上汽Marvel X後輪雙電機驅動系統原理、功能和優缺點分析

上汽榮威Marvel X全系共分為兩驅、四驅和Pro超能版三個車型,除了兩驅車型外,其它車型都能夠4.8s破百。


上汽Marvel X後輪雙電機驅動系統原理、功能和優缺點分析


他們的動力系統分別為雙電機和三電機:

  • 雙電機版的綜合最大功率為137kW(186Ps),最大扭矩410Nm;
  • 三電機版的綜合最大功率為222kW(302Ps),最大扭矩665Nm。

該車後軸採用了兩個永磁同步電機,相比感應異步電機來說,它的理論輸出效率比較高,並且在體積與重量上都比較有優勢,也是未來電動車的發展趨勢之一。

三電機版本則又增加了一臺最大功率為85kW(115Ps)的電機。

而至於說兩個電機是如何配合工作的,在一般工況下,電控耦合機構會斷開小功率電機,保證該車續航里程,而在急加速工況下,小電機會與大電機一起工作,實現高功率扭矩輸出。


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至於驅動後軸的雙電機EDS技術,上汽給出的官方解釋自然是為了優化能耗,全力加速的時候雙電機同時發力,而在低負載工況,85kw電機用於日常驅動車輛(勝任90%以上的日常工況),52kw電機作為備份隨時介入。

當然,雙電機+兩級變速的EDS驅動模式確實能達成能耗和性能上的兩邊滿足,而選用現在在ERX5上已經成熟的85kw電機,也有成本和可靠性上的考量。

據說Marvel X的架構設計上也已預留好後軸換用單一大功率電機的方案,等成熟且高效的大功率電機投入量產階段。


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目前市面上的雙電機車型還是很多的,如特斯拉Model S、蔚來ES8、比亞迪唐、榮威eRX5等車型都是雙電機驅動,捷豹I-PACE等新車型也搭載了雙電機驅動系統。這些車型在性能方面的表現都是不錯的,如:

  • Model S 75D的最大扭矩達到525Nm,百公里加速4.4s
  • 榮威eRX5的最大扭矩達到704Nm,百公里加速7.5s
  • 捷豹I-PACE的最大扭矩達到696Nm,百公里加速4.8s
  • 蔚來ES8的最大扭矩840Nm,百公里加速4.37s

由此可見,雙電機完全可以提供彪悍的性能。


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榮威Marvel X這臺車在國內還是被寄予厚望的,因為我們鼓勵了這麼多年的新能源汽車,特別是純電動汽車,現在需要做一臺往上的車、可以看到特斯拉後背的車,這樣才能讓國內這些年的鼓勵和支持政策有個合乎預期的產品做兌現。

於是這臺車做得很複雜,又整合了諸多功能(具體可以拆分成動力總成、智能化和其他一些功能),而作為一臺高性能車,如果想讓體驗者感覺到差異,還需要提高扭矩、功率,也就是讓車輛的體驗先做出來。


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雙電機驅動,採用齒輪傳動機械耦合。基本原則是,在某一車速下,即確定兩臺電機的轉速後,在更寬的轉矩範圍內進行適配。依據效率優先的原則,選擇兩臺電機的輸出扭矩,或確定某臺電機的單獨工作(如上汽的產品,其中一臺電機是有離合器的),當然也可以基於兩檔減速器來配合。

這種做法,比前後電機配置的四驅更具有靈活性。而且進行雙電機耦合的結構,物料成本上,較前後驅,是有所節省的。最後,上汽選擇的兩臺電機功率,並不是重新開發的,而是基於其之前項目沿用下來的兩臺電機進行的組合。這樣平臺化的選型,成本上能進一步降低。


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想要開起來爽,需要在原有的車型平臺上做一些改進,把前驅的配置改成後驅。而為了在百公里加速特性上做出明確的改變,Marvel X的動力總成需要一臺140kw左右的電機,其實這個電機的問題也一直困擾著國內外的車企。

因為想要選用一個大的交流異步電機很困難,但是我們已經知道未來的發展方向就是在永磁同步電機的體系下,那如何在確保設計完整、產品可靠的條件下達到動力性的需求,但又在驅動效率上不做妥協?

