一種基于雙離合變速器的混合動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)

楊冬生，白云輝，孫浩

（比亞迪汽車工業(yè)有限公司，深圳 518118）

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一種基于雙離合變速器的混合動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)

楊冬生，白云輝，孫浩

（比亞迪汽車工業(yè)有限公司，深圳 518118）

摘 要：提出一種基于雙離合變速器的混合動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)，利用同步器的結(jié)合斷開實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)的動(dòng)力傳遞轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)多種驅(qū)動(dòng)方式的自由切換。同時(shí)，利用電機(jī)調(diào)速功能，減少換擋時(shí)間，提高傳動(dòng)效率。

關(guān)鍵詞：混合動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)；雙離合；同步器；電動(dòng)發(fā)電機(jī)；工況

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.02.019

孫浩，碩士研究生，就職于比亞迪汽車工業(yè)有限公司。

CLC NO.: U463.2 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2016)03-54-03

引言

汽車的發(fā)展?fàn)顩r標(biāo)志著一個(gè)國家的工業(yè)和科學(xué)技術(shù)發(fā)展水平，也能夠給人們的日常生活帶來極大的方便，然而汽車也帶來環(huán)境污染和能源短缺等系列問題。在全球的環(huán)境污染中，燃油汽車的尾氣排放占到了 42%[1]，石油的快速消耗也造成了嚴(yán)重的能源危機(jī)，嚴(yán)重影響汽車在未來的可持續(xù)。在這種壓力下發(fā)展新能源汽車也將并且一定會(huì)在相當(dāng)長的時(shí)間內(nèi)成為以后汽車發(fā)展的主要方向[2]。

混合動(dòng)力汽車由于兼具內(nèi)燃機(jī)汽車和純電動(dòng)汽車的優(yōu)點(diǎn)，大力發(fā)展插電式混合動(dòng)力汽車可從從輕污染逐步過渡到完全無污染，解決能源問題和環(huán)境問題的有效路徑之一[3-4]。

動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的優(yōu)劣對(duì)于混合動(dòng)力汽車的燃油經(jīng)濟(jì)性、尾氣排放等具有重要影響[5]。本文主要講述一種基于雙離合變速器的混合動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)，發(fā)動(dòng)機(jī)與電動(dòng)發(fā)電機(jī)輸出的動(dòng)力可以通過同步器輸出，結(jié)構(gòu)緊湊且控制方便。

1、基本原理

本文所述混合動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)原理簡圖如圖1所示。該動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)主要包括發(fā)動(dòng)機(jī)單元1、離合器、變速器單元2a、第一電動(dòng)發(fā)電機(jī)41、同步器6和車輪端200。

圖1 原理簡圖

變速器單元2a可選擇性地與發(fā)動(dòng)機(jī)單元1動(dòng)力耦合連接，也可將來自第一電動(dòng)發(fā)電機(jī)41的啟動(dòng)力矩輸出給發(fā)動(dòng)機(jī)單元1，以啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)單元1。

第一電動(dòng)發(fā)電機(jī)41與變速器單元2a動(dòng)力耦合連接。因此發(fā)動(dòng)機(jī)單元1可將產(chǎn)生的至少部分動(dòng)力通過變速器單元2a輸出給第一電動(dòng)發(fā)電機(jī)41，此時(shí)第一電動(dòng)發(fā)電機(jī)41可發(fā)電，并可將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能并儲(chǔ)存在蓄能部件。同樣，第一電動(dòng)發(fā)電機(jī)41可以將來自電池組件的電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，且可通過變速器單元2a輸出給輸出部5，最終用于驅(qū)動(dòng)車輛。

同步器6可在輸出部5和變速器單元2a之間可選擇地同步，結(jié)合時(shí)將來自發(fā)動(dòng)機(jī)和第一電動(dòng)發(fā)電機(jī)的動(dòng)力傳輸給輸出部5； 不結(jié)合時(shí)，切斷動(dòng)力輸出。這樣通過控制一個(gè)同步器6的接合或斷開，從而可以實(shí)現(xiàn)整車驅(qū)動(dòng)模式的轉(zhuǎn)換。

