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雙電機多模電軸驅動系統的開發

發布時間：2022-04-13 瀏覽數：13 文章出自：東莞市雷奧哈德傳動設備有限公司


摘要



顧客對純電動汽車有三大需求。“低成本”、“充電時間短”、“續航里程長”。現有的—驅動電機與車速主要有以下3個問題需要進一步改進。“電機的高效率區域不能覆蓋所有的轉速，尤其是高速”。“在某些駕駛場景中，比如上坡時，可能會感到動力不足”。“更大的電機尺寸和電池容量是必要的。”為了解決這一問題，“既要實現高效率，又要實現高性能”和“既要實現高輸出，又要實現電動車橋的緊湊”是非常重要的。為了實現這一目標，我們開發了“雙電機-雙速”3合一電驅系統；可實現雙電機多驅動模式、2電機2速組合可提供4種驅動模式。根據駕駛工況選擇最優模式，既能提高能耗，又能降低電池容量。雙電機，可在必要的驅動場景下獲得足夠的驅動力。由于采用兩個小電機對稱放置，可以使電機的直徑更小，所以可以在不增大電機尺寸的情況下通電。它有助于擴大行李空間，而且無需投資購買新的大驅動電機。通過整車測試，證實WLTC模式的功耗提高了10%以上。這意味著電池容量將減少10%以上。而且，良好的駕駛性能被證實沒有苛刻的換擋技術。



1.介紹



輕型卡車等輕型電動汽車已開始廣泛應用，主要是為了解決城市地區的環境問題，因此需要低成本、低功耗的動力總成。P0/P4系統還有望以最低成本改善48V P0 HEV的環境和動力學性能。以交付為主要用途的輕型電動汽車，需要減少對環境的影響，根據貨物和車輛負載的變化確保最佳驅動力，并盡可能提供貨物空間。也就是說，既要有更低的功耗、更高的行駛性能、更好的整車可裝性的封裝設計，又必須以較低的成本實現。使用目前主流的“單電機-單速”電驅動系統，不可能在所有行駛和加載情況下同時實現低功耗和高行駛性能。



近年來，為了在低、高速工況下實現低功耗，開始出現單電機軸雙速變速器，推動了多級或無級變速器的方案。然而，對于運輸卡車這樣的車輛來說，所需的驅動力會因貨物的裝載條件而發生很大的變化，或者對于城市駕駛和比賽賽道使用的超級跑車來說，需要完全不同的駕駛性能，單臺電機所能覆蓋的高效率范圍內的駕駛場景存在局限性。此外，還有一個問題是，由于一個新的高產量電機的巨大投資成本，其成本不可避免地高。為了解決上述問題，我們開發了“雙電機-雙速”三合一電驅動產品，具有4種驅動模式和2種再生模式，可以用低成本的電機生產。



2.系統介紹



如圖1所示，一個集成了變速箱和逆變器的三軸e-axis。位于低齒輪側的電機和逆變器與位于高齒輪側的電機和逆變器對稱布置。LH電機連接到低齒輪，RH電機連接到高齒輪。在第二軸上的低齒輪有一個集成的單向離合器，以實現無縫換擋。此外，第一軸上的狗爪離合器可以在需要時直接連接左/右電機，實現強大的驅動。通過兩個電機和兩個齒輪的組合，可以選擇四種驅動模式。根據駕駛場景控制四種駕駛模式之間的切換，節省能耗，提高駕駛效率可以實現性能。再生可以在沒有單向離合器的高齒輪扭矩路徑下進行，并且可以在兩種模式下進行(見圖2)。每種模式的扭矩流和驅動場景如下圖所示。



圖1 雙電機多驅動方式電動橋



圖2 每種模式的扭矩/速度范圍



2.1單電機-低模式



“1-Motor-Low”模式用于從啟動到低速驅動。只有左LH馬達的扭矩通過低速檔傳遞給輪胎。(見圖3)



圖3 “1-Motor-Low”模式扭矩傳遞路徑



2.2單電機-高模式



“1-Motor-High”模式用于中速到高速行駛的情況，這樣可以節省功耗。只有RH馬達的扭矩通過高擋傳遞給輪胎(見圖4)。在“1-Motor-Low”和“1-Motor-High”模式之間的切換是通過內置在低擋內的單向離合器無縫完成的。如果與高擋直接相連的第二軸比低擋旋轉得快，則單向離合器解鎖，低擋自由，完成“1-Motor-High”模式的轉換。



圖4 “1-Motor-High”模式扭矩傳遞路徑



2.3“2-Motor-Low /High組合”模式



“2電機-低/高組合”模式適用于需要高扭矩的驅動場合，如上坡驅動。LH和RH馬達同時工作，它們的扭矩在第二軸上結合，最大的驅動力傳遞給輪胎。(見圖5)



