电动商用车用多挡变速箱介绍
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更新时间: 2023/01/07

一、前言


鉴于目前燃料价格的不断上涨以及环保、法规的要求得不断提升，越来越多的商用车也开始转向采用电动机来取代传统的内燃机作为动力源，而不仅仅是作为变内燃机的辅助和补充。
     

 内燃机由于其做功的原理，导致在使用时存在诸多的不便。一是内燃机必须在旋转的时候才能够对外提供扭矩输出；二是内燃机只有在特定转速时才能输出最大功率；三是大部分内燃机无法同时具备正转和反转的功能；四内燃机的效率或者说燃油经济性受工况影响非常大。因此在内燃机的发展历史上，一直有变速箱的身影。
     

变速箱不仅可以实现内燃机输出扭矩的方向变化，还可以通过调整内燃机的工作点，来实现扭矩的放大，或转速的减低，来根据实际使用工况和环境的要求，来获得不同的动力性能、燃油经济性和NVH性能的优化。另外，通过变速箱的使用，在一定程度上也可以改善发动机的使用磨损情况。

   

根据不同原理，目前内燃机使用的变速箱基本可以分为MTAMTDCTATCVT，特殊类型的变速箱还包括静液压式CVT等，仅常见于工程车辆或非道路车辆。


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图1.典型的搭载5档变速箱的车辆驱动力与行驶阻力关系图（不考虑坡度）


而电机的特性截然不同。电机由于其低速恒转矩和高速恒功率的特点，非常适合大扭矩起步的工况；且电机工工作转速范围相比发动机要高很多，因此仅需要使用单档减速箱就可以实现全车速范围的覆盖。例如目前大部分的乘用车上都在使用电机加单档减速箱的动力系统方案。


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图2 典型电机的效率Map图


但电机也无法做到全工况情况下的高效率，且如果需要提高电机的输出扭矩，在不使用变速箱的情况下，电机功率势必要提高，而当下的技术条件下，电机功率的提高会带来相比较内燃机功率提高所需更大的体积变化。


二、常见多档变速箱的实现技术方案


据不同的换挡元件和结构组成方式，以及驱动换挡机构的动力源的不同（气动、液压或电驱动），可以对纯电动车用多档变速箱做以下分类：


  2. A.根据换挡元件的型式区分---同步器式，离合器式（狗齿离合器）（、摩擦式离合器），选择式单向离合器式，超越离合器，电磁离合器和传统CVT用钢带/钢链等


  4. B.根据齿轮机构的布置型式区分---平行轴式，行星排式和复合轮系式等


  6. C.根据换挡元件的驱动方式---气动驱动、液压驱动、电机丝杠机构、电机驱动换挡毂式换挡，拨叉换挡等


  8. D.根据电机的数量区分---单电机方案、双电机方案等


  10. E.特殊类型的概念设计---如活齿式CVT等无动力中断变速换挡概念


三、电动商用车用多档变速箱


低速重载是商用车领域的常见使用工况，在以往内燃机型商用车上，可以看到具有十几个挡位的变速箱。考虑到当前电机的尺寸和成本，很显然不能一味的在商用车上沿用乘用车的单档减速箱策略。且由于商用车对于换挡舒适性的要求不高，电动商用车用的多档变速箱产品完全可以沿用现有成熟的AMT技术，来控制车辆的整体成本。下面罗列了几款市场上典型的商用车多档变速箱。


1.精进动力

  • MD系列两档自动变速箱

MD系列两档自动变速箱（图3）采用输出轴与电机同轴设计，利用电磁离合器换挡设计，可做到换挡平顺无顿挫。传动齿轮双面修形，最大噪音低于80 dB(A)。变速箱内部采用飞溅润滑及外置冷却。采用无油泵设计，降低变速箱内阻，传动效率最高可达98.5%。


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图3


MD系列两档自动变速箱系统峰值输出转矩：可达 6,500 Nm（30s），系统峰值输出功率可达350 kW，峰值输出转速：可达5,000 rpm（直接档），系统峰值效率：可达95%（直接挡）、93%（一档）；一档速比为3.02，二档为直接档。系统换挡的动力中断时间小于0.5秒。

EMAT-20000四档变速箱

EMAT-20000（图4）的换档机构采用精进动力自主研发的电磁齿嵌式离合器，可匹配单或双电机或结合发动机形成混动系统使用。最大输出扭矩高达20000Nm，输出功率500kW。通过使用电磁离合器，这款变速箱实现了全寿命设计，终生免维护，彻底消除了传统的AMT外挂换档装置的可靠性问题和高昂的维保费用，为运营带来效益。这款产品和MD系列变速箱一样，采用输出轴与电机同轴设计；变速箱内部采用飞溅润滑及外置冷却；采用无油泵设计来提高传动效率。


