电动汽车变速器现状及发展趋势

电动汽车变速器现状及发展趋势

文章来源:汽车动力总成 点击数:75 发布时间:2019-12-13
目前,全球主流纯电动汽车均采用电机匹配单级减速器的架构。从结构上来说,单级减速器不需要换挡机构、同步器和离合器,结构相对简单且容易实现。
电动汽车变速器现状及发展趋势

电动汽车变速器的作用——概念

传统变速箱作为协调发动机转速和车辆实际行驶速度的变速装置,用于发挥发动机的最佳性能。具体来说,由于发动机的合理转速区间较窄(一般在1000-4000rpm左右),转速过低则无法输出转矩,而一旦发动机转速过高则会处于一种低效的工作状态,所以在行驶时,燃油车需要通过换挡来调整减速比,从而使转速保持在合理的工作区间。于燃油车而言,没有变速箱,车辆便无法正常行驶。

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电动汽车并不是没有变速箱,减速器可以理解为单速变速,这其实也是一种变速箱。由于电机的工作范围较广(一般在0-15000rpm)。在低转速甚至零转速下也可以输出很大的转矩,高速时能够输出恒功率。因此电机特性能够基本与车辆需求吻合,无需增加多挡变速器,只需增加一个单级减速器或者两挡变速器即可。目前,全球主流纯电动汽车均采用电机匹配单级减速器的架构。从结构上来说,单级减速器不需要换挡机构、同步器和离合器,结构相对简单且容易实现。

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电动汽车变速器的现状及发展趋势

目前,国内大部分纯电动车都没有物理意义上的变速器,很多人可能看到部分车的档把以及在仪表上看到有档位显示,但实际上那些都是迎合消费者的模拟档位,电动机本身并不需要齿轮变速机构的辅助就能在各个转速下稳定工作。另外,纯电动车也不能搭载普通的变速器,主要原因是普通变速器的体积和重量相对于电动车而言太大,本来电池组就把整个底盘空间占掉了,压根就没有过多的安放空间;其次是传动效率不够高!以传动效率较高的双离合变速器为例,实际传动效率在87%左右,这就意味着原本电池组100公里的续航里程,传到车轮后就只剩下87公里了。同时,考虑变速器的重量因素,可能也会使实际续航里程下降!

鉴于以上情况,市面上的纯电动汽车基本上都是单速变速器,如特斯拉、宝马i3、北汽电动车、启辰晨风、比亚迪e5、帝豪EV、腾势等。优点是:成本低、结构简单易安装、故障率小、动力损失小、体积小。缺点是:当电动汽车的速度到达极限之后没有提升空间,所以电动车的速度受到制约,单一传动比通常无法同时兼顾纯电动汽车的动力性和经济性。当前,在NEDC工况下,电驱动的效率在84%左右,尤其在最高或最低车速以及低负荷条件下,电驱动效率一般会降至60%~70%以下,严重浪费电能而减少续驶里程;另一方面,在车辆高速行驶时,电机需要维持极高转速,这又会带来噪声、NVH等机械问题。

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为了提高电驱动的效率,同时平衡电机的成本,使用两档减速器是一大途径,也是未来的主要趋势。两挡减速器可以把电机的效率分成两部分,既能保证低速大扭矩加速过程中的效率,又可以兼顾高速低扭矩时的效率。据预测,到2030年前,电动汽车将占超过80%的中国汽车产量。混合动力汽车仍将搭载AT、DCT以及ECVT;纯电动汽车短期内以减速器为主流,二级变速器为趋势。对于混合动力来说,变速器仍是核心零部件。混动汽车AT,DCT都可以搭载,但需特别改造。ECVT结构简单,传动效率高,舒适性好,可以预见在专利保护到期后,ECVT的市场份额将大幅增加,DCT短期内主驱动前后置方案可行性高,长期趋势为集合程度高的BSG+DCT奇数轴电机结构。对于纯电动来说,二级变速器为趋势。短期内由于技术原因,市场上的纯电动汽车变速器几乎都为单级减速器,长期来看,二级变速器能够更好的提高电机效率,高速性表现更好,已成为趋势。

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目前Schaeffler、ZF、GKN等都推出了两档减速器,量产的长城WEYP8和长安CS75PHEV都在后桥上配备了Schaeffler的行星齿轮结构两档减速器。以某品牌为例,两档减速器通过1档选用大速比14.8,起步时扭矩更大,百公里加速时间更短;2档选用小速比5.05,车速上升后,通过降挡还能持续获得电机大扭矩的加持,使车速继续提高,这就兼顾了加速性和最高车速等两方面的需求。同时数据显示,电耗能够降低6.3%,电池能量可以减少8%,续驶里程增加6.4%。

