雙電機動力驅動系統分析與設計

許 坤

（特百佳動力科技有限公司，上海 201501）

1 雙電機驅動系統分析

與傳統商用車相比，新能源商用車以驅動電機和電池包代替發動機作為動力源。在傳統方案結構上，純電驅動系統在整車空間需求上與發動機相比有增無減，需要結構更加緊湊。在傳統方案性能方面，電機的效率區間比柴油發動機和汽油發動機更廣，且效率更高。冷卻方案上，發動機的風冷系統顯然不適用該系統，而水冷電機在結構上空間占用率大。因此，該系統直接采用主動油冷和熱交換器增加冷卻效果。換擋方案上，傳統的機械式自動變速器（Automated Mechanical Transmission，AMT）在選換擋時，由于發動機或者新型商用車變速器的單電機為唯一動力源，整車進行升降擋時，同步滑套或同步器必須進入中間位置進行換擋，導致整車存在動力中斷。因此，該方案采用雙電機驅動，同時采用雙中間軸布置，在整車換擋時，若其中一邊中間軸上的滑動齒套處于中間位置（無動力傳輸）時，另一邊中間軸的滑動齒套仍然處于擋位狀態（另一電機提供動力），仍然可為整車提供動力。電氣方案上，雙電機驅動系統的控制單元與整車的控制單元采用同類型控制信號傳遞，更加便捷，可行性高。

2 雙電機驅動系統設計

雙電機驅動系統電驅動自動變速器（Electricdrive Mechanical Transmission，EMT）主要包括雙電機、變速箱、變速箱控制單元（Transmission Control Unit，TCU）以 及 電 機 控 制 器（Micro Controller Unit，MCU）[2]。變速箱又包括換擋機構、取力器、各類傳感器、電子油泵以及機械油泵等。如圖1所示，此系統采用多合一的機械傳動方案，雙電機輸入軸同變速箱輸入軸通過內外花鍵連接，整體布局結構為雙中間軸式。

圖1 雙電機動力驅動系統

取力器采用傳統的同步滑套式取力，取力方式為氣動取力，輸出法蘭式。換擋機構設置在變速箱后方，采用氣動式換擋。氣壓氣路設置與取力器具有一致性。系統冷卻（包括雙電機）采用整體油冷，機械泵設置在總成后方，電子泵設置在電機下方。TCU設置在變速箱上方，采用變速箱單獨控制模塊，通過控制器局域網絡（Controller Area Network，CAN）通信，可接收來自電機控制器的相關信號、輸出換擋位置（設置有位置傳感器）信號以及轉速信號（變速箱輸出軸位置設置雙通道轉速傳感器）。

2.1 傳動方案設計

2.1.1 雙電機驅動系統輸出力的需求計算

根據主機廠整車基本參數列表和性能指標參數列表進行輸出力的計算[1]。31T級牽引車基本參數和31T級牽引車設計性能分別如表1和表2所示。

表1 31T級牽引車基本參數列表

表2 31T級牽引車設計性能列表

根據車輛動力學，汽車風阻計算公式為

式中：爬坡車速的單位為m·s-1，將車速換算為km·h-1，則需要在分母上乘以3.62；ρ為空氣密度，取1.206 kg·m-3。

于是，計算得近似公式為

結合式（2）及車輛動力學公式，得

經過運算，得Fi,max為90 800 N。

2.1.2 驅動電機參數需求計算

純電牽引車采用直驅電機加傳統后橋方案，同時采用高速電機（10 000 r·m-1）兼顧極限車速與較大爬坡度需求，開發純電重卡專用雙電機動力驅動系統2EMT，設計iR=4.9、i常=4.5、i1=3.6、i2=1.4。

根據整車基本參數列表及設計性能列表，計算電機需求峰值轉速

于是，計算可得Nm,max為9 683 r·m-1。

根據整車基本參數列表及設計性能列表，計算電機需求峰值扭矩

于是，計算可得Tm,max為578 N·m。

結合電動重卡的應用場景與計算結果，設計2EMT參數如表3所示。

表3 2EMT參數列表

2.2 傳動方案分析與驗證

齒軸材料及其熱處理方式是影響齒軸承載能力和使用壽命的關鍵因素，也是影響齒軸生產質量和成本的主要環節。選擇齒軸材料及其熱處理時，要綜合考慮齒輪的工作條件（如載荷性能的大小、使用工況等）、加工工藝材料來源及經濟性等因素，以使齒軸在滿足性能要求的同時最小化生產成本。

