在重型商用车辆中，对双电机多速变速器进行优化，减少能量消耗
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文丨江柊留声机
编辑丨江柊留声机
随着全球对环境保护和可持续性的日益重视，汽车工业正朝着电气化和绿色出行的方向迈出坚实的步伐。
在这一背景下，动力总成系统作为汽车电气化过渡的关键部分，对于提升车辆性能和能源利用效率具有重要意义。
传统的内燃机驱动系统与现代电动机驱动系统之间的差异，使得动力总成系统的设计和优化变得更加复杂而关键。
因此本文探讨了在电动车辆中，特别是商用车辆，双电机多速变速器的设计和性能优化问题，旨在最小化能量消耗，进一步提升系统效率。
双电机多速变速器的性能优化
动力总成系统在车辆电气化过渡过程中发挥着关键作用，对于乘用车而言，与传统内燃机（ICE）驱动的车辆不同，电动机（EM）可以从零速开始提供最大扭矩，并具有广泛的高效率范围，因此不需要像传统车辆一样拥有复杂的多速变速器。
与广泛应用于电动汽车（EV）的固定减速齿轮相比，2速变速器可以提高EV的整体效率和动态性能，因此，我们为乘用车开发了2速电动变速器，并已进入EV市场。
在乘用车的带动下，商用车辆已经开始电气化，由于重型商用电动车辆的复杂工况要求，仍然需要多速变速器，例如，卡车在越野时需要大的输出扭矩，但在道路上需要高速行驶，所以多速变速器是必需的。
电动驱动有两种类型，即集中驱动和分布驱动，集中驱动具有机械差速器，将扭矩均匀分配到两侧车轮，分布驱动意味着可以通过电动机独立控制每个车轮的扭矩和速度，由于很难为分布驱动的每个电动机安装变速器，集中驱动目前是重型商用EV的主要驱动形式。
自动手动变速器（AMT）在商用车辆的EV变速器中被广泛应用，因为它具有很高的效率但有一个缺点是，AMT在换挡过程中会中断扭矩，最后经过使用前馈和反馈控制实现了平稳的换挡过程，消除了扭矩间断。
经过实验后有人开发了一种新型的“Harpoon-Shift”同步器，作为传统锥形离合器同步器的替代方案，旨在提高舒适性和效率，基于特殊阶跃函数的换挡控制方法被提出，以提高AMT的换挡舒适性。
不仅如此，还有人研究了多速EV变速器的换挡问题，以在功能约束下获得最佳性能，为应对此类问题而提出了三个多项式作为角速度的过渡函数。
通过主动控制电动机扭矩和换挡力，无离合器耦合系统可以比带离合器的系统提供更好的换挡质量，有人以此为依据提出了一种位置和力的切换控制方案，设计了位置控制器采用滑模控制方法。
仿真和测试结果显示，提高了换挡质量，并大大减小了换挡冲击，总之，尽管电动机的主动速度调节可以缩短换挡时间，基于AMT的电动驱动系统不能解决换挡过程中的扭矩中断问题。
双电机变速器通过在换挡过程中始终保持一个电动机处于齿轮中，具有功率转移能力，此外，通过使用两个尺寸缩小的电动机替代一个大功率电动机，可以在驾驶循环中实现更好的工作效率，通过适当的扭矩分配和电动机的高扭矩利用率。
我们比较了双电机变速器与单电机变速器的能量效率，结果显示双电机变速器在整体效率方面具有优势，基于两个电动机的效率图，为双输入功率分裂变速器和双输入AMT开发了能量管理策略。
在使用多种驾驶循环后我们验证了EMS的有效性，并展示了使用两个电动机改善能量效率的结果，此外，能量管理策略也被用于混合动力车辆。
有人提出了一种由两个电动机驱动的无离合器无缝4速变速器，它与单速和2速变速器相比，它在能耗和车辆加速性能方面表现出更好的性能。
通过行星齿轮传动将两个电动机结合起来，使电动机比单电机更有效率，使用双电机集中和分布耦合驱动系统的新型模式切换控制方法，可以减少模式切换冲击，进而提高EV的动态性能。
首先我们展示了eDMT的传动方案，采用了模块化设计理念，它由两个电动机组成，分别为EM1和EM2，机械油泵（MOP）和动力输出（PTO）装置由EM2或EM1驱动。
两个换挡元件A和CU都是狗齿离合器，它们由一个带有两个叉的单一换挡鼓驱动，该鼓由一个小型执行器电机驱动，辅助变速箱是为扭矩放大而设计的，适用于重型车辆，对于31,000 kg的重型车辆，不需要辅助变速箱。
eDMT共有9种工作模式，包括5种单电机模式和4种双电机模式，其中，M0和M0.5模式专门设计用于PTO输出，在M0模式中，车辆停止，EM2驱动PTO工作，在M0.5模式中，EM1将车辆缓慢行驶，EM2驱动PTO工作。
从M1到M4模式，齿轮比逐渐减小，单电机模式和双电机模式交替出现，最终在M1模式中获得最大输出扭矩，而在M4模式中实现车辆的最高速度。
从模式切换数据可以明显看出，eDMT具有功率转移能力，因为单电机模式可以在模式切换期间作为短暂的过渡模式，在换挡过程中，始终有一个电动机为车轮提供牵引力。
在M1模式中，离合器A和CU位于左侧位置，两个电动机通过第1个平行齿轮对（PGP）驱动车轮，从M1模式到M2模式，EM1通过持续驱动第1个PGP驱动车轮。
随后通过将狗齿离合器CU从左侧位置移动到右侧位置，EM2从第1个PGP换档到第2个PGP，模式M1.5可以在从M1到M2的模式切换过程中作为短暂的过渡模式，也可以用作稳态的单电机模式。
能量管理策略