电动汽车两档减速器的四种技术路线

同步器换挡(AMT)

同步器换挡的两档变速器由输入轴,中间轴、差速器、一档齿轮组、二档齿轮组和同步器组成。其中输入轴与电机连接,轴上布置一档和二档的主动齿轮;中间轴布置一档和二档的从动齿轮,以及主减主动齿轮;差速器实现左右车轮的差速行驶;同步器布置于中间轴两齿轮之间,有的结构也将同步器布置在输入轴上。同步器的换挡可通过电机控制或液压控制等。

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通过同步器的左右移动实现不同档位的切换,变速器以不同传动比输出动力,从而保证整车更优秀的动力性和燃油经济性,让电机尽量工作在其高效率区间。同时,同步器换挡最大的缺点就是换挡时存在动力中断,但电机的调速特性相比较发动机的调速特性更加灵敏,可以更好的解决动力中断问题。

同步器换挡的两档变速器相比较于单档变速器的结构仅多出一套齿轮组、一套同步器及其执行机构,从结构的简易程度和成本考虑,确实为目前两档减速器的较优方案。

单离合器结构

单离合器换挡的两档变速器具有两个分开的离合器,分别控制两个档位的动力输入,这种两档变速器由输入轴、中间轴、差速器、一档齿轮组、二档齿轮组和离合器组成。

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其中一档主动齿轮固定在输入轴上,一档从动齿轮与离合器外毂连接,离合器内毂与中间轴连接,通过离合器的分离与接合,实现一档动力的传递和中断;二档主动齿轮与另一个离合器的外毂连接,离合器的内毂与输入轴连接,二档从动齿轮固定于中间轴上,同样是通过离合器的分离与接合,实现二档动力的传递和中断。

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采用两个单离合器进行换挡,可采用湿式或者干式离合器,离合器的分离与接合平顺,可实现无动力中断换挡,整车舒适性更好。

双离合器结构

双离合器换挡的两档变速器主要零部件为一个双离合器机构。发动机与双离合器的外毂连接,一档主动齿轮和外输入轴连接,二档齿轮和内输入轴连接。一二档从动齿轮均固定在中间轴上,中间轴上又连接差速器。

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若汽车的一档运行,此时离合器C1处于结合状态,C2处于分离状态。当汽车达到一档升二档的换挡点时,离合器C1开始分离,C2开始结合,直到C1完全分离,C2完全结合,换挡操作结束。同理,若二档降为一档,此时离合器C2分离,C1结合。控制器根据车辆状态决定是进行升档还是降档操作,在换挡过程中,只需两个离合器进行切换,即完成换挡操作。

行星齿轮结构

以单排单级行星齿轮机构为例,其结构主要包括太阳轮、行星架、齿圈、离合器和制动器。

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其中,电机输入轴与行星齿轮机构的太阳轮连接,行星架同输出轴连接。离合器的内毂位于输入轴,外毂与行星架连接;制动器一端连接箱体,一端连接齿圈,用于制动齿圈。

当离合器打开,制动器关闭时,电机的动力传递到太阳轮,太阳轮带动行星齿轮的转动,但由于齿圈已被制动器固定,所以行星架被带动旋转,将动力传递到输出轴,此时变速器处于一档。由行星齿轮机构的特性可知,此时为定传动比,减速增扭。

当离合器关闭,制动器打开时,离合器将行星齿轮机构的太阳轮和行星架连接为一个整体,行星轮系整体转动带动输出轴,此时变速器处于2档,传动比为1,也即2档位直接档。

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当离合器打开,制动器关闭时,电机反向旋转,可实现整车倒车行驶。

两档变速器基本结构对比

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电动汽车变速器的最终发展趋势

多档化:现有电机特性很难满足所有工况下的整车动力性、经济性需求,搭载多挡变速器可以有效调节电机的输出表现。

高速化:通过提高电机的工作转速,采用适当的变速系统及控制策略,可以使回馈制动的允许范围拓宽,从而适应更多工况,使整车节能更加有效,提高续驶里程。目前很多主机厂的驱动电机最高转速已达14000rpm以上,随着驱动电机高速化的发展,电动汽车变速器的高速化也将成为一种趋势。

模块化:电机、变速器、控制器集成一体,使整车结构更紧凑、性能更优异,便于控制和降低成本。模块化机电耦合传动系统的集成设计和管理控制是电动汽车动力传动系统的发展方向。