自動(dòng)駕駛多擋電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)與不足

電動(dòng)汽車的普及，使得電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的多擋化成為了一種必然趨勢(shì)。而電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)換擋臺(tái)架試驗(yàn)，不僅可以推動(dòng)電驅(qū)動(dòng)技術(shù)的發(fā)展，也有助于更好地理解和利用新能源，為建設(shè)更加環(huán)保、高效的未來(lái)出行方式做出貢獻(xiàn)。

驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)電動(dòng)化的必然性

驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)電動(dòng)化的必然性主要涵蓋了環(huán)保需求、能源轉(zhuǎn)型、技術(shù)進(jìn)步、經(jīng)濟(jì)效益以及政策推動(dòng)等多個(gè)方面。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)電動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展，有利于整車向著電動(dòng)化、智能化、網(wǎng)聯(lián)化及共享化的“新四化”的方向發(fā)展。

電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)（見(jiàn)圖1）的工作狀態(tài)可以通過(guò)電子控制系統(tǒng)進(jìn)行精確控制，這不僅有助于提高汽車的行駛性能，而且還有利于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)駕駛等高級(jí)功能。此外，從經(jīng)濟(jì)角度考慮，電動(dòng)汽車的運(yùn)營(yíng)成本低于傳統(tǒng)燃油汽車。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)電動(dòng)化能夠提高能源利用效率，降低運(yùn)營(yíng)成本，從而提升電動(dòng)汽車的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)多擋化發(fā)展的趨勢(shì)

電動(dòng)汽車的驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)需要同時(shí)兼顧起步的大轉(zhuǎn)矩和最高車速時(shí)的高轉(zhuǎn)速。若電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)為單擋位結(jié)構(gòu)，則需要匹配的電動(dòng)機(jī)體積及質(zhì)量都會(huì)很大，成本較高；且電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在車輛高速行駛時(shí)，由于電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速過(guò)高，可能會(huì)引起效率下降問(wèn)題。

為了降低電動(dòng)機(jī)的體積和質(zhì)量，降低成本，優(yōu)化電動(dòng)汽車的駕駛性能，提高電動(dòng)機(jī)的工作效率，降低能耗，電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)向多擋化發(fā)展成為了電動(dòng)汽車技術(shù)發(fā)展的必然趨勢(shì)（見(jiàn)圖2）。

多擋電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)可以更好地適應(yīng)汽車在不同速度下的駕駛需求，通過(guò)改變驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的擋位，可以更好地利用電動(dòng)機(jī)的高效區(qū)，使電動(dòng)機(jī)在最佳的工作狀態(tài)下運(yùn)行，從而實(shí)現(xiàn)更加高效、經(jīng)濟(jì)、舒適的駕駛體驗(yàn)。

然而，多擋電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的研發(fā)并非易事，其中換擋技術(shù)是極大的挑戰(zhàn)。如何保證換擋的平穩(wěn)與快速并且在整個(gè)過(guò)程中高效利用電動(dòng)機(jī)能量，是科研人員必須要面臨的問(wèn)題。為此，電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)換擋臺(tái)架試驗(yàn)的研究成為了這個(gè)領(lǐng)域的重要研究方向。

多擋電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

多擋電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是電動(dòng)汽車的關(guān)鍵組成部分，主要由電動(dòng)機(jī)、多擋位減速器及控制系統(tǒng)等部分組成。

1）電動(dòng)機(jī)是電驅(qū)動(dòng)橋系統(tǒng)的核心部分，負(fù)責(zé)將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，驅(qū)動(dòng)汽車行駛。在多擋電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，電動(dòng)機(jī)需要與減速器配合，以適應(yīng)不同的行駛工況。

2）多擋位減速器是多擋電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的重要特征，主要由減速器、換擋電動(dòng)機(jī)、換擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)和換擋撥叉等部分組成，主要負(fù)責(zé)改變從電動(dòng)機(jī)輸出的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速，并傳遞給車輪的裝置。通過(guò)換擋電動(dòng)機(jī)調(diào)節(jié)換擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)，由換擋撥叉改變減速器的擋位，可以使電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在不同車速下都能使電動(dòng)機(jī)最大可能地保持在最佳工作狀態(tài)。

