双电机多模电驱动桥的研制方案

轻型卡车等轻型电动汽车已开始被广泛使用，主要用于解决城市地区的环境问题，因此需要具有低功耗的低成本动力总成。P0P4系统还有望以最低成本改善48V P0 HEV的环境和动力学性能。需要以交付为主要用途的轻型卡车EVS来减少环境影响，根据货物和车辆负载变化确保最佳驾驶力，并提供尽可能多的货物空间。换句话说，需要具有更低功耗，更高驾驶性能和更好车辆安装性的封装设计，此外，必须以低成本实现。凭借目前主流的“单电机-单速”轻松，在所有驾驶和装载情况下无法同时实现低功耗和高驾驶性能。近年来，配备双速变速器以实现低速和高速低功耗的单电机电驱动桥已开始出现，推动了多级或连续可变变速器的趋势^[1，2，3]。然而，在诸如递送卡车之类的车辆中，其中所需的驱动力根据货物的装载条件而大不相同，或者在其中城市驾驶和赛车赛道使用需要完全不同的驾驶性能的超级跑车中，存在可以通过单个电机在高效率范围内覆盖的驾驶场景的限制。此外，还有一个问题，由于新的高输出电机的巨额投资成本，其成本不可避免地变得很高。为了解决上述问题，我们开发了“双电机-双速”三合一电驱动桥：双电机多驱动模式E轴（以下简称DMM轴），具有4种驱动模式和2种再生模式，可以降低电机生产成本。

如图1所示，DMM车轴是一款三轴车轴，集成变速箱和逆变器。低齿轮侧的电机和逆变器与高齿轮侧的电机和逆变器对称布置。LH电机连接到低齿轮，RH电机连接到高齿轮。第二轴上的低齿轮在其内周具有集成的单向离合器，以实现无缝齿轮换档。此外，第一轴上的狗离合器可以直接连接左右电机，以便在需要时实现强大的驾驶。通过组合两个电机和两个齿轮，可以选择四种驱动模式。通过根据驾驶场景控制四种驾驶模式之间的切换，可以节省功耗并实现高驾驶性能。在没有单向离合器的情况下，可以使用高齿轮扭矩路径进行再生，并且可以在两种模式下进行再生（参见图2）。每种模式的扭矩流和驾驶场景如下所示。

如图1所示，DMM车轴是一款三轴车轴，集成变速箱和逆变器。低齿轮侧的电机和逆变器与高齿轮侧的电机和逆变器对称布置。LH电机连接到低齿轮，RH电机连接到高齿轮。第二轴上的低齿轮在其内周具有集成的单向离合器，以实现无缝齿轮换档。此外，第一轴上的狗离合器可以直接连接左右电机，以便在需要时实现强大的驾驶。通过组合两个电机和两个齿轮，可以选择四种驱动模式。通过根据驾驶场景控制四种驾驶模式之间的切换，可以节省功耗并实现高驾驶性能。在没有单向离合器的情况下，可以使用高齿轮扭矩路径进行再生，并且可以在两种模式下进行再生（参见图2）。每种模式的扭矩流和驾驶场景如下所示。

从开始到低速驾驶使用“单电机低”模式。只有LH电机的扭矩通过低齿轮传递到轮胎。（见图3）

图3.“1电机-低”模式的扭矩传输路径

“1电机-高”模式用于中速到高速的驾驶情况下，节省功耗。只有RH电机的扭矩通过高档位传递到轮胎(见图4)。在“1-马达-低”和“1-马达-高”模式之间的切换是由内置在低档位内的单向离合器无缝执行的。如果与高挡直接相连的第二轴旋转速度比低挡快，单向离合器解锁，低挡自由，完成向“1-Motor-High”模式的过渡。

图4.“1电机-高”模式的扭矩传输路径

“双电机低/高组合”模式用于需要高扭矩的驾驶情况，例如上坡驾驶。LH和RH电机同时运行，它们的扭矩组合在第二轴上，最大驱动力被传递到轮胎。（见图5）

“双电机高”模式用于需要快速和强大加速的驾驶情况，例如合并到高速公路上和超速。当LH和RH电机的旋转同步并且第一轴上的狗离合器被激活时，LH和RH电机被连接并且它们的扭矩被组合。组合扭矩通过高齿轮传递到轮胎。（见图6）

图6.“双电机高”模式的扭矩传递路径

DMM车轴是一款简单的车轴，具有低功耗，高驱动性能和紧凑尺寸的主要特点。以下是每个功能的详细说明。

通过根据车辆驾驶负载状态和驾驶场景最佳地选择上述模式，可以提高驾驶能效。由于典型的单电机电驱桥没有变速传动机构，因此很难在低速和高速下实现低功耗，因为驾驶场景受到电机高效率范围的限制。在DMM车轴中，两个电机和两级变速器的组合使其能够根据驾驶场景切换其模式，这大大扩展了驾驶场景范围，可以覆盖电机的高效率范围，如图7所示，这使得可以在省电的情况下以低速或高速驱动。在WLTC驾驶模式下，稍后描述的原型车辆规格中的系统操作点只能在“单引擎高”模式下在几乎所有区域运行。然而，在诸如爬山，高速驾驶和超速等情况下需要大驱动力的现实世界中，可以通过切换操作电机的数量和齿轮比率来实现高系统效率。如图8所示，在原型车的情况下，与一般的1电机1速电驱桥相比，效率可提高10%。如果巡航范围相等，这相当于电池成本和重量降低10%。

