變速器在新能源電動(dòng)車(chē)上的應(yīng)用分析

吳亮

摘 要：變速器是傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車(chē)的關(guān)鍵部件，而目前一般的新能源電動(dòng)車(chē)大多取消了變速器。本文從電動(dòng)機(jī)和內(nèi)燃機(jī)的特性差異、純電動(dòng)車(chē)匹配變速器的特點(diǎn)分析、匹配于純電動(dòng)車(chē)變速器的發(fā)展趨勢(shì)、帶AMT純電動(dòng)系統(tǒng)介紹四個(gè)方面進(jìn)行分析變速器在新能源電動(dòng)車(chē)上應(yīng)用特點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：變速器;新能源電動(dòng)車(chē);應(yīng)用分析

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.22.111

1 電動(dòng)機(jī)和內(nèi)燃機(jī)的特性差異

從卡爾本茨發(fā)明第一臺(tái)內(nèi)燃機(jī)車(chē)，到現(xiàn)在經(jīng)過(guò)了一百多年的發(fā)展，內(nèi)燃機(jī)已經(jīng)發(fā)展成一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，現(xiàn)代內(nèi)燃機(jī)的性能已經(jīng)較強(qiáng)勁，但是其存在以下特性：（1）低轉(zhuǎn)速下無(wú)法輸出轉(zhuǎn)矩。（2）高轉(zhuǎn)速下最大輸出轉(zhuǎn)矩急劇下降。綜上，內(nèi)燃機(jī)的常用工作轉(zhuǎn)速范圍較窄，一般轉(zhuǎn)速在1000-4000rpm范圍內(nèi)。為了解決這兩個(gè)問(wèn)題，配置離合器切斷阻力，使內(nèi)燃機(jī)可以在無(wú)負(fù)載的情況下啟動(dòng)，配置的變速器通過(guò)換檔，從而使內(nèi)燃機(jī)的轉(zhuǎn)速經(jīng)常處在工作范圍，能夠順暢地工作。

電動(dòng)汽車(chē)的電動(dòng)機(jī)，具有以下兩個(gè)相應(yīng)的特點(diǎn)：（1）低速可以輸出很大的轉(zhuǎn)矩。（2）工作范圍較寬，而且有極寬的恒扭矩轉(zhuǎn)速區(qū)。因此，電動(dòng)汽車(chē)即使沒(méi)有離合器與變速器也能正常工作，而匹配內(nèi)燃機(jī)的整車(chē)必須有變速器才能正常工作。

2 純電動(dòng)車(chē)匹配變速器的特點(diǎn)分析

車(chē)輛設(shè)計(jì)的基本目標(biāo)就要滿足動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)，同時(shí)設(shè)計(jì)車(chē)輛和銷(xiāo)售車(chē)輛都會(huì)高度關(guān)注成本，以下就從這三個(gè)方面逐一分析。

2.1 動(dòng)力性

定性的來(lái)看，在現(xiàn)階段的商業(yè)環(huán)境下，電動(dòng)汽車(chē)為了取得市場(chǎng)，一般要具備很高或較高的動(dòng)力性，簡(jiǎn)單的來(lái)說(shuō)就是用更大的電機(jī)。從基礎(chǔ)參數(shù)來(lái)看，匹配變速器的純電動(dòng)車(chē)選用的電機(jī)功率較低，直驅(qū)模式的電機(jī)功率較大。但匹配變速器的純電動(dòng)車(chē)，能通過(guò)變速器的換擋，在低轉(zhuǎn)速時(shí)增大輸出扭矩，在高轉(zhuǎn)速時(shí)將電機(jī)轉(zhuǎn)速更多的放在恒功率轉(zhuǎn)速范圍。因此，在相同電機(jī)扭矩的情況下，匹配變速器的純電動(dòng)車(chē)的爬坡性會(huì)更好，也能獲得更高車(chē)速，動(dòng)力性更好。

2.2 經(jīng)濟(jì)性

在車(chē)輛正常運(yùn)行時(shí)，直驅(qū)模式的電動(dòng)車(chē)經(jīng)濟(jì)車(chē)速范圍較小，在經(jīng)濟(jì)時(shí)速區(qū)間，整車(chē)能耗較低。但在低于最小經(jīng)濟(jì)車(chē)速、以及高于最大經(jīng)濟(jì)車(chē)速時(shí)，匹配變速器的純電動(dòng)車(chē)有優(yōu)勢(shì)，整車(chē)能耗較低。總體而言，在綜合工況下，匹配變速器的純電動(dòng)車(chē)的能耗較低。電池是電動(dòng)車(chē)的核心部件，同時(shí)也占了整車(chē)成本的較大比重，因此匹配變速器的純電動(dòng)車(chē)節(jié)約的電能不應(yīng)以價(jià)格計(jì)算，而是直接增加了續(xù)航里程，在相同電池規(guī)格的情況下，不增加車(chē)輛成本，同時(shí)提高了整車(chē)經(jīng)濟(jì)性。

