AVL高效率双电机电驱动研发分享

在电动车越来越普及的今天，大家讨论最多的往往是续航里程、充电速度、智能驾驶 —— 但很少有人注意到，传动系统里藏着一个 “隐形功臣”：断开系统（Disconnect Systems） 。它就像车辆的 “扭矩开关”：需要动力时，能让传动部件紧密连接，把电机扭矩全传递到车轮；不需要时，又能及时断开，避免无用部件空转损耗能量。无论是提升续航，还是保护电机安全，它都扮演着关键角色。今天我们就从 “为什么需要”“怎么工作”“有哪些方案” 三个维度，彻底读懂电动汽车的断开系统。一、电动车为啥需要 “断开系统”？—— 核心功能与组成（先搞懂一个基础问题：断开系统到底是干啥的？简单说，它的核心作用是控制传动系统里的扭矩流—— 通过切换 “连接” 和 “断开” 两种状态，决定动力是否在输入轴（比如电机轴）和输出轴（比如车轮轴）之间传递：连接状态输入轴和输出轴同步转动，机械能量 100% 传递，比如四驱模式下，前后轴都需要动力时，断开系统就保持 “连接”，确保扭矩不流失； 断开状态输入轴和输出轴完全分离，没有任何扭矩传递，比如两驱模式下，后轴不需要动力，断开系统就 “断开”，避免后轴传动部件空转浪费电。 要实现这个功能，断开系统主要由两部分组成：离合器元件负责 “分离” 或 “结合” 旋转的输入轴和输出轴，最常用的是爪式离合器（Dog-Clutch） —— 它的优势很明显：一旦啮合，不需要额外能量就能保持扭矩传递，非常节能； 驱动系统（Actuation System）控制离合器的状态切换，比如用电控元件推动离合器结合或分离，现在主流是 “机电一体化系统”，既能手动控制（比如驾驶员切换两驱 / 四驱），也能自动响应（比如车辆根据路况智能调整）。 举个实际例子：很多电动车用的是内置永磁同步电机（IPMS M） —— 这种电机扭矩密度高、性能强，是目前的主流选择，但它有个特点：次级驱动部件（比如副轴）在闲置时会空转，产生拖曳损耗。这时候，断开系统就能及时断开次级驱动，把损耗降到最低；而如果用的是电励磁同步电机（EES M）或异步电机（AS M），因为没有永磁体，闲置时损耗小，反而不需要断开系统。从这里就能看出：断开系统的核心价值，本质是平衡 “动力需求” 和 “能量效率” —— 这也是电动车续航提升的关键细节之一。二、断开系统装在哪？—— 电驱与燃油四驱架构的差异断开系统不是 “一个零件”，而是 “一套解决方案”，它的安装位置，取决于车辆的传动架构。无论是电动车（BEV）还是燃油车（ICE）的四驱系统，都有它的身影，但位置和作用略有不同。先看电驱架构：P0-P5 电机位置决定断开需求电动车的电驱架构通常按电机位置分为 P0 到 P5，不同位置的电机，对断开系统的需求完全不一样：P0（皮带式启动发电机）装在发动机前端（如果是增程式），靠皮带传动，一般不需要断开系统； P2（电机在发动机和变速箱之间）P2.5（专用混动变速箱）：电机位于传动链中间，闲置时可能带动变速箱空转，需要断开系统； P3（电机在变速箱和差速器之间）直接驱动差速器，若车辆支持两驱 / 四驱切换，需在 P3 与差速器之间加断开； P4（电机独立驱动某一轴，比如后轴）最常见的 “前驱 + 后电驱” 四驱架构，后轴电机闲置时，必须靠断开系统断开后轴传动，避免拖曳损耗； P5（轮毂电机）电机直接装在车轮上，传动链极短，一般不需要断开系统。 