應用于新能源變速箱的齒軸材料通常有20CrMnTi（分為20CrMnTiH、20CrMnTiHH、20CrMnTiHL）、20CrNiMoH、20CrMo以及20CrNi2Mo等。這些材料主要是滲碳結構鋼，滿足新能源變速箱對材料的需求，即具有耐磨、芯部硬度高以及表面硬度高等特點。

2.2.1 齒輪材料

結合2EMT的實際工況，尤其是與電機直連的一級減速齒輪組中的輸入齒具備高轉速和低扭矩的特點，而一擋減速齒輪組具備低轉速和高扭矩的特點，綜合新能源變速箱的實際特點，選擇齒軸材料為20CrMnTi。

2.2.2 齒輪分析

基于齒軸分析軟件Romax對2EMT的所有齒輪和軸承進行使用壽命分析。具體的，結合傳統的齒軸使用壽命分析方法（使用系數分析）和當前新能源變速箱的載荷譜分析方法，對齒軸使用壽命進行分析。載荷譜的相關實際工況包括：一擋齒輪組運行時間、轉速以及扭矩；二擋齒輪組運行時間、轉速以及扭矩；倒擋齒輪組使用一擋齒輪組替代的方法。載荷譜數據基于重型變速器壽命指標，輸入軸循環次數國家標準QC/T 568—2010，折算到2EMT的各個擋位齒輪的實際數據。如圖2和圖3所示，2EMT的所有齒輪、軸承損傷均未超過設置使用壽命的80%（達到100%開始有損傷，但不會失效），滿足設計需求。其中，齒輪損傷總體結果優秀，符合重型齒輪的需求特點。

10、new S-GW更新承載上下文，并向MME返回Create Session Response消息。

圖2 2EMT齒輪壽命分析結果圖

圖3 2EMT軸承壽命分析結果圖

2.2.3 齒輪加工

當前新能源變速箱的齒軸毛坯主要使用的是自由鍛造，在前期驗證過程中主要使用棒料加工。加工工藝過程為“棒料粗加工→花鍵加工→制齒→熱處理→磨齒及磨外圓→檢驗”。

熱處理過程中，主要采用的最終熱處理方式有滲碳淬火和碳氮共滲淬火兩種，以保證良好的力學性能、硬度、有效的硬化層深度以及芯部硬度等。

磨齒及磨外圓過程中，磨削的精度通常達到IT6～IT7公差等級，表面粗糙度一般為0.16～1.25 μm，后續需去除毛刺并及時清洗。

檢驗過程中，齒輪精度一般為6級，少數齒輪為7級。結合GB/Z 18620.1—2008和GB/Z 18620.2—2008的要求，檢測齒輪的徑向綜合偏差和齒側等。新能源變速箱齒輪主要檢測跨棒距、公法線長度、齒面的粗糙度、單個齒距偏差、徑向跳動偏差以及齒輪修行的誤差等。

2.3 換擋方案設計

A樣中試行了24 V電源的直行電機換擋，過程中發現直行電機換擋存在換擋速度過快的問題，且存在換擋沖擊，長時間運行存在換擋失效風險。因此，后續驗證過程中采用氣動換擋，氣源氣壓適配整車（700～800 kPa），三缸式氣缸。借用整車氣路匹配2個進氣口和1個排氣口，如圖4所示。排氣口設置阻泥塞，防止泄氣灰塵。由換擋機構氣缸軸發生軸向位移帶動同步撥叉，撥叉帶動同步環。環帶有內外齒，內齒與軸結合，外齒與對應齒輪結合達到換擋的目的。

圖4 換擋方案

2.4 冷卻方案設計

2.4.1 變速箱及電機冷卻

變速箱及電機冷卻共用一套冷卻系統，設置熱交換器作為外置冷卻方案，如圖5所示。采用乙二醇作為常規冷卻液，冷卻液流量最高可達25 L·min-1。機械油泵和電子油泵進油口連接在變速箱最低位置，附近設置放油螺塞，螺塞內附帶強性磁鐵，用于吸附2EMT在磨合使用過程中產生的鐵屑等物質。設置濾清器過濾，使得進油品質符合機械油泵和電子油泵的清潔度要求。機械油泵布置于變速箱后方，借另一中間軸取力。機械泵可以在車啟動時立即運行。電子油泵布置于電機下方，通過TCU控制其轉速增加或降低流量。電子油泵主要應用在防止在高速運行、低速大扭矩、倒車工況以及機械泵失效情況下電機發熱較為嚴重的工況。電子油泵的使用源電壓與TCU等電子器件保持一致，也可自帶控制單元。

