雙電機(jī)動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)

許 坤

（特百佳動(dòng)力科技有限公司，上海 201501）

1 雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)分析

與傳統(tǒng)商用車相比，新能源商用車以驅(qū)動(dòng)電機(jī)和電池包代替發(fā)動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力源。在傳統(tǒng)方案結(jié)構(gòu)上，純電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在整車空間需求上與發(fā)動(dòng)機(jī)相比有增無(wú)減，需要結(jié)構(gòu)更加緊湊。在傳統(tǒng)方案性能方面，電機(jī)的效率區(qū)間比柴油發(fā)動(dòng)機(jī)和汽油發(fā)動(dòng)機(jī)更廣，且效率更高。冷卻方案上，發(fā)動(dòng)機(jī)的風(fēng)冷系統(tǒng)顯然不適用該系統(tǒng)，而水冷電機(jī)在結(jié)構(gòu)上空間占用率大。因此，該系統(tǒng)直接采用主動(dòng)油冷和熱交換器增加冷卻效果。換擋方案上，傳統(tǒng)的機(jī)械式自動(dòng)變速器（Automated Mechanical Transmission，AMT）在選換擋時(shí)，由于發(fā)動(dòng)機(jī)或者新型商用車變速器的單電機(jī)為唯一動(dòng)力源，整車進(jìn)行升降擋時(shí)，同步滑套或同步器必須進(jìn)入中間位置進(jìn)行換擋，導(dǎo)致整車存在動(dòng)力中斷。因此，該方案采用雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)，同時(shí)采用雙中間軸布置，在整車換擋時(shí)，若其中一邊中間軸上的滑動(dòng)齒套處于中間位置（無(wú)動(dòng)力傳輸）時(shí)，另一邊中間軸的滑動(dòng)齒套仍然處于擋位狀態(tài)（另一電機(jī)提供動(dòng)力），仍然可為整車提供動(dòng)力。電氣方案上，雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的控制單元與整車的控制單元采用同類型控制信號(hào)傳遞，更加便捷，可行性高。

2 雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)電驅(qū)動(dòng)自動(dòng)變速器（Electricdrive Mechanical Transmission，EMT）主要包括雙電機(jī)、變速箱、變速箱控制單元（Transmission Control Unit，TCU）以 及 電 機(jī) 控 制 器（Micro Controller Unit，MCU）[2]。變速箱又包括換擋機(jī)構(gòu)、取力器、各類傳感器、電子油泵以及機(jī)械油泵等。如圖1所示，此系統(tǒng)采用多合一的機(jī)械傳動(dòng)方案，雙電機(jī)輸入軸同變速箱輸入軸通過(guò)內(nèi)外花鍵連接，整體布局結(jié)構(gòu)為雙中間軸式。

圖1 雙電機(jī)動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

取力器采用傳統(tǒng)的同步滑套式取力，取力方式為氣動(dòng)取力，輸出法蘭式。換擋機(jī)構(gòu)設(shè)置在變速箱后方，采用氣動(dòng)式換擋。氣壓氣路設(shè)置與取力器具有一致性。系統(tǒng)冷卻（包括雙電機(jī)）采用整體油冷，機(jī)械泵設(shè)置在總成后方，電子泵設(shè)置在電機(jī)下方。TCU設(shè)置在變速箱上方，采用變速箱單獨(dú)控制模塊，通過(guò)控制器局域網(wǎng)絡(luò)（Controller Area Network，CAN）通信，可接收來(lái)自電機(jī)控制器的相關(guān)信號(hào)、輸出換擋位置（設(shè)置有位置傳感器）信號(hào)以及轉(zhuǎn)速信號(hào)（變速箱輸出軸位置設(shè)置雙通道轉(zhuǎn)速傳感器）。

2.1 傳動(dòng)方案設(shè)計(jì)

2.1.1 雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)輸出力的需求計(jì)算

根據(jù)主機(jī)廠整車基本參數(shù)列表和性能指標(biāo)參數(shù)列表進(jìn)行輸出力的計(jì)算[1]。31T級(jí)牽引車基本參數(shù)和31T級(jí)牽引車設(shè)計(jì)性能分別如表1和表2所示。

表1 31T級(jí)牽引車基本參數(shù)列表

表2 31T級(jí)牽引車設(shè)計(jì)性能列表

根據(jù)車輛動(dòng)力學(xué)，汽車風(fēng)阻計(jì)算公式為

式中：爬坡車速的單位為m·s-1，將車速換算為km·h-1，則需要在分母上乘以3.62；ρ為空氣密度，取1.206 kg·m-3。

于是，計(jì)算得近似公式為

結(jié)合式（2）及車輛動(dòng)力學(xué)公式，得

經(jīng)過(guò)運(yùn)算，得Fi,max為90 800 N。

2.1.2 驅(qū)動(dòng)電機(jī)參數(shù)需求計(jì)算

純電牽引車采用直驅(qū)電機(jī)加傳統(tǒng)后橋方案，同時(shí)采用高速電機(jī)（10 000 r·m-1）兼顧極限車速與較大爬坡度需求，開(kāi)發(fā)純電重卡專用雙電機(jī)動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)2EMT，設(shè)計(jì)iR=4.9、i常=4.5、i1=3.6、i2=1.4。