2.3 成本

從成本上來(lái)講，扭矩偏小時(shí)，匹配變速器的純電動(dòng)車(chē)成本相對(duì)較高;但扭矩偏大時(shí)，匹配變速器的純電動(dòng)車(chē)的成本比直驅(qū)模式的要低。所以純電動(dòng)車(chē)扭矩越大，如重載商用車(chē)，匹配變速器的純電動(dòng)車(chē)的成本優(yōu)勢(shì)越明顯。在同等動(dòng)力性的情況下，匹配變速器的純電動(dòng)車(chē)，可以依靠更小扭矩的電機(jī)獲得較高的輸出扭矩，因此在大扭矩要求下只需選用小扭矩電機(jī)，而電機(jī)扭矩的大小對(duì)電機(jī)成本的影響非常大，扭矩小的電動(dòng)機(jī)，成本和重量也就較小。在同等續(xù)航里程的情況下，匹配變速器的純電動(dòng)車(chē)使用的電池容量更小，電池容量的大小對(duì)電池成本的影響非常大，容量小的電池，成本和重量也就較小。由此可知，匹配變速器的純電動(dòng)車(chē)的成本更有優(yōu)勢(shì)。

3 匹配于純電動(dòng)車(chē)變速器的發(fā)展趨勢(shì)

從新能源純電動(dòng)車(chē)匹配變速器的扭矩來(lái)看，乘用車(chē)電動(dòng)機(jī)扭矩小，可匹配2檔變速器，商用車(chē)電動(dòng)機(jī)扭矩大，特別是重載商用車(chē)可匹配多檔變速器，應(yīng)按照新能源純電動(dòng)車(chē)的需求開(kāi)發(fā)相應(yīng)的變速器。

從新能源純電動(dòng)車(chē)的智能化發(fā)展方向來(lái)看，整車(chē)需要匹配自動(dòng)變速器。以目前變速器的技術(shù)路線分析，按照滿足新能源純電動(dòng)車(chē)的整車(chē)特性，AT的性能較差、CVT的效率較低、DCT的系統(tǒng)復(fù)雜且成本高。而AMT則具有成本相對(duì)較低、技術(shù)成熟且換擋品質(zhì)高的優(yōu)點(diǎn)，適合新能源純電動(dòng)車(chē)的工況，可以按此路線進(jìn)行開(kāi)發(fā)。

從整車(chē)的舒適性、可靠性上看，直驅(qū)模式的車(chē)輛會(huì)更舒適，而匹配AMT變速器的純電動(dòng)車(chē)由于換擋存在動(dòng)力中斷，會(huì)略微降低舒適性;匹配AMT變速器的純電動(dòng)車(chē)相對(duì)于直驅(qū)模式，由于總成復(fù)雜度更高，也就理論上降低了可靠性。因此需要通過(guò)技術(shù)優(yōu)化來(lái)進(jìn)一步提高AMT變速器的性能。

4 帶AMT純電動(dòng)系統(tǒng)介紹

基于AMT技術(shù)的純電動(dòng)系統(tǒng)總成，以電機(jī)來(lái)驅(qū)動(dòng)，AMT變速器與電機(jī)同軸連接。通過(guò)利用變速器調(diào)速增扭的特性，從而實(shí)現(xiàn)匹配較小電機(jī)達(dá)到直驅(qū)大電機(jī)的效果;同時(shí)讓車(chē)輛具有更好的適應(yīng)性和更高的效率，帶AMT純電動(dòng)系統(tǒng)如下圖所示。

AMT純電動(dòng)系統(tǒng)的控制過(guò)程是動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的綜合控制過(guò)程，AMT控制系統(tǒng)與整車(chē)其他相關(guān)控制系統(tǒng)的協(xié)調(diào)非常重要。以某純電動(dòng)商用車(chē)為例，其動(dòng)力總成為電機(jī)，它與AMT變速器直接通過(guò)花鍵軸相連，中間沒(méi)有安裝離合器。為了實(shí)現(xiàn)協(xié)調(diào)控制，在AMT系統(tǒng)中引入CAN總線，實(shí)現(xiàn)AMT電控單元與電機(jī)控制器之間的通信。其換擋過(guò)程如下。

（1）轉(zhuǎn)速達(dá)到換擋點(diǎn)后，AMT控制系統(tǒng)通過(guò)CAN總線向驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制器發(fā)出扭矩漸變控制模式請(qǐng)求，當(dāng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)扭矩降低后，電機(jī)處于自由模式。

（2）AMT控制系統(tǒng)通過(guò)CAN總線接收到電機(jī)處于自由模式的狀態(tài)后，變速器完成摘擋動(dòng)作。

（3）變速器處于空擋后，AMT控制系統(tǒng)通過(guò)CAN總線向電機(jī)控制器發(fā)出調(diào)速模式請(qǐng)求，電機(jī)根據(jù)AMT控制系統(tǒng)發(fā)出的目標(biāo)轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)速。

（4）在目標(biāo)轉(zhuǎn)速達(dá)到后，AMT變速器系統(tǒng)向電機(jī)控制器發(fā)出電機(jī)自由模式請(qǐng)求。

（5）確認(rèn)電機(jī)處于自由模式后，AMT完成換擋操作。

綜上所述，新能源電動(dòng)車(chē)匹配變速器能夠提高整車(chē)的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性、同時(shí)降低成本，但為了能夠使整車(chē)發(fā)揮出這些優(yōu)勢(shì)，需要對(duì)變速器相應(yīng)技術(shù)優(yōu)化，使其性能達(dá)到與電動(dòng)機(jī)直驅(qū)的電動(dòng)車(chē)接近的水平。