3）控制系統(tǒng)是電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的“大腦”，負(fù)責(zé)控制電動(dòng)機(jī)的工作狀態(tài)，以實(shí)現(xiàn)汽車的平穩(wěn)、高效運(yùn)行。換擋TCU通過(guò)采集各種傳感器和控制系統(tǒng)的信息，精確控制換擋時(shí)機(jī)和換擋過(guò)程，以保證換擋的平順性，減少能量損耗。

多擋電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)取消了離合器和同步器等主要摩擦元件，極大地簡(jiǎn)化了結(jié)構(gòu)，并通過(guò)以上主要部件的協(xié)同工作，實(shí)現(xiàn)了電動(dòng)汽車的多工況行駛。相比單擋位的電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，多擋電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)能更好地適應(yīng)不同的行駛條件，提高電動(dòng)汽車的行駛性能和能源利用效率（見(jiàn)圖3）。

圖3 某型號(hào)換擋機(jī)構(gòu)示意

多擋電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)通過(guò)換擋電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)換擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)，帶動(dòng)結(jié)合套在不同的擋位之間進(jìn)行切換來(lái)實(shí)現(xiàn)換擋，這種結(jié)構(gòu)沒(méi)有同步器，換擋過(guò)程依靠電動(dòng)機(jī)調(diào)試來(lái)實(shí)現(xiàn)結(jié)合套與結(jié)合齒圈轉(zhuǎn)速同步。這一過(guò)程需要精確控制，以保證換擋的平穩(wěn)和高效。

在實(shí)際操作中，電動(dòng)汽車的換擋過(guò)程包括檢測(cè)階段、決策階段、執(zhí)行階段和穩(wěn)定階段。

首先，控制系統(tǒng)會(huì)持續(xù)檢測(cè)電動(dòng)機(jī)的工作狀態(tài)和車輛的行駛條件，如電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩，以及車速、加速度等。當(dāng)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速或轉(zhuǎn)矩達(dá)到預(yù)設(shè)的換擋值時(shí)，控制系統(tǒng)會(huì)決定是否進(jìn)行換擋。如果需要換擋，控制系統(tǒng)會(huì)計(jì)算出最佳的換擋時(shí)機(jī)和電動(dòng)機(jī)的目標(biāo)輸出。接下來(lái)，控制系統(tǒng)發(fā)出換擋指令后，電動(dòng)機(jī)會(huì)根據(jù)指令調(diào)整其轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速，同時(shí)，減速器也會(huì)根據(jù)指令調(diào)整齒輪的嚙合狀態(tài)，以實(shí)現(xiàn)換擋。換擋完成后，控制系統(tǒng)會(huì)持續(xù)監(jiān)控電動(dòng)機(jī)和減速器的狀態(tài)，確保其穩(wěn)定運(yùn)行。如果發(fā)現(xiàn)異常，控制系統(tǒng)會(huì)及時(shí)進(jìn)行調(diào)整，以保證車輛的正常行駛。

電動(dòng)汽車的換擋過(guò)程如圖4所示。

圖4 換擋過(guò)程

在整個(gè)換擋過(guò)程中，各部件的精確協(xié)同工作實(shí)現(xiàn)了平穩(wěn)、快速的換擋。這種換擋方式相比傳統(tǒng)的機(jī)械換擋，更加平穩(wěn)，幾乎不會(huì)感到明顯的擋位轉(zhuǎn)換，提供了更好的駕駛體驗(yàn)。

多擋電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)與不足

1.優(yōu)勢(shì)

多擋電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)在電動(dòng)汽車特別是商用車領(lǐng)域具有顯著的優(yōu)勢(shì)。