根據(jù)整車基本參數(shù)列表及設(shè)計(jì)性能列表，計(jì)算電機(jī)需求峰值轉(zhuǎn)速

于是，計(jì)算可得Nm,max為9 683 r·m-1。

根據(jù)整車基本參數(shù)列表及設(shè)計(jì)性能列表，計(jì)算電機(jī)需求峰值扭矩

于是，計(jì)算可得Tm,max為578 N·m。

結(jié)合電動(dòng)重卡的應(yīng)用場(chǎng)景與計(jì)算結(jié)果，設(shè)計(jì)2EMT參數(shù)如表3所示。

表3 2EMT參數(shù)列表

2.2 傳動(dòng)方案分析與驗(yàn)證

齒軸材料及其熱處理方式是影響齒軸承載能力和使用壽命的關(guān)鍵因素，也是影響齒軸生產(chǎn)質(zhì)量和成本的主要環(huán)節(jié)。選擇齒軸材料及其熱處理時(shí)，要綜合考慮齒輪的工作條件（如載荷性能的大小、使用工況等）、加工工藝材料來(lái)源及經(jīng)濟(jì)性等因素，以使齒軸在滿足性能要求的同時(shí)最小化生產(chǎn)成本。

應(yīng)用于新能源變速箱的齒軸材料通常有20CrMnTi（分為20CrMnTiH、20CrMnTiHH、20CrMnTiHL）、20CrNiMoH、20CrMo以及20CrNi2Mo等。這些材料主要是滲碳結(jié)構(gòu)鋼，滿足新能源變速箱對(duì)材料的需求，即具有耐磨、芯部硬度高以及表面硬度高等特點(diǎn)。

2.2.1 齒輪材料

結(jié)合2EMT的實(shí)際工況，尤其是與電機(jī)直連的一級(jí)減速齒輪組中的輸入齒具備高轉(zhuǎn)速和低扭矩的特點(diǎn)，而一擋減速齒輪組具備低轉(zhuǎn)速和高扭矩的特點(diǎn)，綜合新能源變速箱的實(shí)際特點(diǎn)，選擇齒軸材料為20CrMnTi。

2.2.2 齒輪分析

基于齒軸分析軟件Romax對(duì)2EMT的所有齒輪和軸承進(jìn)行使用壽命分析。具體的，結(jié)合傳統(tǒng)的齒軸使用壽命分析方法（使用系數(shù)分析）和當(dāng)前新能源變速箱的載荷譜分析方法，對(duì)齒軸使用壽命進(jìn)行分析。載荷譜的相關(guān)實(shí)際工況包括：一擋齒輪組運(yùn)行時(shí)間、轉(zhuǎn)速以及扭矩；二擋齒輪組運(yùn)行時(shí)間、轉(zhuǎn)速以及扭矩；倒擋齒輪組使用一擋齒輪組替代的方法。載荷譜數(shù)據(jù)基于重型變速器壽命指標(biāo)，輸入軸循環(huán)次數(shù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)QC/T 568—2010，折算到2EMT的各個(gè)擋位齒輪的實(shí)際數(shù)據(jù)。如圖2和圖3所示，2EMT的所有齒輪、軸承損傷均未超過(guò)設(shè)置使用壽命的80%（達(dá)到100%開(kāi)始有損傷，但不會(huì)失效），滿足設(shè)計(jì)需求。其中，齒輪損傷總體結(jié)果優(yōu)秀，符合重型齒輪的需求特點(diǎn)。

10、new S-GW更新承載上下文，并向MME返回Create Session Response消息。

圖2 2EMT齒輪壽命分析結(jié)果圖

圖3 2EMT軸承壽命分析結(jié)果圖

2.2.3 齒輪加工

當(dāng)前新能源變速箱的齒軸毛坯主要使用的是自由鍛造，在前期驗(yàn)證過(guò)程中主要使用棒料加工。加工工藝過(guò)程為“棒料粗加工→花鍵加工→制齒→熱處理→磨齒及磨外圓→檢驗(yàn)”。

熱處理過(guò)程中，主要采用的最終熱處理方式有滲碳淬火和碳氮共滲淬火兩種，以保證良好的力學(xué)性能、硬度、有效的硬化層深度以及芯部硬度等。

磨齒及磨外圓過(guò)程中，磨削的精度通常達(dá)到IT6～I(xiàn)T7公差等級(jí)，表面粗糙度一般為0.16～1.25 μm，后續(xù)需去除毛刺并及時(shí)清洗。

