2020年01月09日 | 用于未来智能汽车的创新驱动方案

开发用于未来智能汽车的蓄电池电驱动系统的最大挑战在于针对高效率、低成本以及高舒适性等方面具有竞争力的目标寻找到一个折中方案。为了解决上述目标冲突，德国Darmstedt理工大学在名为“双电驱动装置”（TDT）的研究项目中开发出了一种创新的电动和混合动力系统，在“带有增程器的双电驱动装置”（DE-REX）项目成果的基础上成功地显示出了这种动力总成系统的潜力。

1 双电驱动装置

当前基于动力总成系统的基本型式又提出了一种带有各自的子变速传动机构（TG）并与数个电机（EM）实现集成布置的设计理念，其中基于简单变速器技术的功能系统可集成高效的多档变速器，在此类结构型式中电机也被用于实现例如同步和传递牵引力等变速器功能。

同时，这种模块化的双电驱动装置（TDT）模式能被转化成一系列动力总成系统，其不仅包括纯电动车（BEV），而且也包括环境污染较低且适合长途行驶的混合动力车。

此外，这种模式的混合动力总成系统方案还采用了一种被称之为“增程器专用变速器”（DRT）的特殊设计理念。在“带有增程器的双电驱动装置” （DE-REX）项目中已构建了一种混合动力结构型式方案，以此能彰显出行驶舒适性和效率方面的潜力以及评估成本的潜力。

2 DE-REX动力总成系统

图1示出了DE-REX动力总成系统架构示意图，其由两个同轴布置的子变速传动机构（TG1和TG2）组成，输入轴能通过由控制机构操纵的爪齿离合器与变速器输出轴连接，而内燃机则能被并联或串联到现有的TG2上。装配了两套DE-REX动力总成系统：一套用于试验台运行，另外还用于效率试验；另一套被集成到一辆演示车上，用于档位变换和运行模式变换试验以及舒适性评价。

图1 DE-REX动力总成系统架构示意图

3 换档舒适性评价

多档变速器用于电动车是以其舒适的换档过程为基础的。为了研究在DE-REX车辆上的舒适性，不仅在电动车上而且在混合动力车进行了档位变换和运行模式变换试验，并按照客观和主观标准进行评价。

按照VDI（德国工程师协会）-2057规程，应用“振动计量值”（VDV）作为客观标准来评价换档过程期间发生的振动。

图2示出了DE-REX车辆在部分负荷工况下进行电动换档的试验结果。操作开始时电机1（EM1）以第一档驱动车辆，当需要使档位转换到电机2（EM2）第二档时，EM2的转速就被调节到第二档的额定转速，最后爪齿离合器结合，扭矩就从EM1叠化到EM2，TG1第一档脱开，换档过程就此结束，EM1最终减速至停机状态。所得到的加速度曲线形状表明其并无显著的振动现象，并可得到较低的振动计量值（VDV=0.089 m/s1.75）。

图2 部分负荷电动换档，从TG1第一档转换到TG2第二档

为了评估即使在负荷较高时纯电动车换至高档的换档舒适性，对不同加速踏板位置（APP）实施换档过程，分别计算VDV，通过传统车辆换高档的分布带来比较试验结果。正如图3所表明的那样，直至70%加速踏板位置时DE-REX车辆的换档舒适性都高于自动变速箱（AT）和双离合器变速箱（DCT），甚至在更大的加速踏板位置时由于其换档舒适性指标仍处于AT和DCT的分布带中，而处于更大的加速踏板位置时VDV增大则归因于换档过程中牵引力的降低，因为在换档过程期间仅配备有一个电机驱动车辆，因而在高负荷时牵引力能实现充分传递。在下一步开发中将对电机在短时间内进行超负荷试验，即使在全负荷时也能进一步提高换档舒适性。

图3 对于不同加速踏板位置的纯电动档位转换的VDV评价

 为了根据VDV评估验证其换档舒适性，邀请了23位动力总成系统专家作为同车乘客来参与行驶试验。在经历了较低和较高功率需求情况下的数次电动行驶换档过程后，请受试者按照事先规定的说法评价主观的感觉，如图4中示出了结果摘要。

图4 电动行驶时换档过程主观感觉的评价

动力总成系统专家的主观感觉验证了尤其是在部分负荷行驶时的高换档舒适性，此时通常感觉不到明显的换档过程，即使是长期以来对高负荷换档过程有着细腻感受的乘客也会对此持称赞态度。综合试验结果表明，TDT动力总成系统的换档过程是较为舒适的，因此运行策略能在动力总成系统效率最佳的基础上选择最佳的运行模式而不会受到换档舒适性的限制。

