變速器在新能源電動車上的應(yīng)用分析

吳亮

摘 要：變速器是傳統(tǒng)內(nèi)燃機汽車的關(guān)鍵部件，而目前一般的新能源電動車大多取消了變速器。本文從電動機和內(nèi)燃機的特性差異、純電動車匹配變速器的特點分析、匹配于純電動車變速器的發(fā)展趨勢、帶AMT純電動系統(tǒng)介紹四個方面進行分析變速器在新能源電動車上應(yīng)用特點。

關(guān)鍵詞：變速器;新能源電動車;應(yīng)用分析

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

1 電動機和內(nèi)燃機的特性差異

從卡爾本茨發(fā)明第一臺內(nèi)燃機車，到現(xiàn)在經(jīng)過了一百多年的發(fā)展，內(nèi)燃機已經(jīng)發(fā)展成一個復(fù)雜的系統(tǒng)，現(xiàn)代內(nèi)燃機的性能已經(jīng)較強勁，但是其存在以下特性：（1）低轉(zhuǎn)速下無法輸出轉(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)。為了解決這兩個問題，配置離合器切斷阻力，使內(nèi)燃機可以在無負載的情況下啟動，配置的變速器通過換檔，從而使內(nèi)燃機的轉(zhuǎn)速經(jīng)常處在工作范圍，能夠順暢地工作。

電動汽車的電動機，具有以下兩個相應(yīng)的特點：（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，電動汽車即使沒有離合器與變速器也能正常工作，而匹配內(nèi)燃機的整車必須有變速器才能正常工作。

2 純電動車匹配變速器的特點分析

車輛設(shè)計的基本目標(biāo)就要滿足動力性和經(jīng)濟性指標(biāo)，同時設(shè)計車輛和銷售車輛都會高度關(guān)注成本，以下就從這三個方面逐一分析。

2.1 動力性

定性的來看，在現(xiàn)階段的商業(yè)環(huán)境下，電動汽車為了取得市場，一般要具備很高或較高的動力性，簡單的來說就是用更大的電機。從基礎(chǔ)參數(shù)來看，匹配變速器的純電動車選用的電機功率較低，直驅(qū)模式的電機功率較大。但匹配變速器的純電動車，能通過變速器的換擋，在低轉(zhuǎn)速時增大輸出扭矩，在高轉(zhuǎn)速時將電機轉(zhuǎn)速更多的放在恒功率轉(zhuǎn)速范圍。因此，在相同電機扭矩的情況下，匹配變速器的純電動車的爬坡性會更好，也能獲得更高車速，動力性更好。

2.2 經(jīng)濟性

在車輛正常運行時，直驅(qū)模式的電動車經(jīng)濟車速范圍較小，在經(jīng)濟時速區(qū)間，整車能耗較低。但在低于最小經(jīng)濟車速、以及高于最大經(jīng)濟車速時，匹配變速器的純電動車有優(yōu)勢，整車能耗較低?？傮w而言，在綜合工況下，匹配變速器的純電動車的能耗較低。電池是電動車的核心部件，同時也占了整車成本的較大比重，因此匹配變速器的純電動車節(jié)約的電能不應(yīng)以價格計算，而是直接增加了續(xù)航里程，在相同電池規(guī)格的情況下，不增加車輛成本，同時提高了整車經(jīng)濟性。

2.3 成本

從成本上來講，扭矩偏小時，匹配變速器的純電動車成本相對較高;但扭矩偏大時，匹配變速器的純電動車的成本比直驅(qū)模式的要低。所以純電動車扭矩越大，如重載商用車，匹配變速器的純電動車的成本優(yōu)勢越明顯。在同等動力性的情況下，匹配變速器的純電動車，可以依靠更小扭矩的電機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，而電機扭矩的大小對電機成本的影響非常大，扭矩小的電動機，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車使用的電池容量更小，電池容量的大小對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車的成本更有優(yōu)勢。

3 匹配于純電動車變速器的發(fā)展趨勢

從新能源純電動車匹配變速器的扭矩來看，乘用車電動機扭矩小，可匹配2檔變速器，商用車電動機扭矩大，特別是重載商用車可匹配多檔變速器，應(yīng)按照新能源純電動車的需求開發(fā)相應(yīng)的變速器。

從新能源純電動車的智能化發(fā)展方向來看，整車需要匹配自動變速器。以目前變速器的技術(shù)路線分析，按照滿足新能源純電動車的整車特性，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則具有成本相對較低、技術(shù)成熟且換擋品質(zhì)高的優(yōu)點，適合新能源純電動車的工況，可以按此路線進行開發(fā)。

從整車的舒適性、可靠性上看，直驅(qū)模式的車輛會更舒適，而匹配AMT變速器的純電動車由于換擋存在動力中斷，會略微降低舒適性;匹配AMT變速器的純電動車相對于直驅(qū)模式，由于總成復(fù)雜度更高，也就理論上降低了可靠性。因此需要通過技術(shù)優(yōu)化來進一步提高AMT變速器的性能。

4 帶AMT純電動系統(tǒng)介紹

基于AMT技術(shù)的純電動系統(tǒng)總成，以電機來驅(qū)動，AMT變速器與電機同軸連接。通過利用變速器調(diào)速增扭的特性，從而實現(xiàn)匹配較小電機達到直驅(qū)大電機的效果;同時讓車輛具有更好的適應(yīng)性和更高的效率，帶AMT純電動系統(tǒng)如下圖所示。

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

（1）轉(zhuǎn)速達到換擋點后，AMT控制系統(tǒng)通過CAN總線向驅(qū)動電機控制器發(fā)出扭矩漸變控制模式請求，當(dāng)電機驅(qū)動扭矩降低后，電機處于自由模式。

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

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

（4）在目標(biāo)轉(zhuǎn)速達到后，AMT變速器系統(tǒng)向電機控制器發(fā)出電機自由模式請求。

（5）確認(rèn)電機處于自由模式后，AMT完成換擋操作。

綜上所述，新能源電動車匹配變速器能夠提高整車的動力性、經(jīng)濟性、同時降低成本，但為了能夠使整車發(fā)揮出這些優(yōu)勢，需要對變速器相應(yīng)技術(shù)優(yōu)化，使其性能達到與電動機直驅(qū)的電動車接近的水平。