电动汽车保留了传统汽车的加速踏板、制动踏板和各种操纵手柄等,但它不需要离合器,不需要变速箱。当驾驶员启动点火钥匙时,电动汽车并没有什么反应,只是附件电器接通电源,但电机并没有开始运转。当驾驶员把挡位换到D档,并踩加速踏板,此时挡位信息和加速踏板的行程,转换为电信号,通过信号线传递给整车控制器VCU,VCU把驾驶员的操作意图通过CAN线,传递给电机控制器MCU,电机控制器将动力电池提供的高压直流电,转变成三相交流电,驱动电机旋转,输出扭矩,通过变速器、差速器和传动轴,驱动车轮转动。随着油门加速踏板被踩的深度不断加大,电机控制器控制它内部的6个IGBT功率开关管,使IGBT的开通的频率增加,电流不断增大,电机的转速不断增大,电动汽车就会不断加速,在这一段加速过程中,电机的功率也是不断增加的,但是电机的转矩保持为最大值不变。
当驾驶员松开加速踏板,电控系统根据加速踏板的位置传感器的信息,调节电机的转速,最终使电动车的速度下降。
与此同时,电机控制器会通过电流传感器、电压传感器、温度传感器、电机旋转变压器等,监测当前电机的电流大小、电压大小、转速大小、电机温度等信息,并把一部分信息数据通过CAN网络,传送给整车控制器、车内仪表。
电动汽车是如何实现倒车的呢?
当驾驶员挂倒挡(R档)时,倒车信号就发送给整车控制器VCU,再通过CAN线传递给电机控制器MCU,电机控制器通过控制它内部的6个IGBT的开关顺序,改变输出的三相交流电UVW的相序,从而控制电机反转,实现倒车。
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电动汽车并不是没有变速箱,减速器可以理解为单速变速,这其实也是一种变速箱。
电动汽车普遍没有变速箱,原因并不是因为绝对不需要,而是技术达不到。不过一般家用电动车可以没有,电机需要减速而不是档位的变化,原因是因为电机的运行特点。
如图所示,简单的理解永磁同步电机在运行中没有摩擦、没有震动、没有噪音,而这些正是燃油发动机的所有特征。电机可以轻松达到一万转以上,车速飞快的状态下基本只有风噪而掩盖驱动电机的声音;但是发动机如果到一万转基本是在嘶吼,而且民用车一般五六千转就断油了,即使在这种转速下发动机的噪音也大到难以接受。
如果发动机没有变速箱,通过一个齿轮比输出动力,那么发动机的转速就代步了车速,想要高速行驶发动机就要高转速运行,噪音和震动是不能接受的,发动机也会加剧磨损降低寿命,所以内燃机匹配变速箱是必须的。
但是电机没有这些问题,一万转也没有可怕的噪音和震动,而且不存在磨损,所以不需要变速。不过转速太高直接传动是不现实的,直驱一万转是什么概念了。所以电机需要减速,只要能把转速控制在更低的区间就足够了,一个齿轮比可以做到所以减速器一般都单速,也就叫做电动汽车专用单速变速箱。
不过电机并不是完美的,恒扭力可以瞬间爆发最大动力,但达到恒功率区间扭力会明显下降。
理论上通过传统变速箱的多档位可以缓解这个问题,但这种变速箱只能承受小功率低转速的电机,反而会牺牲性能。在技术没有突破之前,解决电机扭力衰竭只能通过加大功率电机,这也是新能源汽车动力越来越强的原因所在。
目前大多数电动汽车并没有变速箱存在,只有一个单速的减速箱。包括特斯拉也是如此,但是并不代表电动汽车并不需要变速箱。凭借着电动机恒转矩与恒功率的特性,乘用车不需要变速箱也可以做到与燃油车等同的性能。
电动机的特性就是低转速高转矩。
上图是驱动电机转速、扭矩、输出功率的特性图,电动机在额定功率之前工作时,其扭矩是保持不变的,与转速没有直接关系,电机工作在恒转矩区域。这期间电机的扭矩与电流有直接关系,通过调节电机工作电压可以控制速度。通过调节供电电流可以控制电机扭矩,因此低电压低速时电机也可以输出高扭矩,只要调节控制电流就控制电机扭矩。随着电机转速增加,电机的扭矩反而下降,进入恒功率区间。这是电机的物理特性决定的,转速增加扭矩下降,转矩×扭矩=功率。因此达到额定功率时电动机转速持续增加而扭矩会持续下降电机保持在恒定功率状态下。
这种情况下,只要电动机功率足够大,那么完全可以不用变速箱来驱动汽车
例如某驱动电机最大功率135kw,最大扭矩为315Nm。最高转速18000rpm,从参数来看,315Nm完全可以取代内燃机,某些2.0T发动机最大扭矩仅为320Nm,因此这样的电机完全可以代替发动机驱动车辆行驶。这种情况下只需要配备一个单速减速箱即可,虽然电动机最大扭矩可以达到315Nm,但是仍然不能直接驱动车轮,需要一个减速箱降速来放大扭矩。
上图是
特斯拉P85电动机性能曲线图(与911对比),可以看出来电动机最高转速达到1600转/分,0-6000转的扭矩为600Nm。尽管有着如此高的扭矩,电动机也是不能直接驱动车轮的,还需要减速箱降速来提升扭矩。特斯拉减速箱速比与主减速叠加后,最终传动比为9.73,而电动机扭矩则放大了9.73倍,整体输出扭矩已经接近6000Nm了。因此零百加速成绩优秀,电机转速拉到8000转/分时,车速可以达到110km/h左右。这就是电动机的优点,利用其高转速的特点特点可以提高传动比来提高驱动能力。
放在内燃机上,单速变速箱几乎是不能用的。
特斯拉的传动比要比燃油车一档还要高,燃油车如果用着变速箱 那么只能满足起步需求。而发动机最高转速比起电机低很多,如果跑到110km/h,那么发动机转速已经上升到8000转/这是非常恐怖的,巨大的震动/噪音/油耗是不能接受的,况且发动机红线转速不可以维持太长时间的。而放在电动汽车上,起步问题解决后 ,极速更容易解决了!那就是粗暴的把转速拉高就可以做到了!例如转速直接拉到16000转/分,理论车速已经达到220km/h。
因此电机功率足够的情况下,乘用车并不需要采用变速箱。加了变速箱反而会比较麻烦,体积重量控制逻辑都是问题,而能承受600-1000Nm的变速箱制造起来有一定难度,难以实现。而电动机功率不足,受到体积限制的情况下,必须要加装变速箱。以便低速时放大扭矩、中速时提高转速、这样电动机利用率才能高一些,而乘用车只要电动机功率足够是不需要变速箱的。
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