由于應(yīng)用場(chǎng)合的特殊性，此處應(yīng)用同步器6相對(duì)離合器具有如下優(yōu)點(diǎn)：

（1）當(dāng)同步器6斷開時(shí)，需要將發(fā)動(dòng)機(jī)單元1、變速器單元2a和第一電機(jī)發(fā)電機(jī)41與車輪200的動(dòng)力徹底斷開，使得雙方各自進(jìn)行的運(yùn)動(dòng)互不影響，從而減少車輛的能量消耗。

（2）當(dāng)同步器6接合時(shí)，需要將發(fā)動(dòng)機(jī)單元1和第一電動(dòng)發(fā)電機(jī)41耦合后的驅(qū)動(dòng)力經(jīng)過變速器單元2a的扭矩放大后傳遞至車輪200，或?qū)④囕?00的驅(qū)動(dòng)力傳遞至第一電動(dòng)發(fā)電機(jī)41用于發(fā)電，這就要求此處的動(dòng)力耦合裝置可以傳遞很大的扭矩，并具有很高的穩(wěn)定性。若選用離合器，其體積因?yàn)樾枰艽髠鬟f扭矩而必然很大，增加了布置難度，提高了重量和成本，并且在扭矩沖擊時(shí)，有打滑的風(fēng)險(xiǎn)。

（3）第一電動(dòng)發(fā)電機(jī)41可以調(diào)節(jié)變速器單元2a的速度，例如以輸出部5的轉(zhuǎn)速為目標(biāo)，通過電機(jī)轉(zhuǎn)速的改變，調(diào)節(jié)變速器單元2a的速度，使得變速器單元2a與輸出部5的速度在較短的時(shí)間內(nèi)迅速匹配，從而減少同步器6同步所需的時(shí)間，減少中間能量損失，同時(shí)還能夠?qū)崿F(xiàn)同步器6的無扭矩接合，極大地提高了車輛的傳動(dòng)效率、同步可控性和同步的實(shí)時(shí)性。

2、動(dòng)力結(jié)構(gòu)

2.1 結(jié)構(gòu)原理

基于第一部分所述原理，并增加第二電動(dòng)發(fā)電機(jī)作為扭矩補(bǔ)充，構(gòu)建一動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)原理如圖2所示。發(fā)動(dòng)機(jī)單元1與雙離合器31的輸入端313相連，雙離合器31的第一輸出端311與第一輸入軸21相連，雙離合器31的第二輸出端312與第二輸入軸22相連，第二輸入軸22同軸地套設(shè)在第一輸入軸21上。

第一電動(dòng)發(fā)電機(jī)41通過一個(gè)中間齒輪411而與第二輸入軸22上的主動(dòng)齒輪25間接傳動(dòng)。輸出軸24上固定設(shè)置有兩個(gè)從動(dòng)齒輪26。同步器6設(shè)置在輸出軸24上，主減速器主動(dòng)齒輪51相對(duì)輸出軸24可差速轉(zhuǎn)動(dòng)，51的左側(cè)可以通過連接桿固定有與同步器6適配的接合齒圈52。

第二電動(dòng)發(fā)電機(jī)42的輸出端直接與51相連。其中，51與主減速器從動(dòng)齒輪53外嚙合， 53可以固定在差速器54的殼體上，以將動(dòng)力傳遞給差速器54， 54分配完動(dòng)力后可適應(yīng)性傳遞給兩側(cè)的半橋，從而驅(qū)動(dòng)車輪200。

圖2 結(jié)構(gòu)原理圖

該動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)中，發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力科通過雙離合器以不同的速比傳遞到輸出軸，第一電動(dòng)發(fā)電機(jī)也可通過擋位齒輪組以一固定速比將動(dòng)力傳遞到輸出軸。同步器接合，動(dòng)力即可傳遞到主減速器和差速器，最終傳遞給車輪。第二電動(dòng)發(fā)電機(jī)則可以通過輸出部直接將動(dòng)力傳遞至車輪。