圖5 “2電機-低/高組合”模式轉矩傳遞路徑



2.4“2-Motor-High”模式



“2-Motor-High”模式適用于需要快速和強力加速的駕駛場合，比如在高速公路上超車。當LH、RH電機轉數同步，第一個軸上的狗爪離合器被激活時，LH、RH電機被連接起來，它們的轉矩被同步。組合扭矩通過高速齒輪傳遞給輪胎。(見圖6)



圖6 “2-Motor-High”模式扭矩傳遞路徑



3.技術特征



主要特點是功耗低、驅動性能高、體積小。下面是每個特性的詳細描述。



3.1低功率消耗



根據車輛行駛負載狀態和行駛場景，對上述模式進行優化選擇，可提高行駛能量效率。典型的單電機e-axis無傳動機構，由于電機的高效范圍限制了驅動場景，在低速和高速下都很難實現低功耗。兩個電機和兩級傳動的組合使其可以根據駕駛場景進行模式切換，大大擴展了駕駛場景范圍，可以覆蓋如圖7所示的電機的高效范圍。這使得在低速或高速行駛時節省電力成為可能。在WLTC駕駛模式下，后面描述的原型車規格中的系統操作點幾乎只能在“1-Motor-High”模式下運行。但在現實世界中，爬坡、高速行駛、超車等需要較大驅動力的情況下，通過切換操作電機的數量和傳動比，可以實現較高的系統效率。如圖8所示，在原型車的情況下，與一般的單電機單轉速e-axis相比，功耗可以提高10%。在相同的續航里程下，這相當于電池成本和重量減少10%。



圖7 多驅動方式



圖8 功耗改善示意圖



3.2車輛安裝靈活性



對稱、扁平、緊湊的外形可以安裝在車輛較低的位置(見圖9)。這降低了車輛的重心，使行駛更加平穩，在內外設計上更加自由。例如，配送車輛的貨艙可以擴大。它還有助于減少扭矩轉向，因為左右軸的長度可以設置為相等。



圖9 外形空間布局示意圖



3.3附加功能



為了在普通的電動汽車e-Axle上提供Hill Assist功能，需要通過電機操作或制動操作來保持車輛，這就成為了一個問題，因為它會降低車輛的功耗。內置了兩組離合器，可以在不耗電的情況下實現Hill Assist功能。在“2-Motor-High”模式下，當車輛在上坡停止時，松開油門踏板，由于扭矩在機組內部循環，車輛無法倒車而停止。踩上加速踏板，自動釋放扭矩循環，允許車輛前進(見圖10)。這個簡單的山丘輔助功能可以在沒有額外組件的情況下實現。



圖10 車輛輔助功能示意圖



4.測試結果



測試車輛配備了該型電驅系統，以驗證功耗和駕駛性能。測試車輛是一輛48V的電動汽車，具有可選擇的4WD/FF/FR驅動模式，這是基于一輛緊湊的跑車，并配備了一個電驅系統軸在前面和后面。表1顯示了試驗車輛的規格。



表1 車輛信息



圖11 理論效率與實測效率的比較



4.2平滑模式變化



測量了車輛切換模式時的加速度。典型的模式切換結果如下圖所示。



4.2.1通過單向離合器切換模式(“1-Motor-Low”到“1-Motor-High”)



通過增加RH電機轉矩的同時降低LH電機轉矩，將轉矩從LH電機傳遞到RH電機，實現模式切換。如圖12所示，當扭矩由LH電機傳遞給RH電機時，車輛的加速度沒有變化。



圖12 從“1-Motor-Low”模式切換到“1-Motor-High”模式的測試結果



4.2.2通過離合器進行模式切換(從“1-Motor-High”模式切換到“2-Motor-High”模式)



當電機的旋轉速度增加,RH之間的轉速差和LH電機小于目標值,狗爪離合器結合,和扭矩的LH/RH電動機結合第一軸完成模式切換。如圖13所示，狗爪離合器嚙合時車輛的加速度沒有變化，說明模式切換平穩。



圖13 從“1-Motor-High”模式切換到“2-Motor-High”模式的測試結果



5.結論



我們開發了一款雙電機多驅動方式的電動車橋，解決了送貨卡車等車輛電氣化的問題，在實際行駛工況下所需的驅動力變化很大，在實現低功耗和駕駛性能的同時，提供了廣闊的貨艙空間。兩個電機和兩級變速器的組合，實現了四種驅動模式和兩種再生模式，使其能夠同時實現低功耗和高驅動性能。扁、平、薄布局也允許eaxis安裝在車輛上較低的位置，從而有助于擴大貨物空間。



來源：電動新視界 五哥

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