新型混合動(dòng)力變速器原理及其無動(dòng)力中斷換檔過程分析*

鐘再敏 張 磊 吳?？?余卓平 王心堅(jiān)

(同濟(jì)大學(xué)汽車學(xué)院1) 新能源汽車工程中心2) 上海 201804)

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新型混合動(dòng)力變速器原理及其無動(dòng)力中斷換檔過程分析*

鐘再敏1)張 磊1)吳?？?)余卓平1,2)王心堅(jiān)1,2)

(同濟(jì)大學(xué)汽車學(xué)院1)新能源汽車工程中心2)上海 201804)

介紹了一種新型定軸式混合動(dòng)力變速器的原理，其電機(jī)動(dòng)力傳遞路徑可以切換這一技術(shù)特征一方面使電機(jī)能夠利用檔位速比高效地向輪邊提供動(dòng)力，另一方面可以克服自動(dòng)機(jī)械式變速器換檔過程中存在動(dòng)力中斷的問題.通過雙中間軸傳動(dòng)方案可利用有限的空間實(shí)現(xiàn)多個(gè)檔位，最大限度地增加與變速器串聯(lián)布置電機(jī)的設(shè)計(jì)空間.基于一款微型乘用車進(jìn)行了定軸式混合動(dòng)力變速器的速比設(shè)計(jì)并完成了動(dòng)力性的校核，通過仿真說明了無動(dòng)力中斷換檔功能的實(shí)現(xiàn)過程，證明其能夠有效解決動(dòng)力中斷.

混合動(dòng)力；定軸式變速器；電機(jī)動(dòng)力路徑切換；動(dòng)力中斷；雙中間軸

0 引 言

傳統(tǒng)自動(dòng)機(jī)械式變速器(AMT)在換檔過程中需要分離離合器，導(dǎo)致車輛的動(dòng)力中斷[1]，目前解決此問題的方法可以分為2種：(1)盡可能減少上述動(dòng)力中斷時(shí)間；(2)換檔期間，利用摩擦轉(zhuǎn)矩短時(shí)建立起至輸出軸的動(dòng)力傳遞途徑[2-3].

圖1為不同改進(jìn)的AMT方案，圖1a)增加了一個(gè)與輸入軸連接的小功率電機(jī)，通過主動(dòng)同步，減少了換檔過程中同步器的同步時(shí)間，以此減少動(dòng)力中斷時(shí)間.圖1b)在a)的基礎(chǔ)上在輸入軸與殼體之間增加了一個(gè)同步離合器，在升檔過程中，上述同步離合器利用摩擦轉(zhuǎn)矩使得輸入軸多余的旋轉(zhuǎn)動(dòng)能部分轉(zhuǎn)換為了熱能，在電機(jī)的共同作用下，輸入軸將更快地進(jìn)行降速.圖1c)不僅增加了一個(gè)同步離合器，還在其后端增加了一對(duì)齒輪，這樣一來，在升檔過程中，輸入軸多余的旋轉(zhuǎn)動(dòng)能不再全部轉(zhuǎn)換為熱能，其中的一部分將傳遞給了輸出軸.由此可知，目前各類改進(jìn)AMT方案只能緩解，而不能從本質(zhì)上解決上述動(dòng)力中斷問題[4-7].

圖1 不同改進(jìn)AMT方案

目前有一類基于定軸齒輪傳動(dòng)方式并聯(lián)式混合動(dòng)力車用變速器，其最大特點(diǎn)是電機(jī)既可以與輸入軸連接也可以與輸出軸連接.當(dāng)電機(jī)與輸入軸連接時(shí)，可利用檔位速比高效地向車輪傳遞動(dòng)力.當(dāng)電機(jī)與輸出軸連接時(shí)，在換檔過程中，電機(jī)可持續(xù)不斷向車輪提供動(dòng)力，這在很大程度上解決動(dòng)力中斷問題.