2.2 驅(qū)動(dòng)方式

下面將根據(jù)動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)具體結(jié)構(gòu)對(duì)該混合動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)的驅(qū)動(dòng)方式進(jìn)行描述。

2.2.1 工況模式

（1）單電機(jī)純電工況

雙離合器31切斷，同步器6切斷，發(fā)動(dòng)機(jī)單元1和第一電動(dòng)發(fā)電機(jī)41不工作，第二電動(dòng)發(fā)電機(jī)42通過主減速器主動(dòng)齒輪驅(qū)動(dòng)車輪200。該工況主要用于勻速或城市工況等小負(fù)荷情況，同時(shí)電池具有較高的電量。該工況的優(yōu)點(diǎn)在于第二電動(dòng)發(fā)電機(jī)42直接驅(qū)動(dòng)，傳動(dòng)鏈最短、參與工作的部件最少，可以達(dá)到最高的傳動(dòng)效率和最小的噪音。

（2）雙電機(jī)純電工況

雙離合器31切斷，同步器6接合，發(fā)動(dòng)機(jī)單元1不工作，第一電動(dòng)發(fā)電機(jī)41通過主動(dòng)齒輪25和對(duì)應(yīng)嚙合的從動(dòng)齒輪26構(gòu)成的擋位齒輪組以及同步器6將動(dòng)力傳遞至主減速器主動(dòng)齒輪，第二電動(dòng)發(fā)電機(jī)42直接通過主減速器主動(dòng)齒輪驅(qū)動(dòng)車輪200。該工況主要用于加速、爬坡、超車、高速等較大負(fù)荷場(chǎng)合，且電池電量較高的情況。該工況相較于單電機(jī)驅(qū)動(dòng)擁有更好的動(dòng)力性能，相較于混合動(dòng)力擁有更好的經(jīng)濟(jì)性和更低的噪音，更能突出其優(yōu)勢(shì)的典型應(yīng)用場(chǎng)合為大坡度（盤山路）的擁堵路況。

（3）并聯(lián)工況

雙離合器31接合，同步器6接合，發(fā)動(dòng)機(jī)單元1和第一電動(dòng)發(fā)電機(jī)41通過主動(dòng)齒輪25和對(duì)應(yīng)嚙合的從動(dòng)齒輪26構(gòu)成的擋位齒輪組以及同步器6將動(dòng)力傳遞至主減速器主動(dòng)齒輪，第二電動(dòng)發(fā)電機(jī)42直接通過主減速器主動(dòng)齒輪驅(qū)動(dòng)車輪200。該工況主要用于急加速、爬大坡等最大負(fù)荷場(chǎng)合。該工況的優(yōu)點(diǎn)是三引擎同時(shí)驅(qū)動(dòng)，可以發(fā)揮最大的動(dòng)力性能。

（4）串聯(lián)工況

雙離合器31接合，同步器6切斷，發(fā)動(dòng)機(jī)單元1通過離合器和主動(dòng)齒輪25及其對(duì)應(yīng)嚙合的中間齒輪411構(gòu)成的擋位齒輪組帶動(dòng)第一電動(dòng)發(fā)電機(jī)41發(fā)電，第二電動(dòng)發(fā)電機(jī)42通過主減速器主動(dòng)齒輪驅(qū)動(dòng)車輪200。該工況主要用于中等負(fù)荷，且電池電量較少的情況。該工況的優(yōu)點(diǎn)是第二電動(dòng)發(fā)電機(jī)42直接驅(qū)動(dòng)，傳動(dòng)鏈最短、參與工作的部件最少，可以達(dá)到最高的傳動(dòng)效率和最小的噪音，同時(shí)第一電動(dòng)發(fā)電機(jī)41可以通過扭矩和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，使發(fā)動(dòng)機(jī)單元1保持在最佳經(jīng)濟(jì)區(qū)域運(yùn)行，減少發(fā)電油耗。

