多擋電驅動系統換擋臺架試驗概述

羅瑞雪，辛元強，郭劍，李尚林

1.中國汽車工程研究院股份有限公司 重慶

2.三一重工股份有限公司 湖南長沙

新能源汽車的發展已經成為目前全球最關注的熱門話題。隨著現代人環保意識的加強，以及化石燃料的日益枯竭，新能源的研發和應用在全球范圍內獲得了前所未有的重視。因此新能源汽車的發展成為了至關重要的一個環節，其中電動汽車的發展更是備受矚目。

電動汽車作為新能源汽車的代表，其核心技術在于驅動系統。電驅動系統以電動機為動力源，不僅可以有效減少排放，降低環境污染，同時也可以提供更加平穩和高效的駕駛體驗。而多擋電驅動系統可以更好地適應汽車在不同車速下的駕駛需求，提高電動機工作效率，降低能耗，增強電動汽車的普及和推廣。

電動汽車的普及，使得電驅動系統的多擋化成為了一種必然趨勢。而電驅動系統換擋臺架試驗，不僅可以推動電驅動技術的發展，也有助于更好地理解和利用新能源，為建設更加環保、高效的未來出行方式做出貢獻。

驅動系統電動化的必然性

驅動系統電動化的必然性主要涵蓋了環保需求、能源轉型、技術進步、經濟效益以及政策推動等多個方面。驅動系統電動化技術的發展，有利于整車向著電動化、智能化、網聯化及共享化的“新四化”的方向發展。

電驅動系統（見圖1）的工作狀態可以通過電子控制系統進行精確控制，這不僅有助于提高汽車的行駛性能，而且還有利于實現自動駕駛等高級功能。此外，從經濟角度考慮，電動汽車的運營成本低于傳統燃油汽車。驅動系統電動化能夠提高能源利用效率，降低運營成本，從而提升電動汽車的市場競爭力。

圖1 某企業電驅動系統

電驅動系統多擋化發展的趨勢

電動汽車的驅動電動機需要同時兼顧起步的大轉矩和最高車速時的高轉速。若電驅動系統為單擋位結構，則需要匹配的電動機體積及質量都會很大，成本較高；且電驅動系統在車輛高速行駛時，由于電動機轉速過高，可能會引起效率下降問題。

為了降低電動機的體積和質量，降低成本，優化電動汽車的駕駛性能，提高電動機的工作效率，降低能耗，電驅動系統向多擋化發展成為了電動汽車技術發展的必然趨勢（見圖2）。

圖2 某型號兩擋電驅動系統

多擋電驅動系統可以更好地適應汽車在不同速度下的駕駛需求，通過改變驅動系統的擋位，可以更好地利用電動機的高效區，使電動機在最佳的工作狀態下運行，從而實現更加高效、經濟、舒適的駕駛體驗。

然而，多擋電驅動系統的研發并非易事，其中換擋技術是極大的挑戰。如何保證換擋的平穩與快速并且在整個過程中高效利用電動機能量，是科研人員必須要面臨的問題。為此，電驅動系統換擋臺架試驗的研究成為了這個領域的重要研究方向。

多擋電驅動系統結構

多擋電驅動系統是電動汽車的關鍵組成部分，主要由電動機、多擋位減速器及控制系統等部分組成。

1）電動機是電驅動橋系統的核心部分，負責將電能轉換為機械能，驅動汽車行駛。在多擋電驅動系統中，電動機需要與減速器配合，以適應不同的行駛工況。

2）多擋位減速器是多擋電驅動系統的重要特征，主要由減速器、換擋電動機、換擋執行機構和換擋撥叉等部分組成，主要負責改變從電動機輸出的轉矩和轉速，并傳遞給車輪的裝置。通過換擋電動機調節換擋執行機構，由換擋撥叉改變減速器的擋位，可以使電驅動系統在不同車速下都能使電動機最大可能地保持在最佳工作狀態。

3）控制系統是電驅動系統的“大腦”，負責控制電動機的工作狀態，以實現汽車的平穩、高效運行。換擋TCU通過采集各種傳感器和控制系統的信息，精確控制換擋時機和換擋過程，以保證換擋的平順性，減少能量損耗。

多擋電驅動系統取消了離合器和同步器等主要摩擦元件，極大地簡化了結構，并通過以上主要部件的協同工作，實現了電動汽車的多工況行駛。相比單擋位的電驅動系統，多擋電驅動系統能更好地適應不同的行駛條件，提高電動汽車的行駛性能和能源利用效率（見圖3）。