文中正是基于上述設(shè)計(jì)思想提出了一種基于雙中間軸傳動(dòng)方式的新型混合動(dòng)力變速器(后文簡(jiǎn)稱為EMT)，通過仿真分析詳細(xì)描述了其實(shí)現(xiàn)無動(dòng)力中斷換檔的原理.

1 EMT的原理及結(jié)構(gòu)

EMT的原理見圖2，包括：MT變速箱本體、選換檔執(zhí)行機(jī)構(gòu)、電機(jī)檔執(zhí)行機(jī)構(gòu)、電機(jī)至輸入軸/輸出軸傳動(dòng)齒輪，以及相應(yīng)的電控系統(tǒng).其最大技術(shù)特征是：通過電機(jī)檔執(zhí)行機(jī)構(gòu)，電機(jī)既不簡(jiǎn)單地與輸入軸連接，也不簡(jiǎn)單地與輸出軸連接，而是在上述2條動(dòng)力傳遞路徑之間進(jìn)行來回切換.簡(jiǎn)單地說，穩(wěn)態(tài)行駛時(shí)電機(jī)與輸入軸連接，利用檔位速比高效地向輪邊傳遞動(dòng)力.當(dāng)需要進(jìn)行檔位切換時(shí)，電機(jī)檔執(zhí)行機(jī)構(gòu)短時(shí)將電機(jī)切換到與輸出軸連接，并在離合器分離，檔位切換期間，持續(xù)地為輪邊提供驅(qū)動(dòng)力，以此解決上述動(dòng)力中斷問題.當(dāng)完成檔位切換后，電機(jī)檔執(zhí)行機(jī)構(gòu)重新將電機(jī)從與輸出軸連接切換為與輸入軸連接.

圖2 EMT的原理圖

EMT的結(jié)構(gòu)見圖3，總共可以實(shí)現(xiàn)4個(gè)前進(jìn)檔，在變速箱處在1檔時(shí)，如果反向旋轉(zhuǎn)電機(jī)可以實(shí)現(xiàn)倒檔功能.

圖3 EMT的結(jié)構(gòu)圖

考慮將EMT應(yīng)用于某款前置前驅(qū)動(dòng)力系統(tǒng)橫置的乘用車，鑒于這一型車輛發(fā)動(dòng)機(jī)艙空間有限，發(fā)動(dòng)機(jī)，變速箱以及電機(jī)將采取串聯(lián)布置方式，變速箱采用雙中間軸式傳動(dòng)方式，有效減少了變速箱部分的軸向尺寸，為增加電機(jī)功率爭(zhēng)取到了寶貴的空間.若電機(jī)檔同步器向左側(cè)嚙合，電機(jī)通過相應(yīng)的傳動(dòng)齒輪組便可將動(dòng)力傳遞至輸入軸；若電機(jī)檔同步器向右側(cè)嚙合，電機(jī)通過相應(yīng)的傳動(dòng)齒輪組便可將動(dòng)力傳遞至低檔輸出軸；位于輸入軸以及高/低檔輸出軸上的檔位齒輪總共可以實(shí)現(xiàn)4個(gè)前進(jìn)檔；當(dāng)變速箱處在1檔時(shí)，通過反向旋轉(zhuǎn)電機(jī)便可實(shí)現(xiàn)倒檔功能.考慮到整體結(jié)構(gòu)的緊湊性，離合器/選換擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)傳動(dòng)，而電機(jī)檔執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用圓柱凸輪機(jī)構(gòu)傳動(dòng).當(dāng)電機(jī)與輸入軸連接，并且利用2檔或4檔驅(qū)動(dòng)車輛前進(jìn)時(shí)，EMT軸系的三維圖見圖4.