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图4


EMAT-20000系统峰值输出转矩可达20,000 Nm，系统峰值输出功率可达500 kW；峰值输出转速可达3,300 rpm；系统峰值效率可达95%；1到4档速比分配分别为9.28/4.46/2.08/1；电磁离合器自动换挡：动力中断时间小于1秒。


2.艾里逊eGen Power 100S/100D/130D系列


eGen Power™系列电驱动是世界上最强大、最全面集成的中重型卡车电驱桥系统之一。它有两台电动机，每台可产生200kW的连续功率，总功率为400kW，峰值功率可达550kW；eGen Power 100D还将两挡变速箱集成在中央壳体内，以提高起动坡度、最高速度和效率，以及可选差速锁。


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图5 eGen Power 100S/100D/130D系列


3.EATON EV系列transmission

EATON的EV系列变速箱包含2档、4档和6档三种型号，见图6，并针对重载使用场景的4档配置。根据EATO的介绍，通过使用2档变速箱，在电机动力输出不变的情况下，驱动电机尺寸可以减少46%。图7为EATO 6档变速箱MD EV6的实物图。


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图6


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图7


4.苏州绿控 TED系列电动车用2档AMT

TED系列2档变速箱是采用了AMT变速箱的换挡结构进行设计，适合于11吨~25吨车辆使用。其中，TED3010S可承载最大输入扭矩1100Nm，输出扭矩3015Nm；TED3380S可承载最大输入扭矩1300Nm，输出扭矩3380Nm。该系列变速箱采用全铝合金壳体设计，设计寿命高达50万公里。


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图8


四、多档变速箱应用的关重点及趋势预测


电动车的一大优势在于起步扭矩大，提速快，驾驶线性感觉好。在驾驶性上相比内燃机车，形成了碾压态势。因此，在搭载多档变速箱的时候，首先要考虑的问题就是如何避免动力中断，或如何降低动力中断的时间。目前常见的方案有：1.C2C换挡技术（图9）；2.双电机输入方案；3.复合轮系方案；4.无级变速方案。


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图9


由于挡位的增加，变速箱内部的元件增多，势必会对传动效率造成影响，采用低损耗的换挡元件是产品设计时必须考虑的一个内容，除了传统的气动换挡方案之外，还有：1.换挡毂式换挡（图10）；2.蜗轮蜗杆式换挡；3.电液式换挡。


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图10


部分传统变速箱都设计一个由发动机曲轴驱动的机械油泵，用来给变速箱内部的换挡元件提供高压油用于驱动换挡元件，以及提供冷却润滑所需要的油，单油泵的增加会直接增加发动机的工作负荷。在电动车辆的应用中，为了防止额外的机械负载，多采用单电子油泵或双电子油泵的方案。同时在变速箱内部需要设计出导流结构，减少旋转件的搅油损失；或引入干式油底壳设计加强制喷淋的方式来为变速箱进行冷却润滑，提高传动效率。


驱动电机的高转速和大扭矩对于换挡过程中的转速和扭矩控制提出了更高的要求，尤其是对换挡元件的可靠性和耐久性都有更高的要求。通过相关传感器的增加和使用，可以精确的获得换挡执行器的工作位置，为元件接合的精确控制提供了可行的解决方案。但考虑到商用车的单车价格已经比较高，现阶段对于提高换挡舒适性的需求并不迫切，近期应该还是以传统AMT的技术应用为主。


多档变速箱在电动商用车的应用中有以下发展趋势：


  • 多挡化：随着部分重载商用车也开始了电动化的进程，在电耗法规的加严和电机、电池原材料成本的增加的背景下，电动商用车的多档变速箱挡位可能会有进一步的增加。


  • 无同步器换挡化：随着电机的控制精度的不断提高和控制响应时间的不断降低，使得采用狗齿换挡成为可能，可以简化换挡元件、降低成本，并提高传动效率。


  • 驱动电机低转速化：由于电机功率密度的不断提升以及变速箱有两个以上挡位可供选择，可以降低高车速时对电机高转速的需求，这样不仅带来电机成本的下降，还可以减少对高速轴承和油封的依赖，降低传动系统的设计难度和提高系统可靠性。


  • 模块化：由于动力总成整体尺寸相比传统内燃机要小很多，所以更容易实现产品的模块坏，以提高相关零部件在不同级别商用电动车上通用性：电机、变速箱、控制器集成一体，使整车结构更紧凑、性能更优异，便于控制和降低成本。模块化机电耦合传动系统的集成设计和管理控制是一个主要发展方向。