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AWD 電動(dòng)汽車真需要兩部電機(jī)嗎？GKN 帶您一探究竟！

2019-04-24 18:02:56·  來源：SAEInternational  
　
作者：Stuart Birch來源：SAE《汽車工程》雜志乍眼一看，雙電機(jī)AWD 電動(dòng)汽車似乎可以滿足一些OEM的要求，但 GKN Automotive （吉?jiǎng)P恩汽車公司）最新研究結(jié)果表明
作者：Stuart Birch
來源：SAE《汽車工程》雜志
 
乍眼一看，雙電機(jī)AWD 電動(dòng)汽車似乎可以滿足一些OEM的要求，但 GKN Automotive （吉?jiǎng)P恩汽車公司）最新研究結(jié)果表明：要向雙電機(jī) AWD 電動(dòng)汽車說 No！
GKN公司研究結(jié)果表明，車輛沒有必要隨時(shí)隨地為所有車輪提供動(dòng)力，這會(huì)顯著降低整個(gè)行駛循環(huán)的效率。(圖片來源：GKN)

單電機(jī)比雙電機(jī)設(shè)計(jì)更適合AWD 電動(dòng)汽車。近日，GKN Automotive（吉?jiǎng)P恩汽車公司）從事實(shí)、數(shù)據(jù)和成本三個(gè)主要方面，深入對(duì)比單電機(jī)AWD 和雙電機(jī) AWD 電動(dòng)汽車設(shè)計(jì)后得出結(jié)論：“最初應(yīng)用于內(nèi)燃機(jī)動(dòng)力汽車的斷開技術(shù)同樣適用于下一代電動(dòng)汽車。” GKN公司 AWD 系統(tǒng)經(jīng)理 Michael Höck 表示，“我們?cè)诠疚挥诘聡?guó)羅馬爾的技術(shù)中心進(jìn)行了模擬實(shí)驗(yàn)。結(jié)果顯示，向車輛所有車輪傳遞動(dòng)力的最有效方式是使用傳統(tǒng)AWD 系統(tǒng)配合斷開技術(shù)的設(shè)計(jì)。”
 
盡管大多數(shù)裝配AWD 系統(tǒng)的電動(dòng)汽車和混合動(dòng)力汽車是通過第二軸的電氣化向車輪提供動(dòng)力，也就是在車輛前方或后方配備一個(gè)“懸掛式”電機(jī)，作為車輛一級(jí)電機(jī)的補(bǔ)充。由于這種設(shè)計(jì)不僅需要兩個(gè)電機(jī)，而且還需要配備兩套逆變器和變速器，因此成本相當(dāng)昂貴。“額外的逆變器和變速器還會(huì)耗能，因此車輛的效率就會(huì)降低，”Höck 表示，“而效率降低就意味著續(xù)航里程縮水，這在電動(dòng)汽車行業(yè)眾所周知。”此外，雙電機(jī)配置的安全性和牽引力在車輛行駛循環(huán)的大部分時(shí)間中也沒有優(yōu)勢(shì)。
 
隨著消費(fèi)者對(duì)AWD 電動(dòng)汽車的需求越來越多，GKN決心詳細(xì)研究對(duì)比各種 AWD 配置的優(yōu)劣勢(shì)。GKN的模擬基于“大多數(shù)雙電機(jī)電動(dòng)汽車基本上一直運(yùn)行在AWD 模式下”的事實(shí)。Höck解釋道，“一些系統(tǒng)允許車輛在不需要AWD 功能時(shí)斷開其中一個(gè)電機(jī)，從而提高效率。但事實(shí)上，系統(tǒng)斷開的只有電機(jī)耦合部分，車輛傳動(dòng)系統(tǒng)的其余部分仍在運(yùn)轉(zhuǎn)。”
 
“這不僅會(huì)造成不可避免的寄生損耗，而且根本無法讓兩部電機(jī)的傳動(dòng)比同時(shí)調(diào)試至最優(yōu)，”Höck補(bǔ)充道，齒輪傳動(dòng)只能針對(duì)單電機(jī)或雙電機(jī)優(yōu)化，但 AWD 車輛會(huì)在兩輪和四輪驅(qū)動(dòng)間來回切換，因此無法總是優(yōu)化至可以提供最高效率的狀態(tài)。Höck 表示，“機(jī)械A(chǔ)WD 系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)在于無需在單電機(jī)和雙電機(jī)之間做出妥協(xié)。”
 
GKN在研究之初，選擇了一輛帶有“懸掛式” AWD 系統(tǒng)的車輛進(jìn)行模擬，以確定該“懸掛式”系統(tǒng)的工作頻率。“測(cè)試表明，即使在結(jié)冰和雨雪等低抓地力路面條件下，AWD 系統(tǒng)的使用頻率也僅有四分之一，” GKN公司 AWD 系統(tǒng)測(cè)試協(xié)調(diào)員 Christoph Schmahl 指出，“在高抓地力的城市和農(nóng)村路面條件下中，這個(gè)數(shù)字在 9% 到14% 之間，而在主干道上，AWD 系統(tǒng)的使用頻率僅為 1%。研究結(jié)果表明，車輛根本沒有必要隨時(shí)隨地為所有車輪提供動(dòng)力，這會(huì)顯著降低整個(gè)行駛循環(huán)的效率。”
GKN的單離合器后驅(qū)模塊和電子扭矩管理器。（圖片來源：GKN）
 
更簡(jiǎn)潔、更經(jīng)濟(jì)
 
