Electric vehicles (EVs) are growing in importance. One promising technique to improve the performance and efficiency of EVs is the introduction of multi-speed transmissions (MSTs). Multiple speed ratios can maintain the traction motor at the most efficient operation region, especially for medium- and heavy-duty EVs. In order to support the optimum design and control of MSTs for EVs, a thorough dynamics analysis is needed. However, a complete mathematical model of MSTs for EVs has not yet been developed. This model is needed to analyze and optimize the gear-shifting events such that a swift, seamless shifting can be achieved. This task is currently conducted by means of simplified dynamics models. The work reported here includes the formulation of a detailed model of a novel modular MST for EVs that takes into account discontinuities brought about by backlash and dry friction in the gear pairs. The dynamic response of gear-shifting was simulated for validation, the results were verified experimentally on an in-house developed testbed of the novel MST.

In addition, multi-speed transmissions undergo topology changes during gear-shifting. Nevertheless, this important phenomenon has been overlooked in transmission-model formulation, which results in an inaccurate prediction of the dynamic response. To fill this gap, a topology-change model was formulated to address the topology change in vehicle transmissions during gear-shifting. The velocity jump brought about by topology changes is given due attention. A case study is included, whereby the model is implemented in a novel modular MST for EVs. Both simulation and experimental tests were conducted for validation. A good agreement between simulation and experimental results was achieved, which verifies the pertinence of the model. It was concluded that the topology-change model improves the capability of transmission mathematical models in predicting the transmission dynamic response during gear-shifting.

Furthermore, the transmission model was used in a range-prediction model of EVs with MSTs. Most range models are solely available for EVs with fixed gearing. Moreover, transmissions are assessed solely with a constant efficiency in EV range-prediction procedures available in the literature. A simple and accurate range model for EVs with MSTs is proposed in this dissertation. In order to predict the range of EVs with MSTs reliably, the actual transmission efficiency was computed by means of a transmission model. A case study aimed at predicting the range of the GM EV1 with a two-speed novel modular transmission is included. Moreover, a simulation test with constant transmission efficiency, intended to underline the advantages brought about by the actual transmission efficiency in range-prediction, is provided. The results indicate that the range of the two-speed GM EV1 simulated with constant transmission efficiency is 7.73% longer than the range of the standard GM EV1. Nevertheless, this number could actually reach up to 13.09% when the range is predicted with the actual efficiency. This result was verified by means of the detailed model created in this dissertation that estimated a 12.76% of range improvement. In summary, this thesis highlights the advantages of realistic models that lead to a reliable prediction of the transmission efficiency and the range of EVs with MSTs.

Les véhicules électriques (VÉ) sont de plus en plus répandus. Une avenue prometteuse pour ´ améliorer les performances et l’efficacité des VÉ est l’utilisation des transmissions multi ´ vitesses (TMV). Des rapports de vitesse multiples permettent de maintenir le moteur de traction dans sa zone de fonctionnement le plus efficace, en particulier pour les véhicules électriques de moyenne et de grande puissance. Pour arriver à une conception et une commande optimales des TMV destinées à des VÉ, une analyse dynamique approfondie est ´ nécessaire. Cependant, un modèle mathématique complet des TMV pour VÉ n’a pas à ce ´ jour encore été élaboré. Ce modèle est nécessaire pour analyser et optimiser les changements de vitesse de sorte qu’un changement rapide et continu puisse s’effectuer. Cette tˆache est actuellement menée à l’aide de modèles dynamiques simplifiés. Le travail présenté ici aborde la formulation d’un nouveau modèle pour les TMV qui prend en compte les discontinuités provoquées par des jeux et le frottement sec au niveau des pairs d’engrenages. La réponse dynamique du changement de vitesse a été simulée pour être validée, les résultats ont été vérifiés expérimentalement sur un banc d’essai maison de la nouvelle TMV.

De plus, les transmissions multi vitesses subissent un changement de topologie lors des changements de vitesse. Toutefois, cet important phénomène a été négligé dans les formulations des modèles de transmission, se soldant en une prédiction inexacte de la réponse dynamique. Pour répondre à cette problématique, un modèle des changements de topologie a été conçu pour prévoir ces derniers à l’intérieur de la transmission des véhicules lors des changements de vitesse. Le saut de vitesse causé par ces changements a donc reçu ainsi l’attention nécessaire. Une étude de cas est incluse, où le modèle est implémenté sur une nouvelle TMV modulaire pour VÉ. Des simulations ainsi que des tests expérimentaux ont été menés pour validation. Une bonne concordance entre les résultats expérimentaux et de simulations a été observée, ce qui confirme la pertinence du modèle. Il a été conclu que le modèle de changements de topologie améliore la capacité des modèles mathématiques de transmission de prévoir la réponse dynamique de cette dernière durant les changements de vitesse.

Finalement, le modèle de transmission est utilisé pour prédire les distances pouvant être parcourues par les VÉ munis de TMV. Les modèles actuels n’existent que pour les véhicules à engrenages fixes. De plus, au travers de la littérature disponible, ces transmissions sont évaluées en considérant seulement un rendement constant en ce qui concerne la prédiction de distances. Un modèle simple et précis pouvant servir à cette fin pour les VÉ munis d’une TMV est proposé dans cette dissertation. Pour pouvoir prédire avec fiabilité la distance pouvant être parcourue, c’est-à-dire l’autonomie, le rendement réel est calculé à l’aide d’un modèle de la transmission. Une étude de cas portant sur l’autonomie de la GM EV1 avec une nouvelle transmission modulaire à deux vitesses est incluse. De plus, une simulation avec un rendement de transmission constant, effectuée pour souligner les avantages de prendre en compte le rendement réel dans la prédiction d’autonomie, est également fournie. Les tests permettent de conclure que l’autonomie de la GM EV1 à deux vitesses prédite avec un rendement constant est 7,73 % plus élevée que celle de la GM EV1 standard. Cependant, ce nombre pourrait dans les faits atteindre 13,09 % lorsque la distance atteignable est prédite avec le rendement réel. Ce résultat a été vérifié à l’aide d’un modèle détaillé créé pour cette thèse qui estime que l’amélioration de l’autonomie est de l’ordre de 12,76 %. Bref, cette thèse met en lumière les avantages de modèles plus réalistes qui permettent de mieux prédire le rendement et l’autonomie des VÉ munis de TMV.