（5）制動(dòng)或減速回饋工況

雙離合器31切斷，同步器6接合，發(fā)動(dòng)機(jī)單元1不工作，第一電動(dòng)發(fā)電機(jī)41通過擋位齒輪組和同步器6制動(dòng)主減速器主動(dòng)齒輪的動(dòng)力并發(fā)電，第二電動(dòng)發(fā)電機(jī)42直接通過主減速器主動(dòng)齒輪制動(dòng)車輪200的動(dòng)力并發(fā)電。該工況主要用于車輛制動(dòng)或減速。該工況的優(yōu)點(diǎn)是車輛減速或制動(dòng)時(shí)，將兩個(gè)電機(jī)同時(shí)制動(dòng)，可以最大限度地吸收制動(dòng)能量，轉(zhuǎn)化為電能，同時(shí)通過切斷雙離合器31，消除了發(fā)動(dòng)機(jī)摩擦力矩對(duì)車輛的制動(dòng)，可以留下更多的動(dòng)力讓電機(jī)吸收。

（6）混聯(lián)工況

雙離合器31接合，同步器6接合，發(fā)動(dòng)機(jī)單元1的部分動(dòng)力通過雙離合器31和擋位齒輪組帶動(dòng)第一電動(dòng)發(fā)電機(jī)41發(fā)電，發(fā)動(dòng)機(jī)單元1的另一部分動(dòng)力通過擋位齒輪組和同步器6將動(dòng)力傳遞至主減速器主動(dòng)齒輪51，第二電動(dòng)發(fā)電機(jī)42直接通過主減速器主動(dòng)齒輪51驅(qū)動(dòng)車輪200。該工況主要用于加速、爬坡等較大負(fù)荷場(chǎng)合且電量不多的情況下。該工況的優(yōu)點(diǎn)是可以發(fā)揮發(fā)動(dòng)機(jī)單元1的全部動(dòng)力，既保證車輛的動(dòng)力性，又可以同時(shí)進(jìn)行發(fā)電，保持電池的電量。

2.2.2 工況切換

上文所述的六種工況可以進(jìn)行切換，其中比較典型的工況切換有兩種：由串聯(lián)工況切換為并聯(lián)工況，或者從串聯(lián)工況切換至制動(dòng)或減速回饋工況。

（1）串、并聯(lián)切換

當(dāng)需要急加速超車、躲避障礙物或其它情況時(shí)，根據(jù)司機(jī)的油門需求，動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)可從串聯(lián)切換為并聯(lián)。此時(shí)第一電動(dòng)發(fā)電機(jī)41會(huì)以主減速器主動(dòng)齒輪的轉(zhuǎn)速為目標(biāo)，通過轉(zhuǎn)速控制，調(diào)節(jié)輸出軸24的轉(zhuǎn)速，使輸出軸24和主減速器主動(dòng)齒輪的轉(zhuǎn)速盡可能的匹配，方便同步器6結(jié)合。

而在匹配過程中，第二電動(dòng)發(fā)電機(jī)42可以響應(yīng)駕駛需求，增大扭矩，使車輛得到加速，而不必像通常的車輛那樣，等到同步器6接合后才能加速。這一扭矩提前補(bǔ)償?shù)墓δ?，可以大大地縮短扭矩響應(yīng)時(shí)間，提高車輛的瞬時(shí)加速性能。

（2）串聯(lián)、回饋切換

當(dāng)車輛制動(dòng)或減速時(shí)，根據(jù)司機(jī)的油門需求或踩踏制動(dòng)踏板的動(dòng)作，動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)100可從串聯(lián)工況切換至制動(dòng)或減速回饋工況。此時(shí)第一電動(dòng)發(fā)電機(jī)41可以主減速器主動(dòng)齒輪的轉(zhuǎn)速為目標(biāo)，通過轉(zhuǎn)速控制，調(diào)節(jié)輸出軸24的轉(zhuǎn)速，使二者的轉(zhuǎn)速盡可能的匹配，方便同步器6結(jié)合。而在匹配過程中，第二電動(dòng)發(fā)電機(jī)42可以響應(yīng)駕駛需求，對(duì)車輪200進(jìn)行制動(dòng)，回饋電量，而不必像通常的車輛那樣，等到同步器6接合后才能回饋電量。這一扭矩提前補(bǔ)償功能，可以大大的縮短電機(jī)制動(dòng)響應(yīng)時(shí)間，增加回饋的電量。