對(duì)比看來，在電動(dòng)汽車中應(yīng)用傳統(tǒng)AWD 架構(gòu)似乎更簡(jiǎn)潔、更高效，而且成本也更低。這種基于單電機(jī)的機(jī)械A(chǔ)WD 架構(gòu)僅通過一個(gè)動(dòng)力輸出單元（PTU）傳動(dòng)軸和一個(gè)后驅(qū)單元（RDU）即可為車輛的四個(gè)車輪提供動(dòng)力。
 
Höck 暗示，AWD 電動(dòng)汽車提高能效的關(guān)鍵在于離合器，這個(gè)離合器必須能在車輛不需要AWD 功能時(shí)斷開 PTU、傳動(dòng)軸和 RDU。只有這樣，電動(dòng)汽車才能獲得大幅的能效優(yōu)化，并同時(shí)提供AWD 車型特有的穩(wěn)定性和安全優(yōu)勢(shì)。此外，傳統(tǒng)機(jī)械 AWD 設(shè)計(jì)無需配備第二套電機(jī)、逆變器和變速器，因此整體重量更輕，這也可以進(jìn)一步提高車輛能效。
 
GKN的ActiveConnect 主動(dòng)連接系統(tǒng)采用了搭配爪式離合器的 PTU 單元，可在輸入軸處斷開電機(jī)。GKN還在車尾處配備了兩個(gè)模塊化 RDU 單元，從而更好地滿足不同應(yīng)用場(chǎng)景的需求。RDU 助推器則采用了一個(gè)側(cè)裝式離合器，從而延續(xù)傳統(tǒng)AWD 系統(tǒng)緊湊、輕質(zhì)的優(yōu)勢(shì)。
 
GKN 的 Twinster RDU 單元使用雙盤離合器取代了傳統(tǒng)的差速器，從而進(jìn)一步增強(qiáng)了車輛的行駛動(dòng)力學(xué)性能。“通過在傳動(dòng)軸的縱向方向?qū)蓚€(gè)后輪應(yīng)用扭矩控制，車輛在公路和越野路況下的牽引力都得到了提高。”Höck 解釋道，“兩個(gè)系統(tǒng)的斷開功能沒有差別，因此效率可以得到最大保證，這對(duì)電動(dòng)汽車來說是至關(guān)重要的。”
 
Höck 表示，公司的 ActiveConnect 系統(tǒng)自2014 年登陸傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)車型以來，已經(jīng)展示了“顯著”的節(jié)油表現(xiàn)。那么，ActiveConnect系統(tǒng)是否適用于電動(dòng)汽車呢？事實(shí)上，這種“傳統(tǒng)” AWD 系統(tǒng)在控制電機(jī)初始扭矩方面可以發(fā)揮很大作用，并且可以在相對(duì)低速下斷開，從而在正常駕駛條件下獲得最大的能效提升。
這個(gè)PTU 動(dòng)力輸出單元是GKN為 AWD 電動(dòng)汽車設(shè)計(jì)的單電機(jī)解決方案的組成部分。（圖片來源：GKN）
 
單電機(jī)解決方案
 
通過使用基于單電機(jī)的ActiveConnect 系統(tǒng)，車輛幾乎可以立即將扭矩分配到任何有需要的地方。“例如，在越野路況下，由于前輪的牽引力更高，則系統(tǒng)可以將全部扭矩輸送給前輪，”Höck 解釋道，“雙電機(jī)設(shè)計(jì)卻只能將其中一個(gè)電機(jī)的總扭矩輸送給前軸。此外，有了Twinster 的助攻，ActiveConnect 系統(tǒng)還可以優(yōu)化兩個(gè)后輪間的牽引力分配。”
 
ActiveConnect 系統(tǒng)一旦檢測(cè)到牽引力丟失，可以再次“幾乎立即”將高達(dá) 100% 的扭矩傳遞到車輛后方，以更大的牽引力向后輪輸送扭矩。此外，如果車輛在彎道行駛中失去牽引力，系統(tǒng)還可以在兩個(gè)車輪之間重新分配扭矩，從而協(xié)助校正偏航力矩。
 
在測(cè)試過程中，ActiveConnect系統(tǒng)的電動(dòng)汽車模擬結(jié)果顯示，單電機(jī)設(shè)計(jì)的效率比雙電機(jī)永久AWD 系統(tǒng)高 9%，比配備電子斷開功能的雙電機(jī)設(shè)計(jì)高6%。另外需要說明的是，為了模擬最常見的正常駕駛環(huán)境，GKN在模擬中采用了 WLTC 全球統(tǒng)一輕型汽車測(cè)試循環(huán)工況和低斷開速度的設(shè)置。
 
Höck 總結(jié)了公司有關(guān)雙電機(jī)技術(shù)的主要發(fā)現(xiàn)：“與配備斷開裝置的雙電機(jī)設(shè)計(jì)相比，帶有斷開裝置的單電機(jī)AWD 設(shè)計(jì)所需的傳動(dòng)系統(tǒng)元件數(shù)量大大降低，可以為廠商節(jié)省大量成本。由于無需裝配第二套電機(jī)和逆變器，單電機(jī)設(shè)計(jì)僅在傳動(dòng)系統(tǒng)上就可以節(jié)省高達(dá)13% 的成本。”
 
Höck 補(bǔ)充說，未來，某些電動(dòng)汽車應(yīng)用也可能都會(huì)使用多速電子變速器，而一輛裝配單電機(jī) AWD ActiveConnect 系統(tǒng)的電動(dòng)汽車可以“輕松”集成這一功能，從而通過降低能耗或提高性能來進(jìn)一步延長(zhǎng)電動(dòng)汽車?yán)m(xù)航里程。 
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