前面提到的 IPMS M 电机，大多用在 P3 或 P4 位置，所以这类车型几乎都标配断开系统 —— 比如很多四驱电动车，在切换 “经济模式（两驱）” 和 “运动模式（四驱）” 时，背后就是断开系统在切换状态。再看燃油车四驱架构：东西向 / 南北向布局的 “动力分配”燃油车的四驱（AWD）架构，主要分 “东西向（横置发动机）” 和 “南北向（纵置发动机）”，断开系统的安装位置与驱动单元（PTU/RDU/FDU）密切相关：东西向布局（常见于城市 SUV）发动机横放，前端有前驱动单元（FDU） 带动前轮，中间靠动力传输单元（PTU） 将动力传递到后轮，后轮则由后驱动单元（RDU） 控制；断开系统通常装在 PTU 或 RDU 上，不需要四驱时，断开 PTU 与 RDU 的连接，避免后轮传动部件空转； 南北向布局（常见于硬派越野）发动机纵放，动力先到变速箱，再通过 PTU 分配到前后轴的 RDU/FDU；断开系统多装在 RDU 上，比如不需要四驱时，断开后轴动力，切换为两驱模式。 无论是电动车还是燃油车，断开系统的核心目标都是：让 “不用的动力路径” 停止工作，减少能量浪费。三、单稳态 vs 双稳态：断开系统的 “工作模式” 怎么选？断开系统有两种核心工作模式：单稳态（Monostable） 和双稳态（Bistable） —— 它们的区别，本质是 “能量消耗” 和 “适用场景” 的差异。我们可以用一个简单的比喻理解：单稳态像 “弹簧门”，松手就会回到原位；双稳态像 “家门”，关上门或打开门，不推就会保持在那个状态。1. 双稳态系统：适合 “频繁切换”，更省电双稳态系统有两个 “稳定状态”（连接 / 断开）：只要不施加外部力（比如驱动系统的推力），它就会一直保持当前状态；只有在 “切换状态” 时才需要消耗能量，切换完成后，哪怕断电也不会变。比如一辆经常在城市道路和郊区山路切换的电动车：城市里用两驱（断开状态），山路用四驱（连接状态），两种状态使用时间差不多 —— 这时候选双稳态系统最划算，因为切换时才耗电，平时零损耗。它的核心优势是低能耗，适合 “两种状态使用时间均匀” 的场景。2. 单稳态系统：适合 “短期反应”，更安全单稳态系统只有一个 “稳定状态”，另一个是 “不稳定状态”：要保持 “不稳定状态”，必须持续消耗能量；一旦断电，会自动回到稳定状态；它的核心价值是 “失效安全（Failsafe）”—— 比如遇到故障时，不用通电就能恢复到安全状态。单稳态系统的稳定状态分两种：常开（Normally Open）默认断开，需要连接时通电。比如用来保护电机：如果电机转速过高，断开系统会自动回到 “断开” 状态，避免电机过载； 常闭（Normally Closed）默认连接，需要断开时通电。比如防止车辆突然失去驱动力 —— 如果驱动系统故障，断开系统会自动回到 “连接” 状态，保证车辆能继续行驶。 它适合 “短期使用不稳定状态” 的场景，比如临时切换四驱超车，超车后马上切回两驱 —— 这时候单稳态系统的 “自动复位” 能避免忘记切换导致的能耗浪费。四、从连接到断开：一步一步看懂换挡序列1. 连接过程：先同步，再啮合连接的核心是 “同步（Synchronization） ”—— 简单说，就是让输入轴（比如电机轴）和输出轴（比如车轮轴）的转速一致，再让离合器啮合，避免冲击。