首先，它可以根據(jù)不同的行駛條件自動(dòng)調(diào)整擋位，使電動(dòng)機(jī)在最佳工作狀態(tài)下運(yùn)行，有助于提高電動(dòng)機(jī)的工作效率，從而降低能耗。

其次，多擋電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)可以在不同的行駛條件下提供對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)更加平穩(wěn)、高效的駕駛體驗(yàn)，使得電動(dòng)汽車在加速、爬坡和高速行駛等場(chǎng)景下均能表現(xiàn)出良好的性能。

此外，由于多擋電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)能使電動(dòng)機(jī)在最佳工作狀態(tài)下運(yùn)行，減少電動(dòng)機(jī)長(zhǎng)時(shí)間在極限狀態(tài)下工作的可能性，從而降低電動(dòng)機(jī)的磨損，延長(zhǎng)其使用壽命。

同時(shí)，多擋電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)通過(guò)精確調(diào)整擋位，使電動(dòng)機(jī)始終保持在高效率工作區(qū)間，有助于降低損耗，提高續(xù)駛里程。

最后，多擋電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的換擋過(guò)程相對(duì)平穩(wěn)，有助于提高駕駛舒適性，使駕駛者在駕駛過(guò)程中感受更加輕松愉快。

多擋電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)有助于傳動(dòng)系統(tǒng)配置的優(yōu)化，提高電動(dòng)汽車的工作效率、駕駛性能和舒適性，并降低能耗，延長(zhǎng)電動(dòng)機(jī)壽命，帶來(lái)電驅(qū)動(dòng)總成的輕量化、緊湊化，降低成本。這些優(yōu)點(diǎn)使得多擋電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在電動(dòng)汽車領(lǐng)域得到了廣泛關(guān)注和應(yīng)用。

2.不足

多擋電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)具有顯著的優(yōu)勢(shì)，但也存在不足。

首先，相較于單擋電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜，不僅增加了設(shè)計(jì)和制造的難度，也對(duì)維護(hù)提出了更高的要求。

其次，結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性也增加了制造成本。

此外，驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的調(diào)速調(diào)扭能力會(huì)影響AMT的換擋時(shí)間，可能會(huì)導(dǎo)致動(dòng)力中斷。

同時(shí)多擋電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的換擋控制策略比單擋電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)更復(fù)雜，需要更高級(jí)的算法以確保換擋的平順性和效率，這也增加了開(kāi)發(fā)和調(diào)試的難度。由于多擋電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和控制策略的復(fù)雜性，會(huì)存在潛在的可靠性問(wèn)題，如頻繁換擋導(dǎo)致零部件的過(guò)早磨損，影響整車的可靠性。

隨著技術(shù)的不斷發(fā)展和成熟，多擋電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和控制策略將會(huì)得到改善，這些問(wèn)題也將會(huì)得到有效的解決。

多擋電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)換擋臺(tái)架試驗(yàn)

1.換擋試驗(yàn)必要性

換擋試驗(yàn)可以評(píng)估電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在不同工況下的換擋性能及壽命，如換擋的平順性、響應(yīng)性以及對(duì)電動(dòng)機(jī)工作狀態(tài)的影響等，這對(duì)于優(yōu)化電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的換擋控制策略，提高換擋性能具有重要意義。

其次，換擋試驗(yàn)是驗(yàn)證電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案的重要手段。通過(guò)換擋試驗(yàn)，可以觀察到電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在不同工況下的換擋行為，如換擋時(shí)間、換擋沖擊和換擋效率等，可以驗(yàn)證換擋機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的正確性和實(shí)用性，對(duì)設(shè)計(jì)中可能存在的問(wèn)題進(jìn)行及時(shí)發(fā)現(xiàn)和修正。

此外，換擋試驗(yàn)可以在早期階段發(fā)現(xiàn)存在的異常并解決問(wèn)題，提高研發(fā)效率，避免在后期因?yàn)橄嚓P(guān)異常而需要進(jìn)行大范圍的修改。同時(shí)，換擋試驗(yàn)可以評(píng)估電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在極限工況下的安全性，如在高速、高頻換擋等極限工況下電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和耐用性。

