电动汽车架构新趋势:多电机多档位自动变速系统实施

良嘉动力

编者:自从第一电动网刊发了《科普贴 | 电动汽车为什么不用变速箱来控制转速?》一文以来,多位专栏作家和特约作者撰文讨论电动汽车应用变速箱的可能。有业内朋友提醒我们,工程师的事情交给工程师,讨论中一些非专业的意见可能误导大家。但媒体提供的是观点的自由市场,读者有辨别是非的能力。因此,长考之下,我们仍然决定刊发后续的稿件,供大家参考。

【第一电动网】(特约作者 梁焯雄在电动汽车的机遇面前,有一种新趋势是,挑战现有电动车架构,形成多电机多档位自动变速系统。在整车构造中,电机和减速设备的基本架构着有根基的地位,电动车多电机多档位自动变速系统改变了电机及减速箱的构造,势必要改造三大控制系统。

首先要明白电动车多电机多档位自动变速系统的原理和构成。有一种模式可以是: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,①当只有A电机转动,B电机剎车不动、内外齿轮圈保持不动,在太阳轮驱动下,卫星轮在内外齿轮圈內旋转将动力传输至输出轴。②另若B电机转动,A电机剎车不动,B电机轴齿轮带动内外齿轮圈旋转,带动卫星轮围绕着停转的太阳轮外旋转,将动力传输至输出轴。③A B电机同时转动太阳轮和内外齿轮圈的旋转带动卫星轮旋转,将动力传输至输出轴。在这三种状态下,毎种状态有固定的传动比,故选择电机的过程就是换档位。既然三种状态下都能运转,它们相互转换过程互不受牵制,而且转换过程由电器控制器控制,因而不需要离合器就能顺利地换档,这构造简单体积小、重量轻,承载能力强,使用寿命长、运转平稳,噪声低、输出扭矩大,效率高、性能安全而且技术含量并不高。但作用与效果非常理想,它的出现,会给电动车的架构带来颠覆性的革命。

电动汽车多电机多档位自动变速系统的实施

按图具体分析该机构可行性,从图中得;A电机的太阳轮齿数18齿,设在B电机轴上的齿轮齿数35齿,内外齿轮圈的内齿齿数48齿,内外齿轮圈的外齿齿数设定是60齿。即A电机与输出轴传动比为3.67,B电机与输出轴传动比为2.35。若A电机在3000转/分时,输出轴817转/分,B电机在3000转/分,输出轴1276转/分。如果在装配单一电机时要3000转/分驱动输出轴2093转/分时则传动比为1.43。从数值上分明清晰,若单电机在100KW,那双电机结构时A电机50KW的输出扭力是单电机在100KW的1.28倍,同理单电机在100KW转速3000转/分时输出轴2093转/分,而50KW的 B电机在4920转时输出轴2093转,功耗却相差1.22倍。从数值上讲,双电机构造有可能节电1.2倍。

特斯拉第二代Roadster在0-60mph的加速可能达到2秒,按双电机结构配置完全有可能,若在0-100mph的加速可能达到3秒內,双电机的功率有所调整,A电机的功率占45/100, B电机的功率占55/100,0-100mph的加速3秒內定可实现。

若加速维持原单电机在100KW时的加速性能,则A电机的功率调整为40KW,B电机60KW时,功耗却相差1.46倍。

对于一款车而言,动力部分最大的诉求是易用、好开,而且能耗尽可能低,至于百公里加速成绩、最高车速等都没有太多意义。匹配的价值就凸显现出来而这就是最大的亮点所在。

SUV、跑车、MPV、物流车采用大功率,而小型车则可用A电机12KW、B电机18KW适合。若设定高速120KM/H,A电机高速时为47KM/H,B电机高速时为73KM/H,AB电机在同时运转高速时叠加速度就可达到120KM/H。