具体步骤：收到 “连接请求”：比如驾驶员切换四驱模式，或车辆根据路况自动触发；扭矩归零：先控制电机把扭矩降到 0Nm，避免有扭矩时强行啮合；转速同步：通过 “外部同步”（比如控制电机转速）或 “内部同步”（比如用同步器），让输入轴和输出轴的转速差控制在很小的范围（通常小于 30rpm）—— 如果转速差太大，会拒绝连接，防止损坏；离合器啮合：驱动系统推动爪式离合器结合，完成连接；恢复扭矩：连接完成后，电机逐渐恢复扭矩，动力开始传递。这里有个关键细节：同步所需的能量，不算断开系统本身的能耗，但会影响整车能耗 —— 比如电机调整转速需要耗电，所以工程师会优化同步策略，尽量减少能量浪费。2. 断开过程：先卸力，再分离断开的核心是 “卸除残留扭矩”—— 如果离合器还带着扭矩，强行分离会需要很大的力，甚至导致离合器卡死。具体步骤：收到 “断开请求”：比如切换回两驱模式，或电机需要进入保护状态；扭矩归零：同样先控制电机把扭矩降到 0Nm，消除离合器上的负载；分离离合器：驱动系统拉动离合器分离，此时输入轴和输出轴完全断开；闲置处理：断开后，输出轴（比如后轴）进入 “空转 / 自由轮” 状态，不再跟随电机转动，减少拖曳损耗。这里要注意 “分离力” 的问题：如果残留扭矩没清干净，驱动系统需要更大的力才能分离离合器 —— 所以工程师会通过精准的电机控制，把残留扭矩降到最低，避免驱动系统过载。3. 稳定状态：连接 / 断开后的效率控制无论是连接还是断开，稳定状态下的核心需求是 “低能耗”：连接状态爪式离合器一旦啮合，不需要任何能量就能保持扭矩传递 —— 这也是爪式离合器成为主流的原因；同时，断开系统的安装位置要尽量 “靠近旋转输入端”，比如靠近电机，这样断开时，远离电机的部件（比如长传动轴）就不会空转，损耗更小； 断开状态重点是控制 “拖曳扭矩（Drag Torque）”—— 拖曳扭矩越小，部件空转时的能量损耗越少。比如侧轴断开系统的拖曳扭矩能低到 0.5Nm（30℃、1500rpm 车轮转速下），几乎可以忽略不计。 五、断开系统的 “核心方案”：驱动方式与性能对比要实现 “连接 / 断开” 的切换，关键在 “驱动方式（Actuation Method）”—— 不同的驱动方式，决定了断开系统的力、能耗、适用场景。目前主流有两种：电磁驱动（Solenoid Actuator） 和电机斜坡驱动（eMotor Ramp Mechanis m） 。1. 电磁驱动：力小、需保持电流，适合低负载场景电磁驱动靠电磁力推动离合器，特点是 “力小、结构简单”：优势成本低、响应快； 缺点最大问题是 “需要保持电流”—— 比如常闭式电磁驱动，要保持断开状态，必须持续通 2A 电流；而且驱动力小，不能在有拖曳扭矩的情况下换挡（比如部件还在空转时，没法强行分离）。 它适合 “低负载、切换不频繁” 的场景，比如小型电动车的差速器断开 —— 差速器负载小，且两驱 / 四驱切换频率低，电磁驱动的 “保持电流损耗” 影响不大。2. 电机斜坡驱动：力大、无保持电流，适合高负载场景电机斜坡驱动靠电机带动斜坡机构（类似 “凸轮”）推动离合器，特点是 “力大、节能”：优势驱动力大，能在 30Nm 拖曳扭矩下换挡（比如部件还在空转时，也能强行分离）；而且是 “双稳态”，切换完成后不需要保持电流，零能耗； 缺点结构相对复杂，成本比电磁驱动高。 它是目前电动车的主流选择，尤其是四驱高性能车型 —— 比如侧轴断开、中间轴断开，都常用电机斜坡驱动。因为这类车型需要频繁切换两驱 / 四驱，且负载大，电机斜坡驱动的 “大推力” 和 “零能耗” 能同时满足性能和效率需求。3. 四种主流断开方案对比：选哪个看需求除了驱动方式，不同安装位置的断开方案，性能也有很大差异。