AWD电动汽车真需要两部电机吗?

乍眼一看,双电机AWD电动汽车似乎可以满足一些OEM的要求,但GKN Automotive(吉凯恩汽车公司)最新研究结果表明: 要向双电机AWD电动汽车说No!

单电机比双电机设计更适合AWD电动汽车。近日,GKN Automotive(吉凯恩汽车公司)从事实、数据和成本三个主要方面,深入对比单电机AWD和双电机AWD电动汽车设计后得出结论:「最初应用于内燃机动力汽车的断开技术同样适用于下一代电动汽车。」GKN公司AWD系统经理MichaelHöck表示,「我们在公司位于德国罗马尔的技术中心进行了模拟实验。结果显示,向车辆所有车轮传递动力的最有效方式是使用传统AWD系统配合断开技术的设计。」

尽管大多数装配AWD系统的电动汽车和混合动力汽车是通过第二轴的电气化向车轮提供动力,也就是在车辆前方或后方配备一个「悬挂式」电机,作为车辆一级电机的补充。由于这种设计不仅需要两个电机,而且还需要配备两套逆变器和变速器,因此成本相当昂贵。「额外的逆变器和变速器还会耗能,因此车辆的效率就会降低,」Höck表示,「而效率降低就意味着续航里程缩水,这在电动汽车行业众所周知。」此外,双电机配置的安全性和牵引力在车辆行驶循环的大部分时间中也没有优势。

随着消费者对AWD电动汽车的需求越来越多,GKN决心详细研究对比各种AWD配置的优劣势。GKN的模拟基于「大多数双电机电动汽车基本上一直运行在AWD模式下」的事实。Höck解释道,「一些系统允许车辆在不需要AWD功能时断开其中一个电机,从而提高效率。但事实上,系统断开的只有电机耦合部分,车辆传动系统的其余部分仍在运转。」

「这不仅会造成不可避免的寄生损耗,而且根本无法让两部电机的传动比同时调试至最优,」Höck补充道,齿轮传动只能针对单电机或双电机优化,但AWD车辆会在两轮和四轮驱动间来回切换,因此无法总是优化至可以提供最高效率的状态。Höck表示,「机械AWD系统的优势在于无需在单电机和双电机之间做出妥协。」

GKN在研究之初,选择了一辆带有「悬挂式」AWD系统的车辆进行模拟,以确定该「悬挂式」系统的工作频率。「测试表明,即使在结冰和雨雪等低抓地力路面条件下,AWD系统的使用频率也仅有四分之一,」GKN公司AWD系统测试协调员ChristophSchmahl指出,「在高抓地力的城市和农村路面条件下中,这个数字在9%到14%之间,而在主干道上,AWD系统的使用频率仅为1%。研究结果表明, 车辆根本没有必要随时随地为所有车轮提供动力,这会显著降低整个行驶循环的效率。

更简洁、更经济

对比看来,在电动汽车中应用传统AWD架构似乎更简洁、更高效,而且成本也更低。这种基于单电机的机械AWD架构仅通过一个动力输出单元(PTU)传动轴和一个后驱单元(RDU)即可为车辆的四个车轮提供动力。

Höck暗示,AWD电动汽车提高能效的关键在于离合器,这个离合器必须能在车辆不需要AWD功能时断开PTU、传动轴和RDU。只有这样,电动汽车才能获得大幅的能效优化,并同时提供AWD车型特有的稳定性和安全优势。此外,传统机械AWD设计无需配备第二套电机、逆变器和变速器,因此整体重量更轻,这也可以进一步提高车辆能效。

GKN的ActiveConnect主动连接系统采用了搭配爪式离合器的PTU单元,可在输入轴处断开电机。GKN还在车尾处配备了两个模块化RDU单元,从而更好地满足不同应用场景的需求。RDU助推器则采用了一个侧装式离合器,从而延续传统AWD系统紧凑、轻质的优势。

GKN的TwinsterRDU单元使用双盘离合器取代了传统的差速器,从而进一步增强了车辆的行驶动力学性能。「通过在传动轴的纵向方向对两个后轮应用扭矩控制,车辆在公路和越野路况下的牵引力都得到了提高。」Höck解释道,「两个系统的断开功能没有差别,因此效率可以得到最大保证,这对电动汽车来说是至关重要的。」

Höck表示,公司的ActiveConnect系统自2014年登陆传统内燃机车型以来,已经展示了「显著」的节油表现。那么,ActiveConnect系统是否适用于电动汽车呢?事实上,这种「传统」AWD系统在控制电机初始扭矩方面可以发挥很大作用,并且可以在相对低速下断开,从而在正常驾驶条件下获得最大的能效提升。

单电机解决方案

通过使用基于单电机的ActiveConnect系统,车辆几乎可以立即将扭矩分配到任何有需要的地方。「例如,在越野路况下,由于前轮的牵引力更高,则系统可以将全部扭矩输送给前轮,」Höck解释道,「双电机设计却只能将其中一个电机的总扭矩输送给前轴。此外,有了Twinster的助攻,ActiveConnect系统还可以优化两个后轮间的牵引力分配。」

ActiveConnect系统一旦检测到牵引力丢失,可以再次「几乎立即」将高达100%的扭矩传递到车辆后方,以更大的牵引力向后轮输送扭矩。此外,如果车辆在弯道行驶中失去牵引力,系统还可以在两个车轮之间重新分配扭矩,从而协助校正偏航力矩。

在测试过程中,ActiveConnect系统的电动汽车模拟结果显示,单电机设计的效率比双电机永久AWD系统高9%,比配备电子断开功能的双电机设计高6%。另外需要说明的是,为了模拟最常见的正常驾驶环境,GKN在模拟中采用了WLTC全球统一轻型汽车测试循环工况和低断开速度的设置。

Höck总结了公司有关双电机技术的主要发现:「与配备断开装置的双电机设计相比,带有断开装置的单电机AWD设计所需的传动系统元件数量大大降低,可以为厂商节省大量成本。由于无需装配第二套电机和逆变器, 单电机设计仅在传动系统上就可以节省高达13%的成本。

Höck补充说,未来,某些电动汽车应用也可能都会使用多速电子变速器,而一辆装配单电机AWDActiveConnect系统的电动汽车可以「轻松」集成这一功能,从而通过降低能耗或提高性能来进一步延长电动汽车续航里程。

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