纯电动汽车究竟要不要多挡三合一电驱动系统？

目前，单挡减速器电驱系统在市场上占领绝对的地位，但是国内外诸多公司正在研发或已有应用多挡位的系统，之前也写过《采埃孚最新电动车2挡三合一电驱总成的“解读”》。为什么这么多公司都在做多挡系统，对整车和三合一电驱动系统带来了哪些优势？多挡会不会导致整车应用成本上升？多挡电驱系统今后的研发方向又在哪里呢？

为了说明多挡位电驱动系统的优势，我们从电机的典型特性和整车需求出发，从动力性和经济性两个方面，浅析单一挡位电驱系统在整车应用中遇到的瓶颈。

单挡在动力性上的瓶颈

下图是典型的电机特性曲线，包含两个区域：恒扭矩区域和恒功率区域。其中Area I 反应了整车的起步性能和低速区加速性能（一般0~50km/h）和低速爬坡性能；Area II 反应了中高车速的加速性能（50~80km/h, 80~120km/h)和1km最高车速性能，换句话说“更高的极限车速，更牛逼的中高速超速性能”。

当我们电机电控选定之后，如若想提高Area1整车性能，此时需要一个高的速比；若想提高Area2 的整车性能，又需要一个较小的速比，“鱼和熊掌不可兼得”，要怎么做？

图1

当然，也可以说“选一个牛逼的电机和控制器”，但这意味着电机、控制器甚至电池包的成本和设计要求的提升。为了同时满足Area I和Area II ，假设两种组合：

1）若选择一个小的速比+大扭矩的电机。对于电机，这直接意味着其体积重量的增加，伴随着温升性能变差，这意味着系统损耗的增加，以及物料成本、选型成本和试验成本的提高（#话题太大...感兴趣的话，这一块内容我们后续可展开讨论，欢迎留言#）；对于控制器，需要一个更大的容量承受这么大的电流，同时带来损耗上升；对于电池包，需要一个大倍率的放电电流，削减了电池寿命。

2）若选择一个大的速比+高转速的电机。对于电机，需要严格控制其感应电势，重新校核转子、旋变和轴承极限转速，避免因此失效导致的破坏、漏脂和扭矩无法输出等风险；对于控制器或电池，可能需要提高母线电压或改变调制系数来保证高速区的弱磁深度，使扭矩顺利输出。

综上，多挡位变速器的匹配，使电驱系统具有更宽的输出转速和扭矩范围，可以在帮助整车实现性能需求的同时，一定程度降低对电机、电控和电池的成本和设计难度。

单挡在经济性上的瓶颈

下图2是Prius2010 电机电控效率Map，可以看出，高效区基本分布在[4000,8000]rpm和[40,90]Nm的范围内。

图2

对于纯电动车，从诸多整车路谱得到的统计数据获得：约有40%~65%的工况比重放在中低转速和较低负载的在城市工况下，特别是，对于出口欧洲的车型，同时增加了超高速工况需求。此时，两挡或者多挡位变速器的匹配，可以显著增加了电机电控高效区的应用面积。下图3是某两挡变速器应用对于高效区的应用区域提升示意图，供参考。

图3

“多挡位带来哪些优势”

→从整车角度:

• 更牛逼的整车起步性能：低速加速性能

• 更牛逼的超车性能：中高速加速性能

• '飞上天'的最高车速：最高车速受限于电机功率能力，而不再受限于速比

• 较优的续航里程：通过速比调配电机电控工作在高效区

• 更”安静“的噪声表现：多挡位一方面降低了对电机电控的转速需求，另一方面降低了对减速器单个动力流齿轮修型扭矩宽度的选择范围

• 更牛逼的极限性能表现：对加速性能和极高转速均有需求的车型，或者对于在极端坡度和负载需求的应用路况，多挡位电驱系统是一个较优的解决方案。

→从电驱动总成角度

• 降低了对电机扭矩需求，即体积重量的需求，削减了物料成本

• 电机体积的减小伴随着温升性能的提升，即同样的冷却条件会带来更优的冷却效果，一方面意味着系统损耗的就减少，另一方面降低了零件选型和耐久试验产生的成本

• 降低对控制器容量需求，即设计难度和重量的需求，削减了成本

• 降低了电池组容量需求，即电池组的体积重量和成本

• 改善电池寿命

• 降低了减速器齿轮及对应轴承的可靠性的要求

• 降低对电机和控制器高速需求，一定程度优化噪声和振动问题

多挡电驱系统带来哪些'弊端'