檢驗(yàn)過(guò)程中，齒輪精度一般為6級(jí)，少數(shù)齒輪為7級(jí)。結(jié)合GB/Z 18620.1—2008和GB/Z 18620.2—2008的要求，檢測(cè)齒輪的徑向綜合偏差和齒側(cè)等。新能源變速箱齒輪主要檢測(cè)跨棒距、公法線長(zhǎng)度、齒面的粗糙度、單個(gè)齒距偏差、徑向跳動(dòng)偏差以及齒輪修行的誤差等。

2.3 換擋方案設(shè)計(jì)

A樣中試行了24 V電源的直行電機(jī)換擋，過(guò)程中發(fā)現(xiàn)直行電機(jī)換擋存在換擋速度過(guò)快的問(wèn)題，且存在換擋沖擊，長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行存在換擋失效風(fēng)險(xiǎn)。因此，后續(xù)驗(yàn)證過(guò)程中采用氣動(dòng)換擋，氣源氣壓適配整車（700～800 kPa），三缸式氣缸。借用整車氣路匹配2個(gè)進(jìn)氣口和1個(gè)排氣口，如圖4所示。排氣口設(shè)置阻泥塞，防止泄氣灰塵。由換擋機(jī)構(gòu)氣缸軸發(fā)生軸向位移帶動(dòng)同步撥叉，撥叉帶動(dòng)同步環(huán)。環(huán)帶有內(nèi)外齒，內(nèi)齒與軸結(jié)合，外齒與對(duì)應(yīng)齒輪結(jié)合達(dá)到換擋的目的。

圖4 換擋方案

2.4 冷卻方案設(shè)計(jì)

2.4.1 變速箱及電機(jī)冷卻

變速箱及電機(jī)冷卻共用一套冷卻系統(tǒng)，設(shè)置熱交換器作為外置冷卻方案，如圖5所示。采用乙二醇作為常規(guī)冷卻液，冷卻液流量最高可達(dá)25 L·min-1。機(jī)械油泵和電子油泵進(jìn)油口連接在變速箱最低位置，附近設(shè)置放油螺塞，螺塞內(nèi)附帶強(qiáng)性磁鐵，用于吸附2EMT在磨合使用過(guò)程中產(chǎn)生的鐵屑等物質(zhì)。設(shè)置濾清器過(guò)濾，使得進(jìn)油品質(zhì)符合機(jī)械油泵和電子油泵的清潔度要求。機(jī)械油泵布置于變速箱后方，借另一中間軸取力。機(jī)械泵可以在車啟動(dòng)時(shí)立即運(yùn)行。電子油泵布置于電機(jī)下方，通過(guò)TCU控制其轉(zhuǎn)速增加或降低流量。電子油泵主要應(yīng)用在防止在高速運(yùn)行、低速大扭矩、倒車工況以及機(jī)械泵失效情況下電機(jī)發(fā)熱較為嚴(yán)重的工況。電子油泵的使用源電壓與TCU等電子器件保持一致，也可自帶控制單元。

圖5 冷卻方案

2.4.2 電機(jī)控制器及TCU冷卻

電機(jī)控制器采取水冷方式進(jìn)行冷卻，冷卻介質(zhì)為乙二醇。散熱需要使用低溫散熱器、風(fēng)扇、水泵以及膨脹罐等部件。

TCU在大部分車型對(duì)應(yīng)的車況下可自然冷卻。在高溫天氣，長(zhǎng)久運(yùn)行工況下可借助電機(jī)控制器的風(fēng)扇進(jìn)行冷卻。

2.5 電氣方案設(shè)計(jì)

雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)方案CAN拓?fù)淙鐖D6所示。TCU、電機(jī)控制器的信息交互主要通過(guò)CAN進(jìn)行，由整車控制器（Vehicle Control Unit，VCU）作為網(wǎng)關(guān)。其中，TCU控制雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中的所有電子元器件，包括用于檢測(cè)2EMT的轉(zhuǎn)速值和轉(zhuǎn)速方向的雙通道轉(zhuǎn)速傳感器、用于檢測(cè)2EMT的擋位狀態(tài)及撥叉位移距離的位置傳感器、用于檢測(cè)2EMT整體系統(tǒng)油溫的PT1000油溫傳感器、用于控制2EMT整體系統(tǒng)的冷卻油流速的電子油泵、用于控制2EMT后取力器位置的信號(hào)反饋開(kāi)關(guān)、用于控制2EMT整體系統(tǒng)的換擋機(jī)構(gòu)氣路開(kāi)關(guān)和取力器的氣路開(kāi)關(guān)。電機(jī)控制器機(jī)械結(jié)構(gòu)上，直流高壓線連接整車電池作為電源輸入，三相高壓線連接電機(jī)用于電源輸出，同時(shí)用于控制電機(jī)轉(zhuǎn)速和電壓等，配合TCU完成2EMT的正常運(yùn)行。