最后，在某些地區(qū)，進(jìn)行換擋試驗(yàn)并滿足相關(guān)性能指標(biāo)是電動(dòng)汽車上路的必要條件，可以確保電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)滿足相關(guān)法規(guī)的要求。

總的來(lái)說(shuō)，換擋試驗(yàn)是電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)研發(fā)過(guò)程中的重要環(huán)節(jié)，對(duì)于提高電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的換擋性能及壽命、保證安全性、提高研發(fā)效率有著重要的作用。

2.電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)換擋試驗(yàn)臺(tái)架結(jié)構(gòu)

電驅(qū)動(dòng)橋換擋試驗(yàn)臺(tái)架結(jié)構(gòu)主要包括電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、電池模擬器、冷卻裝置、輪端驅(qū)動(dòng)測(cè)功機(jī)、采集系統(tǒng)、控制系統(tǒng)以及支架結(jié)構(gòu)等，如圖5所示。

圖5 換擋試驗(yàn)臺(tái)架示意

電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是臺(tái)架試驗(yàn)的主要測(cè)試對(duì)象。電池模擬器為整個(gè)系統(tǒng)提供動(dòng)力電源，冷卻系統(tǒng)可為整個(gè)電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)（含電動(dòng)機(jī)和減速器）提供冷卻。輪端驅(qū)動(dòng)測(cè)功機(jī)主要為試驗(yàn)提供穩(wěn)定的輸出轉(zhuǎn)速。采集系統(tǒng)則用于測(cè)量電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的各種性能參數(shù)，如轉(zhuǎn)速、電流、電壓及位移等。而控制系統(tǒng)則用于控制整個(gè)換擋過(guò)程。最后，支架結(jié)構(gòu)用于固定和支撐上述各個(gè)部分，具有良好的穩(wěn)定性和承載能力。

電驅(qū)動(dòng)橋換擋試驗(yàn)臺(tái)架結(jié)構(gòu)對(duì)于換擋試驗(yàn)的成功執(zhí)行起著關(guān)鍵作用。其合理的設(shè)計(jì)和配置不僅能夠模擬實(shí)際的駕駛環(huán)境，還能夠準(zhǔn)確測(cè)量電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在各種工況下的性能參數(shù)，為優(yōu)化電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)換擋機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)和控制策略提供可靠的數(shù)據(jù)支持。

3.換擋試驗(yàn)

電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)換擋的核心在于換擋的時(shí)機(jī)、方法以及成功率，所以換擋試驗(yàn)的重點(diǎn)是換擋策略的控制，試驗(yàn)中通過(guò)控制電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的換擋電動(dòng)機(jī)，實(shí)現(xiàn)擋位之間的切換。

換擋試驗(yàn)的控制需要考慮電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的工作狀態(tài)、換擋時(shí)間、換擋的平順性和車速等因素。在試驗(yàn)過(guò)程中，通過(guò)采集電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的工作參數(shù)，如轉(zhuǎn)速、電流、換擋位移等數(shù)據(jù)來(lái)對(duì)電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的換擋性能及壽命進(jìn)行評(píng)估。這些控制原理需要通過(guò)合理的控制系統(tǒng)和算法來(lái)實(shí)現(xiàn)，以達(dá)到對(duì)電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)換擋試驗(yàn)的精確控制，保證試驗(yàn)的可靠性和準(zhǔn)確性。

試驗(yàn)前，首先將電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)與其整車實(shí)際安裝等同或相近的方式牢固安裝在試驗(yàn)臺(tái)上，輪端連接測(cè)功機(jī)，并連接好相應(yīng)的動(dòng)力源、冷卻系統(tǒng)、控制和采集裝置等。然后，調(diào)試好電驅(qū)動(dòng)橋系統(tǒng)與控制采集系統(tǒng)之間的通信，根據(jù)制定好的試驗(yàn)方案，進(jìn)行試驗(yàn)。

