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双电机多模电轴驱动系统的开发

发布时间：2022-04-13 浏览数：12 文章出自：东莞市雷奥哈德传动设备有限公司

摘要

顾客对纯电动汽车有三大需求。“低成本”、“充电时间短”、“续航里程长”。现有的—驱动电机与车速主要有以下3个问题需要进一步改进。“电机的高效率区域不能覆盖所有的转速，尤其是高速”。“在某些驾驶场景中，比如上坡时，可能会感到动力不足”。“更大的电机尺寸和电池容量是必要的。”为了解决这一问题，“既要实现高效率，又要实现高性能”和“既要实现高输出，又要实现电动车桥的紧凑”是非常重要的。为了实现这一目标，我们开发了“双电机-双速”3合一电驱系统；可实现双电机多驱动模式、2电机2速组合可提供4种驱动模式。根据驾驶工况选择最优模式，既能提高能耗，又能降低电池容量。双电机，可在必要的驱动场景下获得足够的驱动力。由于采用两个小电机对称放置，可以使电机的直径更小，所以可以在不增大电机尺寸的情况下通电。它有助于扩大行李空间，而且无需投资购买新的大驱动电机。通过整车测试，证实WLTC模式的功耗提高了10%以上。这意味着电池容量将减少10%以上。而且，良好的驾驶性能被证实没有苛刻的换挡技术。

1.介绍

轻型卡车等轻型电动汽车已开始广泛应用，主要是为了解决城市地区的环境问题，因此需要低成本、低功耗的动力总成。P0/P4系统还有望以最低成本改善48V P0 HEV的环境和动力学性能。以交付为主要用途的轻型电动汽车，需要减少对环境的影响，根据货物和车辆负载的变化确保最佳驱动力，并尽可能提供货物空间。也就是说，既要有更低的功耗、更高的行驶性能、更好的整车可装性的封装设计，又必须以较低的成本实现。使用目前主流的“单电机-单速”电驱动系统，不可能在所有行驶和加载情况下同时实现低功耗和高行驶性能。

近年来，为了在低、高速工况下实现低功耗，开始出现单电机轴双速变速器，推动了多级或无级变速器的方案。然而，对于运输卡车这样的车辆来说，所需的驱动力会因货物的装载条件而发生很大的变化，或者对于城市驾驶和比赛赛道使用的超级跑车来说，需要完全不同的驾驶性能，单台电机所能覆盖的高效率范围内的驾驶场景存在局限性。此外，还有一个问题是，由于一个新的高产量电机的巨大投资成本，其成本不可避免地高。为了解决上述问题，我们开发了“双电机-双速”三合一电驱动产品，具有4种驱动模式和2种再生模式，可以用低成本的电机生产。

2.系统介绍

如图1所示，一个集成了变速箱和逆变器的三轴e-axis。位于低齿轮侧的电机和逆变器与位于高齿轮侧的电机和逆变器对称布置。LH电机连接到低齿轮，RH电机连接到高齿轮。在第二轴上的低齿轮有一个集成的单向离合器，以实现无缝换挡。此外，第一轴上的狗爪离合器可以在需要时直接连接左/右电机，实现强大的驱动。通过两个电机和两个齿轮的组合，可以选择四种驱动模式。根据驾驶场景控制四种驾驶模式之间的切换，节省能耗，提高驾驶效率可以实现性能。再生可以在没有单向离合器的高齿轮扭矩路径下进行，并且可以在两种模式下进行(见图2)。每种模式的扭矩流和驱动场景如下图所示。

图1 双电机多驱动方式电动桥

图2 每种模式的扭矩/速度范围

2.1单电机-低模式

“1-Motor-Low”模式用于从启动到低速驱动。只有左LH马达的扭矩通过低速档传递给轮胎。(见图3)

图3 “1-Motor-Low”模式扭矩传递路径

2.2单电机-高模式

“1-Motor-High”模式用于中速到高速行驶的情况，这样可以节省功耗。只有RH马达的扭矩通过高挡传递给轮胎(见图4)。在“1-Motor-Low”和“1-Motor-High”模式之间的切换是通过内置在低挡内的单向离合器无缝完成的。如果与高挡直接相连的第二轴比低挡旋转得快，则单向离合器解锁，低挡自由，完成“1-Motor-High”模式的转换。

图4 “1-Motor-High”模式扭矩传递路径

2.3“2-Motor-Low /High组合”模式

“2电机-低/高组合”模式适用于需要高扭矩的驱动场合，如上坡驱动。LH和RH马达同时工作，它们的扭矩在第二轴上结合，最大的驱动力传递给轮胎。(见图5)