DMM轴的对称，扁平和紧凑的形状可以安装在车辆的较低位置（见图9）。这减少了车辆重力的中心，使驾驶更加稳定，并有助于内部和外部设计的更大自由度。例如，货舱可以在最后一英里的送货车辆中扩展。它还有助于减少扭矩转向，因为左右轴的长度可以设置为相等。

为了为电动汽车提供一种常规电驱桥的上坡辅助功能，有必要通过电机驱动或制动操作来维持车辆状态，这样带来的功耗会成为一个问题，因为它使车辆的耗电性能恶化。DMM车轴具有两套内置离合器，可在不消耗功率的情况下实现上坡辅助启动功能。在“双电机高”模式下，当车辆在上坡时停止并且加速器踏板被释放时，由于扭矩在单元内循环，车辆不能向后移动并停止。踩在加速器踏板上自动释放扭矩循环并允许车辆前进（见图10）。无需额外组件即可实现此简单的上坡辅助启动功能。

图10.上坡辅助启动功能

测试车辆配备DMM轴以验证功耗和驾驶性能。测试车辆是48V EV，具有四轮驱动/FF/FR的可选驱动模式，基于紧凑型跑车，前部配备DMM轴，后部配备DMM轴。表1显示了测试车辆的规格。

表1.测试车辆规格

在5种车辆速度和2种负载条件下进行了每种驾驶模式下模拟的比较和验证以及实际驾驶期间的系统效率。如图11所示，根据驾驶模式观察到差异，但偏差在+/-5%内。我们再次使用测量的效率模拟功耗。结果，已确认超过10%的功耗改善。

图11.计算和测量效率的比较

测量了模式切换时的车辆加速。典型的模式切换结果如下所示。

4.2.1单向离合器模式切换（“1电机-低”至“1电机-高”模式）

通过增加RH电机的扭矩并同时减小LH电机的扭矩，通过将扭矩从LH传递到RH电机来切换模式。如图12所示，当扭矩从LH传递到RH发动机时，车辆的加速度没有变化。

图12.从“1-电机-低”到“1-电机-高”模式改变的测试结果

4.2.2狗离合器模式切换（从“1-电机-高”到“2-电机-高”模式）

当LH电机的旋转速度增加并且RH和LH电机之间的旋转速度差小于目标值时，狗离合器被接合，并且LH和RH电机的扭矩在第一轴上组合以完成模式切换。如图13所示，狗离合器接合时，车辆的加速没有变化，表明模式顺利切换。

图13.从“1-电机-高”到“2-电机-高”模式改变的测试结果

DMM轴通过使用一个电机系统的组件（电机和逆变器）具有以下可扩展性，其中已经实施了由于大规模生产影响而导致的成本降低。

• 扩展到在高压下要求更高输出的商用车和跑车。

• 通过在每个电压下进一步降低电压（12至24 V）扩展到微型城市通勤车。

• 适用于每个电压的HEV P4（简单E4WD）。

我们开发了一种双电机多驱动模式E轴，解决了有关车辆电气化的问题，例如交付卡车等，其在实际驾驶条件下所需的驱动力发生了很大变化，同时实现低功耗和驾驶性能并提供宽货运空间。

两个电机和两级变速器的组合，实现四种驱动模式和两种再生模式，可以同时实现低功耗和高驱动性能。

DMM车轴的扁平薄型布局还允许将eaxle安装在车辆上的较低位置，从而有助于扩大货物空间。

与当前主流单电机单速Eaxle相比，WLTC模式下的功耗改善预计为+10%，这表明电池成本和重量降低+10%的可能性。

通过采用单向离合器结构，机械地解决了换挡性能问题，例如通过多阶段变速箱换挡期间的冲击和加速g的损失，并且确认测试车辆中的每个模式转换都没有问题。

我们确认，这款48 V低压原型车的DMM轴的功能和性能没有严重问题。

1. Kaneko, S., Yamada, S., Yamamoto, A., Kishida, H., Urakami, S., Ogawa, K., Aihara, T.: Demonstration of 2-speed

Seamless Shifting for EV Using Magnetostrictive Torque Sensor. JSAE Annual Congress, No.20205168. 2020

2. Mair, A.: Highly Efficient Drivetrains for the Mobility of the Future. 18th International CTI Symposium. 2019

3. Matsumoto, S., Wada, M.: Effective Drive Control of an Electric Vehicle with DC motor and CVT. JSAE Annual

Congress, No.20135834. 2013