試驗(yàn)中，由輪端測(cè)功機(jī)提供轉(zhuǎn)速以保證在換擋過(guò)程中輪端轉(zhuǎn)速保持穩(wěn)定，電驅(qū)動(dòng)橋系統(tǒng)的電動(dòng)機(jī)同時(shí)提供對(duì)應(yīng)的輸入轉(zhuǎn)速。在換擋時(shí)，控制系統(tǒng)發(fā)出指令，電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)切入空擋，此時(shí)輸入電動(dòng)機(jī)根據(jù)自身的調(diào)速能力，在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)調(diào)整至要求的同步轉(zhuǎn)速后，再將電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行掛擋，完成一次擋位的切換。

在整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中，采集并監(jiān)控整個(gè)過(guò)程中的轉(zhuǎn)速、電流、位移等需要的數(shù)據(jù)，以評(píng)估換擋的成功率和平滑性。

換擋試驗(yàn)流程如圖6所示。

圖6 換擋試驗(yàn)流程

試驗(yàn)過(guò)程中電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)發(fā)生若選換擋動(dòng)作不到位、換擋異響、輸入軸轉(zhuǎn)速異常波動(dòng)、潤(rùn)滑油油溫異常升高或其他不受控制等異常情況，則終止試驗(yàn)。在試驗(yàn)結(jié)束后進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，來(lái)評(píng)價(jià)電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的換擋壽命及性能，并為其設(shè)計(jì)和控制策略的優(yōu)化提供可靠的依據(jù)。

結(jié)語(yǔ)

隨著電動(dòng)汽車技術(shù)的快速發(fā)展，多擋電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和應(yīng)用已成為行業(yè)研究的重點(diǎn)，在降低對(duì)動(dòng)力電池和驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)要求的同時(shí)，提高車輛的加速性、最高車速以及續(xù)駛里程，提升電動(dòng)汽車的駕駛性能和舒適性，滿足更多的駕駛需求。

隨著電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)控制技術(shù)的進(jìn)步，多擋化電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)未來(lái)的發(fā)展需要更高效的換擋控制策略，實(shí)現(xiàn)更平順、快速的換擋過(guò)程，提高電動(dòng)汽車的駕駛體驗(yàn)。同時(shí)也需要更復(fù)雜的多擋結(jié)構(gòu)來(lái)適應(yīng)復(fù)雜的駕駛環(huán)境和需求，提供更多的駕駛模式并提高能源利用率。多擋電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)與電動(dòng)汽車的能源管理系統(tǒng)緊密配合，通過(guò)智能的能源管理策略，汽車會(huì)根據(jù)駕駛條件和電池狀態(tài)，自動(dòng)選擇匹配最合適的擋位。

電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的換擋性能及壽命直接影響到電動(dòng)汽車的駕駛體驗(yàn)，因此換擋試驗(yàn)對(duì)于多擋電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)擋位的開(kāi)發(fā)和優(yōu)化具有重要的作用。換擋試驗(yàn)?zāi)軌蛴行У卦u(píng)估電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的換擋性能及壽命，檢測(cè)換擋過(guò)程中可能出現(xiàn)的問(wèn)題，并為設(shè)計(jì)和優(yōu)化換擋控制策略提供數(shù)據(jù)支撐。換擋試驗(yàn)不僅可以幫助理解電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的工作原理和性能特點(diǎn)，還可以驗(yàn)證和改進(jìn)電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的擋位設(shè)計(jì)，以確保其能夠滿足使用壽命和安全性的要求。

因此，換擋試驗(yàn)是多擋電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)研發(fā)過(guò)程中不可或缺的一個(gè)環(huán)節(jié)，對(duì)于提高電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的性能以及推動(dòng)電動(dòng)汽車技術(shù)的發(fā)展，都有著重要的作用。

中國(guó)汽車工程研究院股份有限公司-羅瑞雪， 辛元強(qiáng)

審核編輯：黃飛