特別地，對(duì)于復(fù)雜路況，例如當(dāng)車輛在上坡、下坡、顛簸、低附等復(fù)雜路況下行駛時(shí)，往往因?yàn)檐囁俨环€(wěn)定而導(dǎo)致同步器6接合困難。即使第一電動(dòng)發(fā)電機(jī)41可以通過轉(zhuǎn)速控制，調(diào)節(jié)輸出軸24的轉(zhuǎn)速，但由于主減速器主動(dòng)齒輪的轉(zhuǎn)速隨車速不可控，也會(huì)給第一電動(dòng)發(fā)電機(jī)41的調(diào)速的準(zhǔn)確度和速度帶來困難。在這些路況下，通過第二電動(dòng)發(fā)電機(jī)42對(duì)車輛進(jìn)行扭矩補(bǔ)償，可以有效地穩(wěn)定車速，既提高了整車的駕駛體驗(yàn)，也使得同步器6的接合變得簡單。

3、結(jié)論

本文所述混合動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)，發(fā)動(dòng)機(jī)、電機(jī)可通過同步器同步將動(dòng)力傳遞至車輪，結(jié)構(gòu)簡單、控制方便。同時(shí)，充分利用電機(jī)速度調(diào)整的優(yōu)勢(shì)，調(diào)節(jié)變速器的轉(zhuǎn)速與輸出部分的轉(zhuǎn)速快速同步，實(shí)現(xiàn)同步器的無扭矩結(jié)合，減少換擋時(shí)間，提高轉(zhuǎn)動(dòng)效率。

駕駛過程中，可根據(jù)車輛對(duì)扭矩或功率的需求，選擇多種駕駛模式，有效提升車輛動(dòng)力性、平順性和燃油經(jīng)濟(jì)性，進(jìn)而減少排放污染。

參考文獻(xiàn)

[1] 堯文亮.并聯(lián)式混合動(dòng)力汽車能量控制策略研究[D].長沙:湖南大學(xué),2010.

[2] 陳清泉,孫逢春,祝嘉光.現(xiàn)代電動(dòng)汽車技術(shù)[M].北京:北京理工大學(xué)出版社,2002:98～135.

[3] Markel T , Simpson A Plug _in Hybrid Electric Vehicle Energy Storage System Design[C].National Renewable Energy Laboratory Advanced Automotive Battery ConferenceBaltimore NREL / CPO5400 39614, 2006: l011～1015.

[4] Keefe M P , Markel T Dynamic Programming Applied to Investigate Energy ManagementStrategies for a Plug-in HEV [C]. National Renewable Energy Laboratory. 22nd International Battery，Hybrid and Fuel Cell Electric Vehicle Symposium and Exhibition ( EVS 22 ). Yokohama : NREL/CRo5400 40376 , 2006 : l014～1018.

[5] 張衛(wèi)青.混合動(dòng)力汽車的發(fā)展現(xiàn)狀及其關(guān)鍵技術(shù)[J].重慶工學(xué)院學(xué)報(bào),2006,20(5):19～22．

A hybrid drive system based on dual clutch transmission

Yang Dongsheng, Bai Yunhui, Sun Hao
( Byd auto industry Co., Ltd., Shenzhen 518118 )

Abstract:A hybrid powertrain system based on dual-clutch transmission is proposed, which can transfer power from the engine and the motor through the synchronizer. The system can offer the driver a variety of drive modes, and at the same time, with the use of the motor’s speed control function, it can reduce shifting time and improve Transmission efficiency.

Keywords:Hybrid powertrain system; Dual-clutch; Synchronizer; Motor generator; Operating mode

作者簡介：楊冬生，碩士研究生，中級(jí)工程師。就職于比亞迪汽車工業(yè)有限公司。長期從事新能源汽車動(dòng)力系統(tǒng)研究，尤其在插電式混合動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)方面，積累了豐富經(jīng)驗(yàn)。

中圖分類號(hào)：U463.2

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1671-7988(2016)03-54-03