在延续里程方面,在相同电池容量下,功耗越少续航里程越多,B电机题内额定转速下可得输出轴1276转/分,A B电机同时转动时题内额定转速下可得输出轴2093转/分。即单一电机时要3000转/分驱动输出轴2093转/分时B电机只要4920转,而B电机的功耗只是单电机时的0.8倍,按最大行程300KM计算,可增加行程75KM,但不同的齿数配比和车辆的载重结果不相同。A电机的功率调整为40KW,总功率为90 K W,而B电机的功耗只是单电机时的0.72倍,按最大行程300KM计算,可增加行程116KM,但续航里程也解决了很多。即是在电机总功率一定时,采用双电机无论在加速或续航都有很大的提升。理想是美好的,实际操作又会如何呢?首先我们要知道,在行星轮系中若太阳轮、卫星轮、外齿圈轮都不固定时,它们之间就会成为耦合的传动,即A电机有一定的转速时,B电机随时可以加入和退出运转,而A电机与B电机的输出转数是叠加的,扭力在同最高转速是两者的平均值。(实验的结论)

从以上例子看到多电动车多电机多档位自动变速系统的作用,如果用两级行星轮系再加上一个电机又如何?现釆用3、3.5、3.5模式配置,A电机30KW、B电机35KW、C电机35KW,第一级行星轮按以上行星轮齿数配置,第二级的太阳轮齿数为30齿,内外齿轮圈的内齿齿数48齿,内外齿轮圈的外齿齿数设定是60齿,C电机齿轮齿数为20齿,得A电机与输出轴传动比为9.54,B电机与输出轴传动比为6.1,C电机与输出轴传动比为4.87,A电机在3000转/分时,输出轴314转/分,B电机在3000转/分,输出轴491转/分,C电机在3000转/分,输出轴616转/分。如果在装配单一电机时要3000转/分驱动输出轴1421转/分时则传动比为2.11。数值上,A电机33KW的输出扭力是单电机在100KW的1.35倍,即A电机30KW的输出的起步强于单电机在100KW的的起步。而节能方面,C电机3000转/分额定转速下可得输出轴616转/分,单电机在100KW时3000转/分额定转速下可得输出轴1421转/分。即C电机要完成输出轴1421转/分只要6920转,即C电机35K W的功耗只是单电机100KW时的0.8倍,按最大行程300KM计算,可增加行程75KM。如全部电机都采用30 K W,即C电机30K W的功耗只是单电机100KW时的0.69倍,按最大行程300KM计算,可增加行程134KM。若设定高速160KM/H,A电机高速时为35KM/H,B电机高速时为55KM/H,C电机高速时为70KM/H,ABC三电机在同时运转高速时叠加速度就可达到160KM/H。在实际操作中车辆重载用A电机起步,至车速达到上限或扭力充裕时B电机参与运转,而A电机逐步减速至退出运作,再度不段加速C电机继续参与提速,界时若C电机够动力可单机行驶70KM/H内。当车辆在空载时B电机作起步完全可以,或超车时加入C电机提速。不竞车辆行驶速度不断变化,它们之间的相互配合、相互代替、相互叠加,A、B、C、AB、BC、ABC电机的独用或组合得到不同的作用和效果,这要求电机控制器与时俱进,亦要对电机控制器进一步改进,特别是智能控制,对各电机的单用或组合作用和转换作用得到灵活的控制。

电动汽车多电机多档位自动变速系统的实施

在电动车多电机多档位自动变速系统中,变速机构不会产生扭矩,但它可以传递扭矩或提高扭矩减少转速、提高转速减少扭矩,产生扭矩在于电动机,而同功率不同性质的电动机扭矩也不同。感应电机、无刷电机、开关磁阻电机的扭矩也不同。要具体的设计才能提及到扭矩。本文只阐明速比和功率的关系在电动车多电机多档位自动变速系统中的应用。

当然,这只是理论的计算结果,与风阻、车辆的整备质量各种车型各种用途功率和行星齿轮齿数不同,效果不尽相同,有待实际车况而定。在车辆研发阶段,以最低的成本、最有效的方式、最佳的配置设计思路及最有效的措施实施到多电动车多电机多档位自动变速系统中去,最终形成一套可行性高的正向开发设计方案。

中国电动汽车实现“弯道超车”是时代的要求,电动车的应用技术,不能只跟着国外的技术走,要走自己创新路,突破电动车变速领域的瓶颈,要树立自我创造性的里程碑。成为电动车行业的执牛耳者,为中国的电动车弯道超车提供动力,走中国式纯电动车发展道路,助中国的电动车事业腾飞。

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