圖4 EMT樣機(jī)軸系的三維圖

2 速比的選擇方法

考慮將EMT應(yīng)用于某款乘用車，其整備質(zhì)量為1 380 kg，搭載1臺(tái)80 kW的汽油機(jī)，所用變速器包含有5個(gè)前進(jìn)擋.考慮到新增的驅(qū)動(dòng)電機(jī)以及動(dòng)力電池將一定程度地增加車輛的整備質(zhì)量，為保持車輛動(dòng)力性不變，決定由一額定功率為60 kW的汽油機(jī)和一峰值功率為40 kW(峰值功率可持續(xù)1 min)的永磁同步電機(jī)(PMSM電機(jī))的組合作為其動(dòng)力源.上述汽油機(jī)的最高轉(zhuǎn)速為6 000 r/min，最大轉(zhuǎn)矩對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)速為4 000 r/min，上述PMSM電機(jī)的額定功率為20 kW，最大轉(zhuǎn)速為9 000 r/min，同步轉(zhuǎn)速為4 000 r/min.

2.1 電機(jī)動(dòng)力傳遞路徑速比的選擇

考慮到電機(jī)在與輸入軸連接時(shí)，能夠與發(fā)動(dòng)機(jī)同步達(dá)到最高轉(zhuǎn)速，將電機(jī)至輸入軸動(dòng)力傳遞路徑的速比imi定為1.5，因此EMT輸入軸傳遞的轉(zhuǎn)矩/功率特性分別見圖5～6.由此可見，電機(jī)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)怠速轉(zhuǎn)速以下區(qū)間無動(dòng)力輸出特性的補(bǔ)償作用.

圖5 EMT輸入軸傳遞的轉(zhuǎn)矩

圖6 EMT輸入軸傳遞的功率

原車車輪滾動(dòng)半徑為0.308 m，按照最高車速為180 km/h的設(shè)計(jì)要求，初定主減速比為4.412，可知電機(jī)至輸出軸動(dòng)力傳遞路徑的速比imo為1.32.

2.2 檔位速比的選擇

車輛穩(wěn)態(tài)行駛工況下，輸入軸的兩端分別連接著發(fā)動(dòng)機(jī)以及電機(jī)兩大動(dòng)力源，為了使得這2大動(dòng)力源得到充分的發(fā)揮，速比的選擇非常重要.AMT車輛速比的選擇主要以滿足最佳動(dòng)力性為基本前提，具體從以下3個(gè)方面考慮.

1) 最小速比的選擇 原車車輪滾動(dòng)半徑為0.308 m按照最高車速的設(shè)計(jì)要求，可得最高檔速比為0.881.

2) 最大速比的選擇 對(duì)于配備AMT的車輛而言，最大速比的選擇主要是依據(jù)最低車速以及爬坡能力.對(duì)于配備EMT的車輛而言，起步過程中，電機(jī)可為車輛提供動(dòng)力直至發(fā)動(dòng)機(jī)可在怠速轉(zhuǎn)速以上工作，因此不存在最小車速這樣一個(gè)概念.按照車輛能夠在30%坡度上行駛設(shè)計(jì)要求，通過計(jì)算可知最大速比至少要為2.8，參見圖7.

3) 檔位數(shù)和速比間隔 對(duì)于AMT而言，按照等比級(jí)數(shù)分配傳動(dòng)比是為了充分利用發(fā)動(dòng)機(jī)提供的功率，這同樣適用于EMT，因此決定采用如表1所示的檔位速比.

表1 EMT的速比

配備EMT車輛輪邊傳遞的驅(qū)動(dòng)力/功率特性分別見圖7～8.

圖7 EMT輪邊傳遞的驅(qū)動(dòng)力

圖8 EMT輪邊傳遞的驅(qū)動(dòng)功率

3 無動(dòng)力中斷換檔過程研究

與AMT相比，EMT的主要優(yōu)點(diǎn)是從基本原理上解決AMT換檔過程中具有的動(dòng)力中斷問題，這一點(diǎn)可以通過仿真得到驗(yàn)證.仿真主要基于Matlab/Simulink中的基本模塊，物理建模工具箱Simscape中的Sim/Driveline和Sim/Mechanic子工具箱以及Stateflow工具箱等.