圖3 某型號換擋機構示意

多擋電驅動系統通過換擋電動機驅動換擋執行機構，帶動結合套在不同的擋位之間進行切換來實現換擋，這種結構沒有同步器，換擋過程依靠電動機調試來實現結合套與結合齒圈轉速同步。這一過程需要精確控制，以保證換擋的平穩和高效。

在實際操作中，電動汽車的換擋過程包括檢測階段、決策階段、執行階段和穩定階段。

首先，控制系統會持續檢測電動機的工作狀態和車輛的行駛條件，如電動機的轉速、轉矩，以及車速、加速度等。當電動機的轉速或轉矩達到預設的換擋值時，控制系統會決定是否進行換擋。如果需要換擋，控制系統會計算出最佳的換擋時機和電動機的目標輸出。接下來，控制系統發出換擋指令后，電動機會根據指令調整其轉矩和轉速，同時，減速器也會根據指令調整齒輪的嚙合狀態，以實現換擋。換擋完成后，控制系統會持續監控電動機和減速器的狀態，確保其穩定運行。如果發現異常，控制系統會及時進行調整，以保證車輛的正常行駛。

電動汽車的換擋過程如圖4所示。

圖4 換擋過程

在整個換擋過程中，各部件的精確協同工作實現了平穩、快速的換擋。這種換擋方式相比傳統的機械換擋，更加平穩，幾乎不會感到明顯的擋位轉換，提供了更好的駕駛體驗。

多擋電驅動系統的優勢與不足

1.優勢

多擋電驅動系統的結構在電動汽車特別是商用車領域具有顯著的優勢。

首先，它可以根據不同的行駛條件自動調整擋位，使電動機在最佳工作狀態下運行，有助于提高電動機的工作效率，從而降低能耗。

其次，多擋電驅動系統可以在不同的行駛條件下提供對應的轉矩和轉速，實現更加平穩、高效的駕駛體驗，使得電動汽車在加速、爬坡和高速行駛等場景下均能表現出良好的性能。

此外，由于多擋電驅動系統能使電動機在最佳工作狀態下運行，減少電動機長時間在極限狀態下工作的可能性，從而降低電動機的磨損，延長其使用壽命。

同時，多擋電驅動系統通過精確調整擋位，使電動機始終保持在高效率工作區間，有助于降低損耗，提高續駛里程。

最后，多擋電驅動系統的換擋過程相對平穩，有助于提高駕駛舒適性，使駕駛者在駕駛過程中感受更加輕松愉快。

多擋電驅動系統有助于傳動系統配置的優化，提高電動汽車的工作效率、駕駛性能和舒適性，并降低能耗，延長電動機壽命，帶來電驅動總成的輕量化、緊湊化，降低成本。這些優點使得多擋電驅動系統在電動汽車領域得到了廣泛關注和應用。

2.不足

多擋電驅動系統具有顯著的優勢，但也存在不足。

首先，相較于單擋電驅動系統，其結構更為復雜，不僅增加了設計和制造的難度，也對維護提出了更高的要求。

其次，結構的復雜性也增加了制造成本。

此外，驅動電動機的調速調扭能力會影響AMT的換擋時間，可能會導致動力中斷。

同時多擋電驅動系統的換擋控制策略比單擋電驅動系統更復雜，需要更高級的算法以確保換擋的平順性和效率，這也增加了開發和調試的難度。由于多擋電驅動系統的結構和控制策略的復雜性，會存在潛在的可靠性問題，如頻繁換擋導致零部件的過早磨損，影響整車的可靠性。

隨著技術的不斷發展和成熟，多擋電驅動系統的設計和控制策略將會得到改善，這些問題也將會得到有效的解決。

多擋電驅動系統換擋臺架試驗

1.換擋試驗必要性

換擋試驗可以評估電驅動系統在不同工況下的換擋性能及壽命，如換擋的平順性、響應性以及對電動機工作狀態的影響等，這對于優化電驅動系統的換擋控制策略，提高換擋性能具有重要意義。

其次，換擋試驗是驗證電驅動系統設計方案的重要手段。通過換擋試驗，可以觀察到電驅動系統在不同工況下的換擋行為，如換擋時間、換擋沖擊和換擋效率等，可以驗證換擋機構設計的正確性和實用性，對設計中可能存在的問題進行及時發現和修正。

此外，換擋試驗可以在早期階段發現存在的異常并解決問題，提高研發效率，避免在后期因為相關異常而需要進行大范圍的修改。同時，換擋試驗可以評估電驅動系統在極限工況下的安全性，如在高速、高頻換擋等極限工況下電驅動系統的穩定性和耐用性。