從驅動系統設計的角度來看,對電機和逆變器做全新設計需要很長時間,對此負責的工程師需要做取捨。


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為節約時間成本,Marvel X採用的雙電機EDS驅動系統在自身原有技術積累的基礎上引入了全新的設計思路,在保持原有電機的基礎上採用雙電機方案:把140kw動力需求拆分為一個85kw的主電機和一個52kw的輔助電機,通過齒輪系進行耦合。

  • 主驅電機:通過齒輪系統始終連接車輪,在中低扭矩需求的時候提供常規的驅動
  • 輔驅BM電機:在扭矩需求較大的時候介入,為了達到高效的耦合設計了兩個檔位,高速行駛時可以換入二檔,提升驅動效率。

在原有的雙電機設計基礎上,從原來的圓線繞組改進成Hair-Pin繞組,這也是基於損耗的角度考慮,從而提高電機的運行效率。本質上,這還是要解決加速特性和整體運行效率問題。


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與之對應的,在2018年以前,Tesla選擇保證加速特性而犧牲一定的驅動效率,其他車企大部分選擇運行效率而放棄追求加速特性。

Marvel X的永磁同步電機和異步電機相比,前者無轉子銅耗,高效區寬,在低轉速區間,異步電機效率下降趨勢更加明顯,可見,Marvel X雙電機策略還有其獨特性。

  • 優點:效率高,取得了加速性能和效率平衡點上較高的那段,在速度需求和扭矩需求的二維平面上做了很好的效率選擇。做出了基於永磁電機的高性能解決方案。
  • 缺點:這套系統對於製造精度、機械能量損耗與當初的預期設計有些差異,使得總體的能效離設計理想有一些出入,成本相對較高,很難複用在其他各個普通的電動汽車車型平臺上。

總的來說這款產品更多的還是展現了上汽EDU和EDS綜合設計水平。下面說說Marvel X的雙電機驅動系統,看看為何它的效率會如此之高。


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Marvel X為了提高效率,採用了前面講的雙耦合的方式,為了達到7s左右的加速,需要大概140kw的驅動電機,通過雙電機驅動,使一臺85kw的主驅動電機(TM)和一臺52kw的輔助驅動電機(BM),其中TM電機一直連接車輪,BM電機通過兩速的變速箱按需接入,稱為DM EDS系統。

下面我們來看下這兩臺電機在不同的工況下如何配合工作實現更高的效率:

  • 低速階段,TM電機工作,而當需要強力加速時,BM電機連接一檔介入,兩者轉矩耦合,疊加後的轉矩實現7s左右的百公里加速。
  • 中高速階段,系統根據工況自動選擇電機,讓系統一直處於高效率區間。
  • 高速輕載階段,系統將BM電機連接2檔介入,通過轉速耦合,此時依然能讓兩臺電機工作在高效率區間。

通過這些不同的工況下兩臺電機的協調配合,讓整個系統在不同的車速、負載區間都能在最大程度上工作在高效率區間,整體效率提升在10%左右,既保證了性能需求,又保證了系統的續航,百公里電耗降低到14.2度。

這就是為什麼Marvel X只用了特斯拉Model S 75D 70%的電量,實現了相近的續航(400km)。

當然,特斯拉Model S使用的是異步電機,其效率不如同步電機,功率密度也不佔優勢。但其過載能力更強,所以在性能方面Model S還是有相當優勢的。


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同時,Model S使用的異步電機在低速情況下效率降低明顯,這也是為什麼Model S在國內的續航會大打折扣:美國交通擁堵情況更少,低速工況較少,而國內特別是大城市,擁堵更多,在這種情況下Model S效率下降比較多。

對比相同或相近價位的純電汽車,Marvel X的優勢也很明顯:

  1. 處於30萬元區間的比亞迪秦,電池組容量為60.48kwh,使用了120kw單電機,續航里程為400kw,最大扭矩310Nm,百公里加速7.9s,性能與Marvel X非常接近,但是它的電池組比Marvel X大了10%;
  2. 價位更高的蔚來ES8,使用的電池組容量為70kwh,前後雙電機,因為使用的是交流異步電機,最大扭矩達到840Nm,百公里加速4.37s,但其在電池組容量比Marvel大超過25%的情況下,其續航里程僅為355kw,據說實測續航里程更低,當然也有汽車尺寸更大、重量更高的因素,但也由此可見,Marvel的效率是非常高的,性能較為均衡。


參考文獻:

1、朱玉龍,知乎,2018年9月28日。

2、xinhe sun,知乎,2018年9月27日。

3、愚樹,知乎,2018年4月25日。

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