由于EMT具有兩個(gè)動(dòng)力源，最大輸出功率總計(jì)可達(dá)100 kW，如果將其與配備相同功率等級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)的AMT車輛在動(dòng)力性和換檔平順性方面作對(duì)比是不公平的.可以考慮將EMT與配備相同動(dòng)力源的ISG方案作一個(gè)對(duì)比仿真來驗(yàn)證EMT的優(yōu)點(diǎn)，將兩次仿真結(jié)果做一個(gè)對(duì)比，仿真過程所用參數(shù)見表2.

表2 仿真過程所用參數(shù)

需要說明的是：(1)仿真過程中所用整車質(zhì)量包括原車整備質(zhì)量，電機(jī)/電池附加質(zhì)量以及5名平均體重為75 kg的乘員，總計(jì)1 796 kg；(2)電機(jī)使用峰值功率40 kW.

3.1 ISG的仿真結(jié)果

以全油門進(jìn)行0～100 km/h加速過程中，ISG連續(xù)換檔，輸出軸轉(zhuǎn)速，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，電機(jī)轉(zhuǎn)速以及輸入軸轉(zhuǎn)速的變化過程見圖9.每一次換檔過程都伴隨著電機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)的主動(dòng)調(diào)速以及輸入軸被同步的過程.由于電機(jī)與發(fā)動(dòng)機(jī)同軸布置，因此電機(jī)轉(zhuǎn)速和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速呈現(xiàn)固定比例關(guān)系.從輸出軸轉(zhuǎn)速的變化就可以看出，在換擋過程中，輸出軸轉(zhuǎn)速出現(xiàn)小幅下降.

圖9 ISG連續(xù)換檔仿真結(jié)果

針對(duì)圖9截取1檔換2檔的過程進(jìn)行具體分析，整個(gè)換檔過程持續(xù)近500 ms，可以分為A，B，C，D和E這樣5個(gè)過程，過程A，電機(jī)/發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩同時(shí)都下降到0 N·m；過程B，離合器分離；過程C，檔位切換；過程D，二者通過主動(dòng)調(diào)速，使得發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到換檔后輸入軸的轉(zhuǎn)速；過程E，離合器結(jié)合.

3.2 EMT的仿真結(jié)果

以全油門進(jìn)行0～100 km/h加速過程中，EMT連續(xù)換檔，輸出軸轉(zhuǎn)速，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，電機(jī)轉(zhuǎn)速以及輸入軸轉(zhuǎn)速的變化過程見圖10.

圖10 EMT連續(xù)換檔仿真結(jié)果

在換檔動(dòng)作發(fā)生前，電機(jī)從與輸入軸連接切換為與輸出軸連接，在選換檔動(dòng)作完成后，電機(jī)從與輸出軸連接切換為與輸入軸連接.即使在換檔過程中輸出軸轉(zhuǎn)速依然持續(xù)上升，這說明車輛在換檔過程中依然可以持續(xù)獲得驅(qū)動(dòng)力.

針對(duì)圖10截取1檔換2檔的過程進(jìn)行具體分析，見圖11.

圖11 1檔換2檔時(shí)的仿真結(jié)果(EMT)

整個(gè)換檔過程持續(xù)近700 ms，可以分為編號(hào)從A～K的11個(gè)過程(假設(shè)換檔過程開始時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩為TICE0，電機(jī)轉(zhuǎn)矩為TEM0，換檔前/后檔位為in/in+1，且車速為u0.在這樣一個(gè)過程中，需要始終將保持輪邊驅(qū)動(dòng)力平順擺在首位，盡可能減少車輛加速度的變化).