为了最小化eDMT的能量消耗，提出了一种基于规则的EMS来设计模式切换表。由于eDMT具有两个电动机，EMS的另一个任务是在双电机模式下确定两个电动机之间的功率分配。
对于特定的车辆工况（Tvehicle，vvehicle），消耗的功率可以计算如下：
其中，Pdischarge是从电池放电的功率，单位为千瓦（kW）；TEM1和TEM2分别是EM1和EM2的扭矩，单位为牛·米（N·m）；ωEM1和ωEM2分别是EM1和EM2的角速度，单位为转/分（rpm）；ηEM1和ηEM2分别是EM1和EM2的工作点效率。
考虑到再生制动，EM1和EM2作为发电机工作。总充电功率表示为：
其中，Pcharge是充电功率，单位为千瓦（kW）。
在方程（1）和方程（2）中，两个电动机的角速度取决于车辆速度和工作模式的齿轮比，该齿轮比由以下方程定义：
其中，vvehicle是车辆速度，单位为千米/小时（km/h）；rW是动态轮胎半径，单位为米（m）；iEM1和iEM2是相应工作模式的齿轮比。在单电机模式下，非工作电机的齿轮比等于0。
车辆扭矩需求或再生制动扭矩可以在不同工作模式下由两个电动机满足，这通过以下方程对两个电动机的输出扭矩施加约束来实现：
其中，Tvehicle表示扭矩需求或再生制动扭矩，单位为牛·米（N·m）；η1和η2是EM与传动输出之间的效率；ηFD是最终传动的效率；iFD是最终传动的比例。
所提出的EMS的目标是在特定车辆工况（Tvehicle，vvehicle）下，最小化放电功率或最大化充电功率，实验中有4个独立变量，即iEM1、iEM2、TEM1和TEM2，其中iEM1和iEM2的值由eDMT的工作模式确定。
当工作模式为单电机模式时，TEM1和TEM2的值将直接确定，否则只能将它们在双电机模式下进行全局遍历和比较，才能找到最佳值。
假设PTO不输出扭矩的话，目标函数可以表示为最小化Pdischarge（iEM1，iEM2，TEM1，TEM2）或最大化Pcharge（iEM1，iEM2，TEM1，TEM2），受以下约束限制：
首先，在主循环中有序地枚举所有工作模式，在嵌套的子循环中，以10 N·m的间隔离散化EM1的输出扭矩，受上述约束下计算每个离散点的目标函数，最后，对于特定车辆工况（Tvehicle，vvehicle），获得了两个电动机的最优工作点和eDMT的最优工作模式。
使用所提出的EMS设计了具有最小能量消耗的eDMT的模式切换表，通过数据可以看到，M0.5包含在M1.5中，因为它们是相同的工作模式。
此外，双电机模式中的驾驶状态和制动状态之间的功率分配在各实验中都有体现，可以通过各数据的传动比相结合来计算每一时刻的最小能量消耗。
模式切换控制的协调控制策略
如上所述，eDMT的一个优点在于其具有功率转移能力，无需扭矩中断，进而改善换挡质量，不过这也这要求对模式切换过程进行良好的控制，因此我们又开发了一种协调控制策略。
根据实验中中的从M1到M2的模式切换，能够成功解释所提出的控制策略，它有三个阶段。
第一阶段是扭矩阶段，当换挡开始时，目标模式切换为M1。EM2的扭矩逐渐降低，以卸载狗齿离合器CU，与此同时，EM1的扭矩增加，以补偿车轮的扭矩损失。
因此，车轮扭矩从EM2转移到EM1，但总车轮扭矩与换挡前相同，这类似于多片湿式离合器的功率转移的扭矩阶段，由于EM扭矩的精确控制，使得扭矩转移更加精确。
第二阶段是惯性阶段，当EM2的扭矩降低为0时，扭矩阶段结束，惯性阶段开始，首先，狗齿离合器CU从左位置解除连接，移到中间位置，使得可以对EM2进行速度控制。
在此阶段，EM1的扭矩保持在恒定水平，将EM2的速度从当前模式调节到目标模式，当EM2与目标模式之间的速度差异降至预定义的小窗口（Δw）时，狗齿离合器CU开始从中间位置连接到右位置，最终EM2的速度与目标模式速度同步。
第三阶段是锁定阶段，由于EM1和EM2已经连接，它们的扭矩根据EMS确定的功率分配被协调调整到设定点，值得注意的是，扭矩补偿能力受限于电动机的最大扭矩。
因此，在某些情况下，很难保持车轮扭矩与换挡前相同，由于始终有一个电动机参与动力传动，车轮扭矩不会像AMT在换挡过程中一样降至0。
最后我们采用了适应性的世界瞬态车辆循环来测试重型商用车辆的应用，并比较了能量消耗。仿真所用车辆的主要参数在实验中体现，结果显示，大多数工作点位于两个电动机的高效率区域，在20.51公里的行驶循环中，总能量消耗为29.95 kW·h。
在仿真中使用了与eDMT相同电机和车辆参数的4速AMT，AMT的1档齿轮比是根据与eDMT相同的启动扭矩确定的，4档齿轮比则基于最高速能力也是确定的，该AMT采用比例齿轮来进行测试。
通过对比实验数据，可以发现所提出的EMS能够使电动机尽可能地工作在高效率区域，此外，通过合理的两个电动机之间的功率分配，实现了eDMT较低的能量消耗。
实验结果表明，双电动机变速器在模式切换过程中能够保持扭矩连续性，相较于传统的单电动机自动手动变速器（AMT），eDMT具有更好的换挡质量和能量利用效率。
该方案在提高能量效率和换挡质量方面具有显著优势，为商用车辆的电气化发展提供了有价值的参考。