目前主流的观点认为多挡减速器的应用会对整车应用带来如下'弊端':成本上升、重量增加、额外的损耗（换挡执行系统）、换挡中断。

BUT,这些所谓的“弊端”究竟是不是真的弊端？这需要我们站在系统角度思考：

1） 成本上升

多挡位意味着更复杂的齿轴系统，额外的执行系统及其控制器，必然会导致减速器成本上升；但是速比宽度的增加同样可以降低对电机、电控和电池的需求：

• downsize了电机电控，削减了物料成本

• 降低了电机极限性能需求，削减了相关零件选型成本，如轴承、油封

• 更优的电机温升性能，削减了相关零件选型成本，如轴承、油封，削减了耐久试验成本（时间更短）

• 更优的电机温升性能，相同的冷却流量需求会带来更优的冷却效果，进而改善系统效率（依据测试经验，对比<90℃和>105℃绕组温度，整体来看三合一系统约有1%的系统传递效率差异），这意味着更少的电池模块需求

• 高效区增加，降低了电池组容量需求，伴随着降低了电池组的体积重量和成本

综上来看，多挡“带走”的成本可能会＞“带来”的成本。（#关于这个话题只做定性分析，若感兴趣，后续我们可展开讨论，欢迎大家留言。#）

2）重量增加

如上分析，多挡位同样意味着重量的增加；但是速比宽度的增加可以改善电机、电控的downsize，究竟增加与否，需要系统地考虑。

3） 额外的损耗

由于换挡执行系统的应用会带来额外的损耗，但是这部分损耗与其“节约”下的相比，微不足道，这方面可以参考以下文献：

Ren Q , Crolla D A , Morris A . Effect of transmission design on Electric Vehicle (EV) performance[C]. 2009 IEEE Vehicle Power and Propulsion Conference. IEEE, 2009.

Sorniotti A , Subramanyan S , Turner A , et al. Selection of the Optimal Gearbox Layout for an Electric Vehicle[J]. SAE International Journal of Engines, 2011, 4(1):1267-1280.

4） 换挡中断

多挡位电驱系统避不开的“坎”，但是没有什么问题是解决不了的，国内外对于换挡中断已有诸多方案，究竟选用哪个？我们后续专题解读。

到此，关于文章题目所谈的问题应该已有答案，那么知道了这么多，后边怎么干？

“知道这么多了，后边该怎么干”

综上利弊，按“成本→动力性→经济性→舒适性→可靠性”的优先级，一张图概括纯电动汽车多挡电驱系统研发方向：

一句话概括：“优先级制定”+“不断迭代和优化”=“怎么干”

优先级的制定是关键，这决定了产品的走向；优先级既定以后，并不是说设计逻辑是一条路走到底的，我们不断迭代、不断优化。

举例说明：成本和动力性因素考虑完成后，我们可以得到初步的电机、电控和减速器参数，但是，在第3环节发现速比的调配不足以发挥电机电控高效区的优势，这时候可能要重新回到第1步，通过调整铜/铁比重，移动系统高效区，这个过程可能又会对动力性产生影响，这时候就需要系统来平衡。

写在最后：

关于多挡位电驱动系统的介绍，网上有大把的资料，遗憾的是，没能看到系统、完整、清楚的解释，这也是萌发写这篇文章地原因。

当然，还有另外一个目的，是作为后续”2挡三合一电驱系统产品开发》系列文章的引言，帮助自己整理思路、明确设计需求。