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WNEVC 2022 | 宜宾丰川动力科技有限公司董事长陈红旭:电机-变速器一体化电驱动系统的换档技术及在电动汽车中的应用

发布日期:2022-08-29   来源:中国汽车工程学会   作者:邵华   浏览次数:584

由中国科学技术协会、北京市人民政府、海南省人民政府、科学技术部、工业和信息化部、生态环境部、住房和城乡建设部、交通运输部、国家市场监督管理总局、国家能源局联合主办的第四届世界新能源汽车大会(WNEVC 2022)于8月26-28日在北京、海南两地以线上、线下相结合的方式召开。其中,北京会场位于北京经济技术开发区的亦创国际会展中心。

大会由中国汽车工程学会等单位承办,将以“碳中和愿景下的全面电动化与全球合作”为主题,邀请全球各国政产学研界代表展开研讨。本次大会将包含20多场会议、13,000平米技术展览及多场同期活动,200多名政府高层领导、海外机构官员、全球企业领袖、院士及行业专家等出席大会发表演讲。

其中,在8月28日上午举办的技术研讨会“新能源汽车电驱动技术创新”上,宜宾丰川动力科技有限公司董事长陈红旭表专题演讲。
陈红旭
以下内容为现场演讲实录:

大家好,今天非常高兴能够在此分享,我今天演讲的题目是电机、变速器一体化电驱动系统的换挡技术在电动汽车当中的应用。

首先我们回顾一下这两天讨论的电驱动系统技术进步的方向,可以看到这样几个主要趋势,第一是高压化,第二是高速化,现在普遍在16000转以上,第三是扁线,现在占有40%-50%的市场份额,还有碳化硅,现在很多人预测说到2024年碳化硅成本跟IGBT会达到一致,最后是油冷。还有在传动系统里面使用低阻力的润滑技术。但是这些技术是否足够来驱动电驱动系统的技术进步,我想还不够。我觉得下一步电驱动系统进步还有一个很重要的方向,就是传动系统多挡化。

多挡电驱动好处是什么?可以从现在的PPT上的图看到,如果在电机后面使用两挡变速器,可以扩大电机转速和转矩的输出范围,可以提升整车最高车速,转矩提高就提高了整车爬坡度以及加速能力。通过两挡的应用,可以提升整车的动力性。此外,通过对电机的工作点进行调整,可以看到右下角这个图,高速下的效率已经下降,使用换挡可以把电机速度降下来,同时把效率提上去,进而提高整个车辆的经济性,在同样电池容量的情况下让车跑的更远。第三个,可以降低对驱动电机最大扭矩和最高转速的要求,能够把驱动电机做的更小,这是一种降低成本的方案。还有更重要的是避开了刚才讲的各种各样的因为高速化带来的问题,进而降低对高速旋转件失效的风险。还有随着扁线电机的应用,趋肤效应也是个难题,怎样降低转速和提高效率,我想也是多挡化所带来的好处。虽然说多了一个变速箱,但实际上可以把电机做的更小,这样就能降低整个电驱动总成的重量、体积和成本。还有一个很重要的,刚才华为彭总讲了异步电机,异步电机也可以匹配多挡变速箱覆盖更多工况。包括整车检修的时候,由于有了空挡,实际上对整个电驱动总成都是一种保护。

这是目前多挡电驱动已有的技术路线,国内外的公司或多或少现在都在探索多挡电驱,他们都有一个特点,就是带离合器或者带换挡器的技术,这样的技术是为了缩短换挡过程中的时间,减少冲击,但是成本太高,现在在乘用车领域还没有大规模推广起来。

我们在探索电动车用的变速器的结构能不能够进行简化,做的足够简单。我想还是追本溯源,回到平行轴式的机械变速器,它是国内工艺最成熟的方案,而且可靠性比较高,效率也比较高。变速箱在全球汽车史上已经用了上百年,我想再做进一步的简化,把它做成没有离合器和同步器的变速器,让成本进一步降低,可靠性大幅度提高。这种结构的变速箱在电动商用车的发展历史上已经得到了应用,比如说现在电动环卫或者电动重卡上面用的就是这样的产品。我们公司也有相应的产品,比如4T1400四挡电驱动总成用于18-25吨的电动环卫以及物流。

问题是这种构型足够简单和成本足够低的总成能不能够用于电动乘用车?我想回答这个问题还是要分析一下系统本身所带来的痛点。这种系统构型本身决定在换挡过程中存在着动力中断和换挡冲击。国外大公司的构型里面包括了离合器,有的时候是DCT构型就是为了消除换挡冲击和缩短换挡时间。现在我们把机械结构做了足够简化,把离合器和同步器拿掉,换挡时间能不能保障,商用车里面很多时间是0.8秒左右,顿挫感不是那么强,商用车也不是那么在意,我们在商用车里面就推广应用了,舒适性不是很好。

这种构型能不能够解决换挡过程中的痛点,从而在乘用车进行应用呢。我可以再做一个分析。我们可以看到在燃油车传统AMT里面,换挡过程中是控制换挡力;在电动汽车,电机可以主动调节转速,实现转速同步,可以取消离合器,电机可以同步调节转速和转角,实现转速同步和转角对齐,再进一步取消同步器。随着汽车电动化的历程,多挡箱实际上也是在机械结构上越来越简单,但是控制系统上越来越复杂。可以看一下我们核心的控制思想,这个图的横轴是相对的转角,纵轴第一个图是时间,第二个是换挡冲击,A点是转速同步和转角对齐,B点因为转角没同步,出现了打齿,若干化冲击以后实现结合,时间比较长,冲击也比较大。C点是在顺齿方向可以看到比B点略好一点,但是也有冲击,我们就想这样一种特性,能否设计的每次换挡都像A点一样,转速同步,转角也对齐,进而实现无冲击的换挡。于是提出一套基于转速同步和转角对齐的快速换挡方法,在同一个时刻实现转速、转角双同步。我们可以看到这样一种换挡过程,首先是进行摘挡,在空挡的时候让目标挡位齿速快速对齐,进而实现无冲击的结合,解决了在电动汽车中引入变速器所导致的换挡过程,动力时间长、冲击大的痛点,就是他有希望应用于电动乘用车当中。

可以看看下面基于多物理场模型,多模式切换控制算法是怎么实现的。首先对多挡电驱动EM系统建模,对换挡过程进行建模,对阻力进行观测,并且对整个系统特性做分析,然后在控制算法引入自适应,做了一些补充算法,使得系统在不同的工况以及不同阻力,以及路面扰动下都能够实现快速平稳的换挡。在软件架构中包含对环境的感知,解析车辆的转速、转矩以及所处的坡度,然后根据车辆状态进行决策,包括换挡点的决策,以及行为触发的机制,还有包括换挡过程的控制,以及对执行机构的控制,实现了控制算法的鲁棒性。

我们在整个的硬件上面,已经完成控制器DV测试,包括硬件在环测试、EMC试验、电气性能测试、机械疲劳试验、热疲劳试验、耐腐蚀性测试、连接器测试等等,并搭载到后桥驱动总成完成台架测试和整车调试,并通过道路测试完成整车质量辨识算法标定、坡道辨识算法标定、动力性/经济性/舒适性测试,满足各项法规要求。后面是我们实车测试的换挡过程曲线,并且在WLTC工况测试下经济性提升了7%。

最后感谢大家的聆听,谢谢!(来源:中国汽车工程学会)



(注:本文根据现场速记整理,未经演讲嘉宾审阅) 

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