純電動汽車究竟要不要多擋三合一電驅(qū)動系統(tǒng)？

目前，單擋減速器電驅(qū)系統(tǒng)在市場上占領(lǐng)絕對的地位，但是國內(nèi)外諸多公司正在研發(fā)或已有應(yīng)用多擋位的系統(tǒng)，之前也寫過《采埃孚最新電動車2擋三合一電驅(qū)總成的“解讀”》。為什么這么多公司都在做多擋系統(tǒng)，對整車和三合一電驅(qū)動系統(tǒng)帶來了哪些優(yōu)勢？多擋會不會導(dǎo)致整車應(yīng)用成本上升？多擋電驅(qū)系統(tǒng)今后的研發(fā)方向又在哪里呢？

為了說明多擋位電驅(qū)動系統(tǒng)的優(yōu)勢，我們從電機(jī)的典型特性和整車需求出發(fā)，從動力性和經(jīng)濟(jì)性兩個(gè)方面，淺析單一擋位電驅(qū)系統(tǒng)在整車應(yīng)用中遇到的瓶頸。

單擋在動力性上的瓶頸

下圖是典型的電機(jī)特性曲線，包含兩個(gè)區(qū)域：恒扭矩區(qū)域和恒功率區(qū)域。其中Area I 反應(yīng)了整車的起步性能和低速區(qū)加速性能（一般0~50km/h）和低速爬坡性能；Area II 反應(yīng)了中高車速的加速性能（50~80km/h, 80~120km/h)和1km最高車速性能，換句話說“更高的極限車速，更牛逼的中高速超速性能”。

當(dāng)我們電機(jī)電控選定之后，如若想提高Area1整車性能，此時(shí)需要一個(gè)高的速比；若想提高Area2 的整車性能，又需要一個(gè)較小的速比，“魚和熊掌不可兼得”，要怎么做？

圖1

當(dāng)然，也可以說“選一個(gè)牛逼的電機(jī)和控制器”，但這意味著電機(jī)、控制器甚至電池包的成本和設(shè)計(jì)要求的提升。為了同時(shí)滿足Area I和Area II ，假設(shè)兩種組合：

1）若選擇一個(gè)小的速比+大扭矩的電機(jī)。對于電機(jī)，這直接意味著其體積重量的增加，伴隨著溫升性能變差，這意味著系統(tǒng)損耗的增加，以及物料成本、選型成本和試驗(yàn)成本的提高（#話題太大...感興趣的話，這一塊內(nèi)容我們后續(xù)可展開討論，歡迎留言#）；對于控制器，需要一個(gè)更大的容量承受這么大的電流，同時(shí)帶來損耗上升；對于電池包，需要一個(gè)大倍率的放電電流，削減了電池壽命。

2）若選擇一個(gè)大的速比+高轉(zhuǎn)速的電機(jī)。對于電機(jī)，需要嚴(yán)格控制其感應(yīng)電勢，重新校核轉(zhuǎn)子、旋變和軸承極限轉(zhuǎn)速，避免因此失效導(dǎo)致的破壞、漏脂和扭矩?zé)o法輸出等風(fēng)險(xiǎn)；對于控制器或電池，可能需要提高母線電壓或改變調(diào)制系數(shù)來保證高速區(qū)的弱磁深度，使扭矩順利輸出。

綜上，多擋位變速器的匹配，使電驅(qū)系統(tǒng)具有更寬的輸出轉(zhuǎn)速和扭矩范圍，可以在幫助整車實(shí)現(xiàn)性能需求的同時(shí)，一定程度降低對電機(jī)、電控和電池的成本和設(shè)計(jì)難度。

單擋在經(jīng)濟(jì)性上的瓶頸

下圖2是Prius2010 電機(jī)電控效率Map，可以看出，高效區(qū)基本分布在[4000,8000]rpm和[40,90]Nm的范圍內(nèi)。

圖2

對于純電動車，從諸多整車路譜得到的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)獲得：約有40%~65%的工況比重放在中低轉(zhuǎn)速和較低負(fù)載的在城市工況下，特別是，對于出口歐洲的車型，同時(shí)增加了超高速工況需求。此時(shí)，兩擋或者多擋位變速器的匹配，可以顯著增加了電機(jī)電控高效區(qū)的應(yīng)用面積。下圖3是某兩擋變速器應(yīng)用對于高效區(qū)的應(yīng)用區(qū)域提升示意圖，供參考。

圖3

“多擋位帶來哪些優(yōu)勢”

→從整車角度:

? 更牛逼的整車起步性能：低速加速性能

? 更牛逼的超車性能：中高速加速性能

? "飛上天"的最高車速：最高車速受限于電機(jī)功率能力，而不再受限于速比

? 較優(yōu)的續(xù)航里程：通過速比調(diào)配電機(jī)電控工作在高效區(qū)

? 更”安靜“的噪聲表現(xiàn)：多擋位一方面降低了對電機(jī)電控的轉(zhuǎn)速需求，另一方面降低了對減速器單個(gè)動力流齒輪修型扭矩寬度的選擇范圍

? 更牛逼的極限性能表現(xiàn)：對加速性能和極高轉(zhuǎn)速均有需求的車型，或者對于在極端坡度和負(fù)載需求的應(yīng)用路況，多擋位電驅(qū)系統(tǒng)是一個(gè)較優(yōu)的解決方案。