我们以 “差速器断开（电磁 / 斜坡）”“中间轴断开（斜坡）”“侧轴断开（斜坡）” 为例，看看它们的核心差异：指标 差速器断开（电磁） 差速器断开（斜坡） 中间轴断开（斜坡） 侧轴断开（斜坡） 拖曳扭矩（效率） 3.2Nm（40℃、1500rpm） 3.2Nm（40℃、1500rpm） 6.5Nm（30℃、1500rpm） 0.5Nm（30℃、1500rpm） 功耗 常闭，保持功率 12W 双稳态，无功耗 双稳态，无功耗 双稳态，无功耗 断开性能 有限 高 高 高 ECU / 软件需求 低 高 高 低 适用场景 小型电动车、低负载 中高端电动车、四驱 高性能电动车、大扭矩 注重续航的电动车、两驱 / 四驱频繁切换 从表格能看出：追求效率选侧轴断开：拖曳扭矩最低，能耗最小，适合以续航为核心需求的车型；追求大扭矩选中间轴断开：能承受更大负载，适合高性能车型；追求成本选差速器断开（电磁）：结构简单，适合入门级车型。六、进阶方向：断开系统还能和换挡功能 “打包”？随着电动车对 “性能 + 效率” 的需求越来越高，断开系统不再是 “单一功能部件”—— 工程师开始把它和 “换挡功能” 集成，形成 “断开 + 两挡换挡” 的一体化方案，进一步提升传动效率。比如某款电动车的 “断开 + 两挡换挡” 系统：结构上：采用 “一体化设计”，把爪式离合器和两挡变速箱整合在一起，没有同步器（靠电机同步转速），还用上了 “弹性换挡叉”，减少换挡冲击；状态上：支持 “三稳态”——1 挡（低挡位，大扭矩）、空挡（断开状态）、2 挡（高挡位，高转速）；性能上：同步转速差能控制在 30rpm 以内，换挡速度极快 —— 从 1 挡切到 2 挡只要 90-150ms，从 1 挡切到空挡（断开）只要 90ms，比人类眨眼还快；参数上：1 挡峰值扭矩 2960Nm，适合起步、爬坡；2 挡峰值扭矩 1400Nm，适合高速巡航；断开状态下，轴的最大转速能到 2900rpm，完全满足电机高速保护需求。这种集成方案的好处很明显：减少部件数量（省空间、减重）、缩短传动路径（减少损耗）、兼顾动力和效率 —— 比如低速时用 1 挡保证扭矩，高速时用 2 挡降低电机转速（省电），不需要时断开，进一步减少损耗。七、总结：断开系统的 “现在与未来”看到这里，你应该能明白：断开系统虽然不起眼，但却是电动车 “效率与安全” 的关键支撑。总结一下它的核心价值和发展方向：核心作用通过控制扭矩流，平衡 “动力需求” 和 “能量损耗”—— 连接时保证动力传递，断开时减少空转损耗，同时保护电机免受过载伤害； 适用场景不仅电动车需要，燃油四驱车也需要；尤其是用 IPMS M 电机的电动车，断开系统几乎是 “标配”； 技术核心以爪式离合器为基础，驱动方式分电磁和电机斜坡 —— 前者低成本，后者高性能；状态分单稳态（安全）和双稳态（节能）； 未来方向功能集成是趋势 —— 除了 “断开 + 换挡”，还可能和差速锁、扭矩矢量控制等功能结合，让传动系统更紧凑、更智能。 最后想说：电动车的进步，从来不是只靠 “大电池”“强电机”—— 像断开系统这样的 “细节优化”，才是提升续航和性能的 “隐形密码”。未来随着技术迭代，我们或许能看到更高效、更集成的断开系统，让电动车的驾驶体验再上一个台阶。全文完~ 免责声明：以上观点仅代表作者个人看法，与本平台无关。转载请注明出处，切勿用于商业用途，引用的PPT图片归GKN公司所有，如涉及版权问题，请第一时间告知我们删除，非常感谢。来源：电动新视界