過程A，增加發(fā)動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩TICE，減少電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩TEM，理想情況下發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩增加量正好可以彌補(bǔ)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩減少量，從而使得車輛的加速度保持恒定.當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)矩減少到0 N·m后，電機(jī)與輸入軸脫離連接，即：

TICE+imi×TEM=TICE0+imi×TEM0

TICE→TICE0+imi×TEM0，TEM→0 N·m

過程B，通過主動(dòng)調(diào)速，使得電機(jī)轉(zhuǎn)速nEM從與輸入軸適應(yīng)變化到與輸出軸適應(yīng)，即：

TICE=TICE0+imi×TEM0

nEM→u0/(r×i0×imo)

過程C，電機(jī)與輸出軸連接.

過程D，增加TEM，減少TICE.當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩減少到0 N·m后，離合器分離，即：

TICE+imo×TEM=TICE0+imi×TEM0

TICE→0 N·m，TEM→(TICE0+imi×TEM0)/imo

過程E，檔位切換.

過程F，通過主動(dòng)調(diào)速，使得發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速nICE新檔位適應(yīng)，即：

nICE→u0/(r×i0×in+1)

過程G，結(jié)合離合器.

過程H，增加TICE，減少TEM.當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)矩減少到0 N·m后，電機(jī)與輸出軸分離，即：

TICE+imo×TEM=(TICE0+imi×TEM0)×in/in+1

TICE→(TICE0+imi×TEM0)×in/in+1，TEM→0 N·m

過程I，通過主動(dòng)調(diào)速，使得nEM從與輸出軸適應(yīng)變化到與輸入軸適應(yīng)，即：

TICE=(TICE0+imi×TEM0)×in/in+1

nEM→u0/(r×i0×in+1×imi)

過程J，電機(jī)與輸入軸連接.

過程K，恢復(fù)TICE/TEM.

由此可知，過程A，D，H中均涉及到TICE/TEM間的配合，二者之間呈現(xiàn)此消彼長(zhǎng)的關(guān)系，其目的在于確保動(dòng)力源能夠滿足輪邊驅(qū)動(dòng)力需求的同時(shí)，限值TICE的變化速率，從而穩(wěn)定發(fā)動(dòng)機(jī)工作點(diǎn)，并且利用電機(jī)對(duì)輪邊驅(qū)動(dòng)力進(jìn)行動(dòng)態(tài)補(bǔ)償，參見圖12.

圖12 發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩變化速率限值算法

其中：TICE_set0/TEM_set0為未經(jīng)修正的發(fā)動(dòng)機(jī)/電機(jī)轉(zhuǎn)矩設(shè)定值；TICE_set/TEM_set為修正后的值.函數(shù)α(Δ)表示TICE_set變化速率的限幅，具有如下形式.

式中：α0=1 500 N·m/s為TICE_set變化速率的最大值.當(dāng)TEM_set處于由電動(dòng)機(jī)/發(fā)電機(jī)模式轉(zhuǎn)矩限值TM_limit/TG_limit確定的范圍內(nèi)時(shí)，TICE_set的變化速率將受到限制，當(dāng)TEM_set超出上述范圍時(shí)，對(duì)TICE_set變化速率的限制將失效.

由圖11可知，過程A發(fā)生在1.9 s處，由于EMT處于全油門加速狀態(tài)，發(fā)動(dòng)機(jī)已在輸出最大轉(zhuǎn)矩，因此未出現(xiàn)TICE/TEM的互補(bǔ)過程.過程D發(fā)生在2.02 s處，可以觀察到二者明顯的互補(bǔ)過程.過程H發(fā)生在2.48 s處，由于imo較小，電機(jī)通過imo可向輪邊提供的驅(qū)動(dòng)力有限，不足以既單獨(dú)滿足輪邊驅(qū)動(dòng)力需求，同時(shí)又對(duì)TICE進(jìn)行動(dòng)態(tài)補(bǔ)償，因此α(Δ)放開了對(duì)TICE_set變化速率的限制，二者間的互補(bǔ)過程未出現(xiàn).