→從電驅(qū)動總成角度

? 降低了對電機(jī)扭矩需求，即體積重量的需求，削減了物料成本

? 電機(jī)體積的減小伴隨著溫升性能的提升，即同樣的冷卻條件會帶來更優(yōu)的冷卻效果，一方面意味著系統(tǒng)損耗的就減少，另一方面降低了零件選型和耐久試驗(yàn)產(chǎn)生的成本

? 降低對控制器容量需求，即設(shè)計(jì)難度和重量的需求，削減了成本

? 降低了電池組容量需求，即電池組的體積重量和成本

? 改善電池壽命

? 降低了減速器齒輪及對應(yīng)軸承的可靠性的要求

? 降低對電機(jī)和控制器高速需求，一定程度優(yōu)化噪聲和振動問題

多擋電驅(qū)系統(tǒng)帶來哪些"弊端"

目前主流的觀點(diǎn)認(rèn)為多擋減速器的應(yīng)用會對整車應(yīng)用帶來如下"弊端":成本上升、重量增加、額外的損耗（換擋執(zhí)行系統(tǒng)）、換擋中斷。

BUT,這些所謂的“弊端”究竟是不是真的弊端？這需要我們站在系統(tǒng)角度思考：

1） 成本上升

多擋位意味著更復(fù)雜的齒軸系統(tǒng)，額外的執(zhí)行系統(tǒng)及其控制器，必然會導(dǎo)致減速器成本上升；但是速比寬度的增加同樣可以降低對電機(jī)、電控和電池的需求：

• downsize了電機(jī)電控，削減了物料成本

• 降低了電機(jī)極限性能需求，削減了相關(guān)零件選型成本，如軸承、油封

• 更優(yōu)的電機(jī)溫升性能，削減了相關(guān)零件選型成本，如軸承、油封，削減了耐久試驗(yàn)成本（時(shí)間更短）

• 更優(yōu)的電機(jī)溫升性能，相同的冷卻流量需求會帶來更優(yōu)的冷卻效果，進(jìn)而改善系統(tǒng)效率（依據(jù)測試經(jīng)驗(yàn)，對比<90℃和>105℃繞組溫度，整體來看三合一系統(tǒng)約有1%的系統(tǒng)傳遞效率差異），這意味著更少的電池模塊需求

• 高效區(qū)增加，降低了電池組容量需求，伴隨著降低了電池組的體積重量和成本

綜上來看，多擋“帶走”的成本可能會＞“帶來”的成本。（#關(guān)于這個(gè)話題只做定性分析，若感興趣，后續(xù)我們可展開討論，歡迎大家留言。#）

2）重量增加

如上分析，多擋位同樣意味著重量的增加；但是速比寬度的增加可以改善電機(jī)、電控的downsize，究竟增加與否，需要系統(tǒng)地考慮。

3） 額外的損耗

由于換擋執(zhí)行系統(tǒng)的應(yīng)用會帶來額外的損耗，但是這部分損耗與其“節(jié)約”下的相比，微不足道，這方面可以參考以下文獻(xiàn)：

Ren Q , Crolla D A , Morris A . Effect of transmission design on Electric Vehicle (EV) performance[C]. 2009 IEEE Vehicle Power and Propulsion Conference. IEEE, 2009.

Sorniotti A , Subramanyan S , Turner A , et al. Selection of the Optimal Gearbox Layout for an Electric Vehicle[J]. SAE International Journal of Engines, 2011, 4(1):1267-1280.

4） 換擋中斷

多擋位電驅(qū)系統(tǒng)避不開的“坎”，但是沒有什么問題是解決不了的，國內(nèi)外對于換擋中斷已有諸多方案，究竟選用哪個(gè)？我們后續(xù)專題解讀。

到此，關(guān)于文章題目所談的問題應(yīng)該已有答案，那么知道了這么多，后邊怎么干？

“知道這么多了，后邊該怎么干”

綜上利弊，按“成本→動力性→經(jīng)濟(jì)性→舒適性→可靠性”的優(yōu)先級，一張圖概括純電動汽車多擋電驅(qū)系統(tǒng)研發(fā)方向：

一句話概括：“優(yōu)先級制定”+“不斷迭代和優(yōu)化”=“怎么干”

優(yōu)先級的制定是關(guān)鍵，這決定了產(chǎn)品的走向；優(yōu)先級既定以后，并不是說設(shè)計(jì)邏輯是一條路走到底的，我們不斷迭代、不斷優(yōu)化。

舉例說明：成本和動力性因素考慮完成后，我們可以得到初步的電機(jī)、電控和減速器參數(shù)，但是，在第3環(huán)節(jié)發(fā)現(xiàn)速比的調(diào)配不足以發(fā)揮電機(jī)電控高效區(qū)的優(yōu)勢，這時(shí)候可能要重新回到第1步，通過調(diào)整銅/鐵比重，移動系統(tǒng)高效區(qū)，這個(gè)過程可能又會對動力性產(chǎn)生影響，這時(shí)候就需要系統(tǒng)來平衡。

寫在最后：

關(guān)于多擋位電驅(qū)動系統(tǒng)的介紹，網(wǎng)上有大把的資料，遺憾的是，沒能看到系統(tǒng)、完整、清楚的解釋，這也是萌發(fā)寫這篇文章地原因。

當(dāng)然，還有另外一個(gè)目的，是作為后續(xù)”2擋三合一電驅(qū)系統(tǒng)產(chǎn)品開發(fā)》系列文章的引言，幫助自己整理思路、明確設(shè)計(jì)需求。

以上，如有理解不當(dāng)或者需要補(bǔ)充的地方，歡迎大家隨時(shí)留言，如果覺得不錯(cuò)，希望你能分享給身邊的人。