純電動(dòng)汽車(chē)究竟要不要多擋三合一電驅動(dòng)系統？

目前，單擋減速器電驅系統在市場(chǎng)上占領(lǐng)絕對的地位，但是國內外諸多公司正在研發(fā)或已有應用多擋位的系統，之前也寫(xiě)過(guò)《采埃孚最新電動(dòng)車(chē)2擋三合一電驅總成的“解讀”》。為什么這么多公司都在做多擋系統，對整車(chē)和三合一電驅動(dòng)系統帶來(lái)了哪些優(yōu)勢？多擋會(huì )不會(huì )導致整車(chē)應用成本上升？多擋電驅系統今后的研發(fā)方向又在哪里呢？

為了說(shuō)明多擋位電驅動(dòng)系統的優(yōu)勢，我們從電機的典型特性和整車(chē)需求出發(fā)，從動(dòng)力性和經(jīng)濟性?xún)蓚€(gè)方面，淺析單一擋位電驅系統在整車(chē)應用中遇到的瓶頸。

單擋在動(dòng)力性上的瓶頸

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

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

圖1

當然，也可以說(shuō)“選一個(gè)牛逼的電機和控制器”，但這意味著(zhù)電機、控制器甚至電池包的成本和設計要求的提升。為了同時(shí)滿(mǎn)足Area I和Area II ，假設兩種組合：

1）若選擇一個(gè)小的速比+大扭矩的電機。對于電機，這直接意味著(zhù)其體積重量的增加，伴隨著(zhù)溫升性能變差，這意味著(zhù)系統損耗的增加，以及物料成本、選型成本和試驗成本的提高（#話(huà)題太大...感興趣的話(huà)，這一塊內容我們后續可展開(kāi)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(lái)?yè)p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+高轉速的電機。對于電機，需要嚴格控制其感應電勢，重新校核轉子、旋變和軸承極限轉速，避免因此失效導致的破壞、漏脂和扭矩無(wú)法輸出等風(fēng)險；對于控制器或電池，可能需要提高母線(xiàn)電壓或改變調制系數來(lái)保證高速區的弱磁深度，使扭矩順利輸出。

綜上，多擋位變速器的匹配，使電驅系統具有更寬的輸出轉速和扭矩范圍，可以在幫助整車(chē)實(shí)現性能需求的同時(shí)，一定程度降低對電機、電控和電池的成本和設計難度。

單擋在經(jīng)濟性上的瓶頸

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

圖2

對于純電動(dòng)車(chē)，從諸多整車(chē)路譜得到的統計數據獲得：約有40%~65%的工況比重放在中低轉速和較低負載的在城市工況下，特別是，對于出口歐洲的車(chē)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(zhù)增加了電機電控高效區的應用面積。下圖3是某兩擋變速器應用對于高效區的應用區域提升示意圖，供參考。

圖3

“多擋位帶來(lái)哪些優(yōu)勢”

→從整車(chē)角度:

? 更牛逼的整車(chē)起步性能：低速加速性能

? 更牛逼的超車(chē)性能：中高速加速性能

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

? 較優(yōu)的續航里程：通過(guò)速比調配電機電控工作在高效區

? 更”安靜“的噪聲表現：多擋位一方面降低了對電機電控的轉速需求，另一方面降低了對減速器單個(gè)動(dòng)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：對加速性能和極高轉速均有需求的車(chē)型，或者對于在極端坡度和負載需求的應用路況，多擋位電驅系統是一個(gè)較優(yōu)的解決方案。

→從電驅動(dòng)總成角度

? 降低了對電機扭矩需求，即體積重量的需求，削減了物料成本

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

? 降低對控制器容量需求，即設計難度和重量的需求，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軸承的可靠性的要求

? 降低對電機和控制器高速需求，一定程度優(yōu)化噪聲和振動(dòng)問(wèn)題

多擋電驅系統帶來(lái)哪些"弊端"

目前主流的觀(guān)點(diǎn)認為多擋減速器的應用會(huì )對整車(chē)應用帶來(lái)如下"弊端":成本上升、重量增加、額外的損耗（換擋執行系統）、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角度思考：

1） 成本上升

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

• downsize了電機電控，削減了物料成本

• 降低了電機極限性能需求，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，削減了耐久試驗成本（時(shí)間更短）

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

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

綜上來(lái)看，多擋“帶走”的成本可能會(huì )＞“帶來(lái)”的成本。（#關(guān)于這個(gè)話(huà)題只做定性分析，若感興趣，后續我們可展開(kāi)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(zhù)重量的增加；但是速比寬度的增加可以改善電機、電控的downsize，究竟增加與否，需要系統地考慮。

3） 額外的損耗

由于換擋執行系統的應用會(huì )帶來(lái)額外的損耗，但是這部分損耗與其“節約”下的相比，微不足道，這方面可以參考以下文獻：

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

多擋位電驅系統避不開(kāi)的“坎”，但是沒(méi)有什么問(wèn)題是解決不了的，國內外對于換擋中斷已有諸多方案，究竟選用哪個(gè)？我們后續專(zhuān)題解讀。

到此，關(guān)于文章題目所談的問(wèn)題應該已有答案，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(dòng)力性→經(jīng)濟性→舒適性→可靠性”的優(yōu)先級，一張圖概括純電動(dòng)汽車(chē)多擋電驅系統研發(fā)方向：

一句話(huà)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(shuō)設計邏輯是一條路走到底的，我們不斷迭代、不斷優(yōu)化。

舉例說(shuō)明：成本和動(dòng)力性因素考慮完成后，我們可以得到初步的電機、電控和減速器參數，但是，在第3環(huán)節發(fā)現速比的調配不足以發(fā)揮電機電控高效區的優(yōu)勢，這時(shí)候可能要重新回到第1步，通過(guò)調整銅/鐵比重，移動(dòng)系統高效區，這個(gè)過(guò)程可能又會(huì )對動(dòng)力性產(chǎn)生影響，這時(shí)候就需要系統來(lái)平衡。

寫(xiě)在最后：

關(guān)于多擋位電驅動(dòng)系統的介紹，網(wǎng)上有大把的資料，遺憾的是，沒(méi)能看到系統、完整、清楚的解釋?zhuān)@也是萌發(fā)寫(xiě)這篇文章地原因。

當然，還有另外一個(gè)目的，是作為后續”2擋三合一電驅系統產(chǎn)品開(kāi)發(fā)》系列文章的引言，幫助自己整理思路、明確設計需求。

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