最后，在某些地區，進行換擋試驗并滿足相關性能指標是電動汽車上路的必要條件，可以確保電驅動系統滿足相關法規的要求。

總的來說，換擋試驗是電驅動系統研發過程中的重要環節，對于提高電驅動系統的換擋性能及壽命、保證安全性、提高研發效率有著重要的作用。

2.電驅動系統換擋試驗臺架結構

電驅動橋換擋試驗臺架結構主要包括電驅動系統、電池模擬器、冷卻裝置、輪端驅動測功機、采集系統、控制系統以及支架結構等，如圖5所示。

圖5 換擋試驗臺架示意

電驅動系統是臺架試驗的主要測試對象。電池模擬器為整個系統提供動力電源，冷卻系統可為整個電驅動系統（含電動機和減速器）提供冷卻。輪端驅動測功機主要為試驗提供穩定的輸出轉速。采集系統則用于測量電驅動系統的各種性能參數，如轉速、電流、電壓及位移等。而控制系統則用于控制整個換擋過程。最后，支架結構用于固定和支撐上述各個部分，具有良好的穩定性和承載能力。

電驅動橋換擋試驗臺架結構對于換擋試驗的成功執行起著關鍵作用。其合理的設計和配置不僅能夠模擬實際的駕駛環境，還能夠準確測量電驅動系統在各種工況下的性能參數，為優化電驅動系統換擋機構的設計和控制策略提供可靠的數據支持。

3.換擋試驗

電驅動系統換擋的核心在于換擋的時機、方法以及成功率，所以換擋試驗的重點是換擋策略的控制，試驗中通過控制電驅動系統的換擋電動機，實現擋位之間的切換。

換擋試驗的控制需要考慮電驅動系統的工作狀態、換擋時間、換擋的平順性和車速等因素。在試驗過程中，通過采集電驅動系統的工作參數，如轉速、電流、換擋位移等數據來對電驅動系統的換擋性能及壽命進行評估。這些控制原理需要通過合理的控制系統和算法來實現，以達到對電驅動系統換擋試驗的精確控制，保證試驗的可靠性和準確性。

試驗前，首先將電驅動系統與其整車實際安裝等同或相近的方式牢固安裝在試驗臺上，輪端連接測功機，并連接好相應的動力源、冷卻系統、控制和采集裝置等。然后，調試好電驅動橋系統與控制采集系統之間的通信，根據制定好的試驗方案，進行試驗。

試驗中，由輪端測功機提供轉速以保證在換擋過程中輪端轉速保持穩定，電驅動橋系統的電動機同時提供對應的輸入轉速。在換擋時，控制系統發出指令，電驅動系統切入空擋，此時輸入電動機根據自身的調速能力，在規定的時間內調整至要求的同步轉速后，再將電驅動系統進行掛擋，完成一次擋位的切換。

在整個試驗過程中，采集并監控整個過程中的轉速、電流、位移等需要的數據，以評估換擋的成功率和平滑性。

換擋試驗流程如圖6所示。

圖6 換擋試驗流程

試驗過程中電驅動系統發生若選換擋動作不到位、換擋異響、輸入軸轉速異常波動、潤滑油油溫異常升高或其他不受控制等異常情況，則終止試驗。在試驗結束后進行數據分析，來評價電驅動系統的換擋壽命及性能，并為其設計和控制策略的優化提供可靠的依據。

結語

隨著電動汽車技術的快速發展，多擋電驅動系統的設計和應用已成為行業研究的重點，在降低對動力電池和驅動電動機要求的同時，提高車輛的加速性、最高車速以及續駛里程，提升電動汽車的駕駛性能和舒適性，滿足更多的駕駛需求。

隨著電驅動系統控制技術的進步，多擋化電驅動系統未來的發展需要更高效的換擋控制策略，實現更平順、快速的換擋過程，提高電動汽車的駕駛體驗。同時也需要更復雜的多擋結構來適應復雜的駕駛環境和需求，提供更多的駕駛模式并提高能源利用率。多擋電驅動系統與電動汽車的能源管理系統緊密配合，通過智能的能源管理策略，汽車會根據駕駛條件和電池狀態，自動選擇匹配最合適的擋位。

電驅動系統的換擋性能及壽命直接影響到電動汽車的駕駛體驗，因此換擋試驗對于多擋電驅動系統擋位的開發和優化具有重要的作用。換擋試驗能夠有效地評估電驅動系統的換擋性能及壽命，檢測換擋過程中可能出現的問題，并為設計和優化換擋控制策略提供數據支撐。換擋試驗不僅可以幫助理解電驅動系統的工作原理和性能特點，還可以驗證和改進電驅動系統的擋位設計，以確保其能夠滿足使用壽命和安全性的要求。

因此，換擋試驗是多擋電驅動系統研發過程中不可或缺的一個環節，對于提高電驅動系統的性能以及推動電動汽車技術的發展，都有著重要的作用。