4 电驱动总成系统效率的试验研究

以TDT为基础的动力总成系统效率的提高归因于使用多档变速器与多个电机的结合：

（1）多电机型式能使用可根据负荷换档的多档变速器而不会引起附加功率损失的摩擦转换器件；

（2）多档变速器型式解决了起步扭矩与车辆最高车速之间的目标冲突，因而与固定档电驱动总成系统相比可降低所要安装的系统电功率，因此能提高负荷率，从而随之提高电机效率；

（3）多电机型式能使单个电机停止工作，而继续工作的电机由于避免在部分负荷工况下运行而提高整机效率；

（4）此外，还能使用多档多电机动力总成系统，从而使智能运行策略能实现最佳效率下的行驶要求。

在DE-REX驱动及其考虑要替代者的试验台测试基础上，对采用自动手动变速箱（AMT）技术的多档多电机的节电潜力与采用一个电机的固定档动力总成系统（BEV-1GR，1档传动比纯电动车）进行比较试验。比较结果示于图5，从现有技术的固定档动力总成系统（1个电机，DE-REX标定到171 kW，1档传动比（GR），）开始直至TDT模式（2个电机，每个48 kW，2×2档传动比）采用最小起步扭矩（＞2 500 N·m）和所需的最高车速（180km/h）。

图5 在DE-REX试验台上WLTC行驶循环中的测量结果为基础进行的节电对比

试验结果表明，采用现有技术的电能消耗量为16.5 kW·h/100 km是最有效的。为了充分发挥总效率优势，如下介绍一种采用降低系统电功率和固定档变速器的方案（1个电机，DE-REX电机被标定到96 kW，一档传动比），虽然采用这种方案通常会使起步扭矩达不到要求，但还是表明TDT效率潜力的重要份额（8.3%）归因于更低的系统电功率。不过为了使减小的系统电功率能满足相关要求，至少需设置两个档位，而相应的多档AMT动力总成系统（1个电机，96 kW，两档传动比）通过智能选择档位使得能量消耗进一步降低1.5%，当然换档时需切断牵引力。

为了确保较高的换档舒适性，使用了典型的按负荷换档的器件，但是这会对变速器损失和成本产生显著的影响。这种TDT型式（2个电机，2×48 kW，2×2档传动比）提供了一种可满足舒适性要求的替代解决方案，而且还通过附加的运行模式以获得附加的节能潜力，从而相比固定档纯电动车可总共获得约10.7%的节能效果。

为此，在WLTG试验循环运行期间，智能DE-REX运行策略总会优先选择效率最高的行驶模式：对于低负荷和低车速阶段电机1第一档提供最高的效率，而在高车速时电机2第二档则呈现出一定优势，仅在WLTC循环的行驶时间内才使用两个电机一起驱动。

试验台试验结果证实了TDT模式提高效率的潜力大，其为未来的电驱动系统提供了一种舒适智能的解决方案，而且TDT还在系统层面提供了降低成本的潜力。

5 动力总成系统成本评估

为了对成本进行比较评价，必须在考虑所有组成部分的情况下评价总系统成本：尽管必需配备有2个电机和1个多档变速器，但是系统电功率将有所降低，同时要提高效率，从而对于所必需的电动行驶里程能减小蓄电池尺寸和降低成本。

特别是为了满足较长行驶里程的技术要求，混合动力TDT模式通过平行的增程器运行提供了一种有利于降低成本的解决方案。大部分行驶里程是电动行驶模式，仅有极少的行驶里程使用混合动力模式。与当今的插电式混合动力车（PHEV）不同，混合动力TDT方案被设计成始终以高效率实现电动行驶，而且没有单纯附加的电气化。

图6示出了以适合于长里程行驶的固定档BEV方案为比较基准的成本估价。纯电动TDT在系统层面上能获得约9%的成本优势，混合动力DE-REX的成本位于BEV与PHEV之间，与PHEV相比，由于降低了变速器的机械复杂程度从而具有附加的降低成本潜力，因此在本研究项目中采用DE-REX达到了最低的总成本（BEV-1GR成本的81%），通过考虑应用基于电动和混合动力总成系列模块化型式减小尺寸的效应期望可进一步降低成本。

图6 电动与混合动力总成系统的成本比较评价（LE=充电设备；HE=混合动力车）

6 结语和展望

DE-REX研究项目成功地验证了TDT模式概念，试验台上的试验研究结果证实了其降低电能需求的潜力，其提高效率的潜力基于采用两个电机的多档变速器模式，同时为了使用户接受其较高的换档舒适性，而客观的VDV标准和独立专家的主观评价证实了其高换档舒适性。系统的总成本评估表明，与采用现有技术的BEV和PHEV相比，TDT模式具有降低成本的潜力。

总之，TDT能为未来的环保通用型混合动力电动车（UHEV）提供创新的增程器专用变速器（DRT）方案。下一步将开发下一代TDT：“双驱动变速器4倍长行驶里程”（Two-Drive Transmission 4 Long-Range,DE4LoRa）。这种DE4LoRa动力总成系统既能进一步提高效率，又能降低系统复杂性和成本。