图5 “2电机-低/高组合”模式转矩传递路径

2.4“2-Motor-High”模式

“2-Motor-High”模式适用于需要快速和强力加速的驾驶场合，比如在高速公路上超车。当LH、RH电机转数同步，第一个轴上的狗爪离合器被激活时，LH、RH电机被连接起来，它们的转矩被同步。组合扭矩通过高速齿轮传递给轮胎。(见图6)

图6 “2-Motor-High”模式扭矩传递路径

3.技术特征

主要特点是功耗低、驱动性能高、体积小。下面是每个特性的详细描述。

3.1低功率消耗

根据车辆行驶负载状态和行驶场景，对上述模式进行优化选择，可提高行驶能量效率。典型的单电机e-axis无传动机构，由于电机的高效范围限制了驱动场景，在低速和高速下都很难实现低功耗。两个电机和两级传动的组合使其可以根据驾驶场景进行模式切换，大大扩展了驾驶场景范围，可以覆盖如图7所示的电机的高效范围。这使得在低速或高速行驶时节省电力成为可能。在WLTC驾驶模式下，后面描述的原型车规格中的系统操作点几乎只能在“1-Motor-High”模式下运行。但在现实世界中，爬坡、高速行驶、超车等需要较大驱动力的情况下，通过切换操作电机的数量和传动比，可以实现较高的系统效率。如图8所示，在原型车的情况下，与一般的单电机单转速e-axis相比，功耗可以提高10%。在相同的续航里程下，这相当于电池成本和重量减少10%。

图7 多驱动方式

图8 功耗改善示意图

3.2车辆安装灵活性

对称、扁平、紧凑的外形可以安装在车辆较低的位置(见图9)。这降低了车辆的重心，使行驶更加平稳，在内外设计上更加自由。例如，配送车辆的货舱可以扩大。它还有助于减少扭矩转向，因为左右轴的长度可以设置为相等。

图9 外形空间布局示意图

3.3附加功能

为了在普通的电动汽车e-Axle上提供Hill Assist功能，需要通过电机操作或制动操作来保持车辆，这就成为了一个问题，因为它会降低车辆的功耗。内置了两组离合器，可以在不耗电的情况下实现Hill Assist功能。在“2-Motor-High”模式下，当车辆在上坡停止时，松开油门踏板，由于扭矩在机组内部循环，车辆无法倒车而停止。踩上加速踏板，自动释放扭矩循环，允许车辆前进(见图10)。这个简单的山丘辅助功能可以在没有额外组件的情况下实现。

图10 车辆辅助功能示意图

4.测试结果

测试车辆配备了该型电驱系统，以验证功耗和驾驶性能。测试车辆是一辆48V的电动汽车，具有可选择的4WD/FF/FR驱动模式，这是基于一辆紧凑的跑车，并配备了一个电驱系统轴在前面和后面。表1显示了试验车辆的规格。

表1 车辆信息

图11 理论效率与实测效率的比较

4.2平滑模式变化

测量了车辆切换模式时的加速度。典型的模式切换结果如下图所示。

4.2.1通过单向离合器切换模式(“1-Motor-Low”到“1-Motor-High”)

通过增加RH电机转矩的同时降低LH电机转矩，将转矩从LH电机传递到RH电机，实现模式切换。如图12所示，当扭矩由LH电机传递给RH电机时，车辆的加速度没有变化。

图12 从“1-Motor-Low”模式切换到“1-Motor-High”模式的测试结果

4.2.2通过离合器进行模式切换(从“1-Motor-High”模式切换到“2-Motor-High”模式)

当电机的旋转速度增加,RH之间的转速差和LH电机小于目标值,狗爪离合器结合,和扭矩的LH/RH电动机结合第一轴完成模式切换。如图13所示，狗爪离合器啮合时车辆的加速度没有变化，说明模式切换平稳。

图13 从“1-Motor-High”模式切换到“2-Motor-High”模式的测试结果

5.结论

我们开发了一款双电机多驱动方式的电动车桥，解决了送货卡车等车辆电气化的问题，在实际行驶工况下所需的驱动力变化很大，在实现低功耗和驾驶性能的同时，提供了广阔的货舱空间。两个电机和两级变速器的组合，实现了四种驱动模式和两种再生模式，使其能够同时实现低功耗和高驱动性能。扁、平、薄布局也允许eaxis安装在车辆上较低的位置，从而有助于扩大货物空间。

来源：电动新视界五哥