圖5 冷卻方案

2.4.2 電機控制器及TCU冷卻

電機控制器采取水冷方式進行冷卻，冷卻介質為乙二醇。散熱需要使用低溫散熱器、風扇、水泵以及膨脹罐等部件。

TCU在大部分車型對應的車況下可自然冷卻。在高溫天氣，長久運行工況下可借助電機控制器的風扇進行冷卻。

2.5 電氣方案設計

雙電機驅動系統方案CAN拓撲如圖6所示。TCU、電機控制器的信息交互主要通過CAN進行，由整車控制器（Vehicle Control Unit，VCU）作為網關。其中，TCU控制雙電機驅動系統中的所有電子元器件，包括用于檢測2EMT的轉速值和轉速方向的雙通道轉速傳感器、用于檢測2EMT的擋位狀態及撥叉位移距離的位置傳感器、用于檢測2EMT整體系統油溫的PT1000油溫傳感器、用于控制2EMT整體系統的冷卻油流速的電子油泵、用于控制2EMT后取力器位置的信號反饋開關、用于控制2EMT整體系統的換擋機構氣路開關和取力器的氣路開關。電機控制器機械結構上，直流高壓線連接整車電池作為電源輸入，三相高壓線連接電機用于電源輸出，同時用于控制電機轉速和電壓等，配合TCU完成2EMT的正常運行。

圖6 雙電機驅動系統CAN拓撲

2.6 邏輯功能與定義

2.6.1 傳動邏輯

2EMT共有兩級減速，一級減速為常嚙合齒輪減速，另一級減速為擋位齒輪減速，通過雙中間軸傳遞至輸出軸。此外，2EMT無倒擋，倒擋可通過電機反轉實現（發動機僅可以正轉，因此傳統AMT設置有倒擋）。

2.6.2 整車邏輯

駕駛員通過鑰匙開啟ON擋，VCU接收駕駛員指令，然后開啟整車自檢。自檢完成后，若整車存在嚴重故障，則不可開啟車輛；若無故障，MCU接收VCU高壓指令開啟高壓上電，同時開啟整車冷卻。TCU同時接收MCU冷卻指令，并結合當前工況判斷后開啟2EMT的電子油泵。

2.6.3 換擋邏輯

駕駛員通過油門踏板給出VCU升速、降速的指令，TCU與MCU協同工作完成升降擋。同步器1和同步器2均在空擋，電機調速；同步器1和同步器2其中一個在1擋，電機調速，最后升至同步器1和同步器2均在2擋。除起步階段，整個換擋過程均有一個同步器在擋，全過程無動力中斷，有助于整車爬坡、下坡以及超車。

2.7 雙電機驅動系統臺架測試

相較于傳統發動機驅動的燃油車，純電驅動系統需要增加電機標定試驗和動力總成臺架試驗。

2.7.1 溫升試驗

2EMT是一種電機、電控以及變速箱三合一的系統。在工作過程中，2EMT系統會產生大量熱。冷卻方案的設計對散熱能力、電驅動產品性能及系統安全至關重要，因此系統溫升試驗是2EMT的關鍵試驗。2EMT的溫升試驗將重點考察電機定子兩端繞組溫度和2EMT系統油溫。

2.7.2 反電動勢測試

反電動勢測試為永磁同步電機最常見的測試類型。2EMT通過測功機進行測試，測功機以不同的轉速拖動電機轉動，測試當前狀態下的反電動勢。

2.7.3 峰值扭矩、功率測試

在臺架上，通常在電機的峰值轉速范圍內請求最大的扭矩輸出。一般持續30 s，取當前狀態下的扭矩值和功率值。

2.7.4 靜態換擋測試和動態換擋測試

靜態換擋的目的是測試2EMT在預啟動狀態下的功能性。動態換擋則是模擬整車在運行過程的實際換擋功能。

3 結語

隨著新能源商用車的發展，純電驅動逐漸成為商用車領域不可或缺的一種形式。雙電機純電驅動系統可適用于一定載重純電的牽引車、自卸車、水泥車、打灰車以及攪拌車等。本方案從2EMT的機械結構設計、原理分析、臺架試驗以及整車測試等方面進行驗證，并已經應用在相關主機廠對應的車型上，是一套由終端客戶運營的動力總成。可見，2EMT是一個符合市場需求的純電驅動系統，對新能源商用車電驅化有著良好的推動作用。