圖6 雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)CAN拓?fù)?/p>

2.6 邏輯功能與定義

2.6.1 傳動(dòng)邏輯

2EMT共有兩級(jí)減速，一級(jí)減速為常嚙合齒輪減速，另一級(jí)減速為擋位齒輪減速，通過(guò)雙中間軸傳遞至輸出軸。此外，2EMT無(wú)倒擋，倒擋可通過(guò)電機(jī)反轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)（發(fā)動(dòng)機(jī)僅可以正轉(zhuǎn)，因此傳統(tǒng)AMT設(shè)置有倒擋）。

2.6.2 整車邏輯

駕駛員通過(guò)鑰匙開(kāi)啟ON擋，VCU接收駕駛員指令，然后開(kāi)啟整車自檢。自檢完成后，若整車存在嚴(yán)重故障，則不可開(kāi)啟車輛；若無(wú)故障，MCU接收VCU高壓指令開(kāi)啟高壓上電，同時(shí)開(kāi)啟整車?yán)鋮s。TCU同時(shí)接收MCU冷卻指令，并結(jié)合當(dāng)前工況判斷后開(kāi)啟2EMT的電子油泵。

2.6.3 換擋邏輯

駕駛員通過(guò)油門踏板給出VCU升速、降速的指令，TCU與MCU協(xié)同工作完成升降擋。同步器1和同步器2均在空擋，電機(jī)調(diào)速；同步器1和同步器2其中一個(gè)在1擋，電機(jī)調(diào)速，最后升至同步器1和同步器2均在2擋。除起步階段，整個(gè)換擋過(guò)程均有一個(gè)同步器在擋，全過(guò)程無(wú)動(dòng)力中斷，有助于整車爬坡、下坡以及超車。

2.7 雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)臺(tái)架測(cè)試

相較于傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的燃油車，純電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)需要增加電機(jī)標(biāo)定試驗(yàn)和動(dòng)力總成臺(tái)架試驗(yàn)。

2.7.1 溫升試驗(yàn)

2EMT是一種電機(jī)、電控以及變速箱三合一的系統(tǒng)。在工作過(guò)程中，2EMT系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生大量熱。冷卻方案的設(shè)計(jì)對(duì)散熱能力、電驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品性能及系統(tǒng)安全至關(guān)重要，因此系統(tǒng)溫升試驗(yàn)是2EMT的關(guān)鍵試驗(yàn)。2EMT的溫升試驗(yàn)將重點(diǎn)考察電機(jī)定子兩端繞組溫度和2EMT系統(tǒng)油溫。

2.7.2 反電動(dòng)勢(shì)測(cè)試

反電動(dòng)勢(shì)測(cè)試為永磁同步電機(jī)最常見(jiàn)的測(cè)試類型。2EMT通過(guò)測(cè)功機(jī)進(jìn)行測(cè)試，測(cè)功機(jī)以不同的轉(zhuǎn)速拖動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，測(cè)試當(dāng)前狀態(tài)下的反電動(dòng)勢(shì)。

2.7.3 峰值扭矩、功率測(cè)試

在臺(tái)架上，通常在電機(jī)的峰值轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)請(qǐng)求最大的扭矩輸出。一般持續(xù)30 s，取當(dāng)前狀態(tài)下的扭矩值和功率值。

2.7.4 靜態(tài)換擋測(cè)試和動(dòng)態(tài)換擋測(cè)試

靜態(tài)換擋的目的是測(cè)試2EMT在預(yù)啟動(dòng)狀態(tài)下的功能性。動(dòng)態(tài)換擋則是模擬整車在運(yùn)行過(guò)程的實(shí)際換擋功能。

3 結(jié)語(yǔ)

隨著新能源商用車的發(fā)展，純電驅(qū)動(dòng)逐漸成為商用車領(lǐng)域不可或缺的一種形式。雙電機(jī)純電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)可適用于一定載重純電的牽引車、自卸車、水泥車、打灰車以及攪拌車等。本方案從2EMT的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、原理分析、臺(tái)架試驗(yàn)以及整車測(cè)試等方面進(jìn)行驗(yàn)證，并已經(jīng)應(yīng)用在相關(guān)主機(jī)廠對(duì)應(yīng)的車型上，是一套由終端客戶運(yùn)營(yíng)的動(dòng)力總成。可見(jiàn)，2EMT是一個(gè)符合市場(chǎng)需求的純電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，對(duì)新能源商用車電驅(qū)化有著良好的推動(dòng)作用。