速,这个想法并不是那么容易实现,因为变速箱换挡时间会影响加速性能,换挡过程中动力会急剧降低,产生较大的换挡冲击,这对整车的平顺性和舒适性都会产生不良的影响。看看国产车的现状就知道,造出合格的变速箱可比造出内燃机要难。电动车简化机械结构是大势所趋,已经砍掉的变速箱,要想加回去要有充足的论据才行。

我们能不能按手机现况技术思路去做,手机的硬件是奔着多核心高低频方向发展的。同时完美调用各种组合调动各个核心各种频率控制功耗,并不是只一个高性能核心走天下。

在电动车上我们不应该把电机和减速器分开,而应该把电机和减速器、电机控制器结合在一起,多一份套装,或者是几份套装,那功能强大多了,性能也强多了。那重量能和价格不是贵多了?

分析一下,例如比亚迪E6,电机功率90KW,若分为两个50 KW、的电机合成为一个驱动,电机的总重量相差不多,两个电机合成在一个减速器上,重量也只是有微少增加,再说电机控制器虽然多了电机,控制的电流却少了很多。

在这个理念上,发明了一个构思,在行星减速器上做文章,在太阳轮连接一台A电机,将外圈齿轮活动起来连接另一台B电机,在构造上两台电机可以分别得到不同的速比,再用电机控制器调用两个电机,有个前提,电机没有转动时有刹车功能。在行星轮理论上、在同一个减速器上安装了两台电机,它们分别有不同的速比,选用A电机时速比大,扭矩大,速度慢。选用B电机时速比小速度快,在选用电机时可以随意,两个电机快慢不同没有互相牵连,两个电机同时用速度是叠加的,扭矩是两个电机输出扭矩的平均值。

在这个原理上,可以延伸到三个电机以上,按需要设置数量,而且要是有一个电机反转(交流感应电机不适用)的话,输出的转速是叠减的,对于一些速度很慢又要增加扭矩的埸合非常适合,特别是SUV电动车、跑车。

多档位自动变速的应用,先从两电机分析,比亚迪E6,电机功率90KW,若分为两个50 KW、的电机合成为一个驱动,A电机可跑60 K m / H,B电机可跑90 K m / H,两电机同时用可跑150 K m / H,①若承重大时用A电机加速,达40 K m / H时加B电机提速。本构造有一个特性两个电机的开、关、停、转速都不会牵连、制约,当A电机有一定速度但又不够时B电机可以随时加入提速中。②空载时可用B电机到中速。中低速只用单个电机可达到需要,只有高速和重载才两电机同时用,从能耗上减小,续航里程多了。

在整车的设计中,电压的设定是重要一环,电动汽车的驱动电机功率很大,电压都在三百伏以上,高电压对线路的绝缘性能要求高,安全性降低,控制器制作的成本高,因为电子元件耐压越高成本越高。所以对速度要求不大就选低电压的,低速车就是釆用低电压的,低速车可以高速奔跑吗?答案是肯定的,那怕是低速车,只要把几个电机合起来用,速度叠加起来就高了。将来,沒有高低速车之分,只有高低电压车、配置之分了。

同样道理,轮毂也可以装两台电机,性能同上,设计上要花多些心思。电控方面只要单选一和共用模式,电机的大小按需求设计,微型车、商用车、电动自行车、电动摩托车等都适用,特别是电动货车,重载和轻载相差很大,更需要有档位自动变速。

采用叁个以上电机,制造上也很简单,功率上分配要恰当。但控制器可能复杂多了,单选一控制时分别单用,共同模式可为AB、AC、BC、ABC肆项,一共七项,可以理解为七速,毎一项的速比不同。在使用上最关键是控制器,控制器做得简单,驾驶就麻烦,还需要和整车控制器VCU和电池管理系统BMS控制器的系统配合,相互统筹,智能控制,使驾驶者容易操控。

从能量回收方面,过去单电机要是电机速度过高,永磁同步电机在2300转时,有900伏的电压输出,速度很高的话会对控制器严重的损害。本构造又有独特一面,可以能量分配到两个电机,它们的转速就不会过高,高速时两电机同时发电,中速时B电机发电,低速时A电机发电,以尽可能多地回收制动能量,本构造很简单,能量回收率能有大幅提高,尽可能在高效区,而备免在低效区內,如何在这样的系统约束条件下获得最高能量回馈效率,同时确保制动安全性以及过程过渡的柔顺性,是能量回馈控制策略的设计要点。用得好要靠先进的智能的控制器。

在散热方面,多电机比单一电机散热效果明显大得多,一个电机体积大,而多电机分散了体积,表面积反而大,散热快。特别是降低温度节能效果更好。

若是在使用中,万一某个电机发生故障,未有故障的电机还可以驱动车达到目的地。其实,还有好处的没有发掘。这是该技术的完美之处。

从这个角度看,整车控制器VCU、电机控制器MCU和电池管理系统BMS也要相应的改进,那电动车的弯道超车不是梦!

更多电动汽车变速箱探讨文章参见:

用数据说话!定量分析变速箱对电动汽车有多大用

锦上添花还是画蛇添足?全面分析电动汽车是否需要变速箱

特斯拉们不需要变速箱,不代表电动汽车不需要变速箱

科普贴 | 电动汽车为什么不用变速箱来控制转速?

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