圖13比較了ISG和EMT在以全油門進(jìn)行0～100 km/h加速過程中車速的時(shí)間歷程.前者花費(fèi)了18.536 s完成了上述過程，后者花費(fèi)了14.642 s，因此在動(dòng)力性方面后者略優(yōu)于前者，這主要是由于穩(wěn)態(tài)行駛過程中EMT電機(jī)通過imi速比與輸入軸連接，增加電機(jī)可向輪邊提供的最大驅(qū)動(dòng)力.在換檔平順性方面，后者明顯優(yōu)于前者，特別是在1檔換2檔的過程中.圖14比較了ISG和EMT在連續(xù)換檔過程的加速度不同，對(duì)于ISG而言，換檔過程中一旦離合器分離，則車輛加速度為負(fù)值，對(duì)于EMT而言，雖然由于imo較小，電機(jī)無法完全彌補(bǔ)換檔過程中輪邊動(dòng)力的損失(僅能彌補(bǔ)換檔前輪邊驅(qū)動(dòng)力的約1/6至1/3)，但是至少可以確保車輛加速度始終為正值，大大緩解換檔過程中司機(jī)動(dòng)力中斷的感覺.

圖13 ISG和EMT連續(xù)換檔過程速度對(duì)比

圖14 ISG和EMT連續(xù)換檔過程加速度對(duì)比

4 結(jié) 論

1) 在換檔過程中，ISG方案的車速會(huì)出現(xiàn)小幅下降，而EMT方案的車速可以持續(xù)上升.

2) 0～100 km/h的加速時(shí)間，ISG方案為18.536 s，而EMT所用時(shí)間為14.642 s，后者的動(dòng)力性更優(yōu).

3) 在連續(xù)換檔工程中，ISG方案的加速度變化率明顯高于EMT，故EMT的換檔平順性優(yōu)于ISG方案.

從以上結(jié)論可看出，文中介紹的新型混合動(dòng)力變速器EMT的原理，克服了AMT換檔過程中存在動(dòng)力中斷的問題.相比AMT，這樣一種換檔是比較復(fù)雜的，有待后續(xù)針對(duì)樣機(jī)的臺(tái)架和實(shí)車試驗(yàn)來檢驗(yàn)其在實(shí)際應(yīng)用中的效果，但可以預(yù)見其在動(dòng)力中斷感覺特別明顯的1檔換2檔過程中，將發(fā)揮較好的作用.

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Working Principle of a Novel Hybrid Transmission and Analysis of Its No-power Interrupt Shift Process

ZHONG Zaimin1)ZHANG Lei1)WU Haikang1)YU Zhuoping1,2)WANG Xinjian1,2)

(TheCollegeofAutomotiveEngineering,TongjiUniversity,Shanghai201804,China)1)(CleanEnergyAutomotiveEngineeringCenter,Shanghai201804,China)2)

The working principle and structure of a novel fixed shaft type hybrid power transmission for hybrid vehicle is introduced, by which the motor power transfer path can be switched. On one hand, the motor can be used to provide power to the wheel side with high efficiency using the gear ratio. On the other hand, the power interrupt problem can be overcome in the process of AMT shift. Through twin countershaft transmission scheme, several gear ratios are realized based on limited space and the design space for the arrangement of the motor in tandem with transmission is achieved. The driving performance of a mini passenger prototype car is analyzed. The gear shift process without power interrupt is explained through detailed simulations. The results prove that EMT can effectively solve the power interrupt problem during gear shift process.

hybrid vehicle; transmission; switch of motor power path; power interrupt; twin countershafts

2016-07-04

*國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51075301)、國家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2015BAG17B00)資助

U463.212 doi:10.3963/j.issn.2095-3844.2016.05.001

鐘再敏(1973- )：男，博士，教授，主要研究領(lǐng)域?yàn)殡婒?qū)動(dòng)總成控制