雙離合混合動力汽車傳動系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及仿真分析

劉 偉

（重慶車輛檢測研究院有限公司，重慶 401122）

雙離合混合動力汽車傳動系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及仿真分析

劉 偉

（重慶車輛檢測研究院有限公司，重慶 401122）

文章提出了雙離合器并聯(lián)混合動力系統(tǒng)，即在原有的并聯(lián)混合動力系統(tǒng)基礎(chǔ)上，安裝了2個(gè)離合器，同時(shí)對動力系統(tǒng)進(jìn)行了關(guān)鍵部件的選型計(jì)算，采用了邏輯門限控制策略，并在ADVISOR2002環(huán)境下建立了傳動系統(tǒng)的模型，在仿真平臺上對此模型進(jìn)行了仿真分析。

混合動力汽車；傳動系統(tǒng)；雙離合器

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.11.017

CLC NO.: U463.2 Document Code: A Article ID: 1671-7988（2016）11-46-04

本文以DC7130為原型車，采用雙離合器傳動系統(tǒng)對其傳動系統(tǒng)進(jìn)行改造和重新設(shè)計(jì)。動力系統(tǒng)關(guān)鍵部件參數(shù)設(shè)計(jì)的原則是在滿足整車動力性的前提下盡量提高燃油經(jīng)濟(jì)性。

1、混合動力電動汽車分類

混合動力傳動系統(tǒng)有3種布置方式：

（1）串聯(lián)式混合動力傳動系統(tǒng)(圖1)

在這種系統(tǒng)中，發(fā)動機(jī)驅(qū)動發(fā)電機(jī)產(chǎn)生電能，電能用于驅(qū)動電動機(jī)并借此轉(zhuǎn)動車輪。這種系統(tǒng)使用一個(gè)較小的發(fā)動機(jī)在效率最高的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)工作，因此，能夠最大限度地改善燃油經(jīng)濟(jì)性和減少排放。

（2）并聯(lián)式混合動力傳動系統(tǒng)(圖2)

在這種系統(tǒng)中發(fā)動機(jī)和電動機(jī)既可聯(lián)合驅(qū)動車輪，又可各自單獨(dú)驅(qū)動車輪，并且允許發(fā)動機(jī)在驅(qū)動車輪的同時(shí)帶動發(fā)電機(jī)給蓄電池充電。

圖1　串聯(lián)式混合動力傳動系統(tǒng)

（3）混聯(lián)式混合動力傳動系統(tǒng)(圖3)

其布置形式包含串聯(lián)式和并聯(lián)式的特點(diǎn)，即功率流既可像串聯(lián)式流動，又可像并聯(lián)式流動。它的動力系統(tǒng)包括發(fā)動機(jī)、發(fā)電機(jī)和電動機(jī)。根據(jù)助力裝置不同，又可分為發(fā)動機(jī)為主和電機(jī)為主兩種。以發(fā)動機(jī)為主的形式中，發(fā)動機(jī)作為主動力源，電機(jī)為輔助動力源，Nissan Tino HEV屬于這種情況。以電機(jī)為主的形式中，發(fā)動機(jī)作為輔助動力源，電機(jī)為主動力源，Toyota Pruis HEV就屬于這種情況。該結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是控制靈活方便，其缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜。

圖2　并聯(lián)式混合動力傳動系統(tǒng)

圖3　混聯(lián)式混合動力傳動系統(tǒng)

2、雙離合混合動力傳動系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文在DC7130汽車平臺上進(jìn)行了混合動力系統(tǒng)的設(shè)計(jì)開發(fā)，在傳動電機(jī)和發(fā)動機(jī)之間加入一個(gè)離合器，改進(jìn)后的雙離合混合動力傳動系統(tǒng)如圖4所示：

圖4　雙離合器混合動力汽車傳動系統(tǒng)示意圖

2.1發(fā)動機(jī)參數(shù)設(shè)計(jì)

混合動力汽車的動力總成參數(shù)確定的基本原則是：發(fā)動機(jī)功率只需滿足在平坦路面上以最高車速行駛的要求，加速和爬坡時(shí)所需的峰值功率由電池來補(bǔ)充，電機(jī)應(yīng)補(bǔ)充車輛所需的最大功率。混合動力汽車在高速行駛時(shí)(包括城市中高速行駛)優(yōu)先采用發(fā)動機(jī)單獨(dú)驅(qū)動，避免以混合驅(qū)動或純電動方式高速行駛時(shí)電池的快速沖放電，延長了電池使用壽命。由于電助力型混合動力汽車，發(fā)動機(jī)只需要提供勻速行駛的功率，而在加速或爬坡時(shí)電機(jī)可以提供峰值功率，因此發(fā)動機(jī)相對于傳統(tǒng)車可以選得功率小一些，一般根據(jù)汽車預(yù)期的最高車速來初步選擇發(fā)動機(jī)的最大功率，可用式（1）初步對發(fā)動機(jī)選型：

其中Pe為發(fā)動機(jī)的功率，m汽車的整備質(zhì)量，f滾動阻力系數(shù)，cd空氣阻力系數(shù)，A迎風(fēng)面積，vmax發(fā)動機(jī)單獨(dú)驅(qū)動下的最高車速，ηt為系統(tǒng)傳動效率，取值0.95。

2.2傳動電動機(jī)參數(shù)設(shè)計(jì)

電動機(jī)的最大功率應(yīng)從滿足混合動力驅(qū)動最高車速和整車動力性指標(biāo)的功率需求出發(fā)進(jìn)行選擇。考慮上坡時(shí)汽車動力性的要求，計(jì)算整車動力性指標(biāo)功率需求的公式，如公式(2)所示。

式中：α——爬坡角，α=arctan0.12；va——行駛車速。

發(fā)動機(jī)最大功率Pemax加上電動機(jī)最大功率Pmm應(yīng)大于等于P1和P2中較大的一個(gè)，即：Pemax≥max(P1，P2)- Pemax。目前一般選擇中高速電機(jī)，最高轉(zhuǎn)速一般在6000-15000r/min之間。

2.3蓄電池參數(shù)設(shè)計(jì)

蓄電池作為混合動力汽車的輔助能源直接關(guān)系著動力性和經(jīng)濟(jì)性，要求蓄電池的容量和功率要和電機(jī)性能相匹配。有關(guān)電池的配置涉及到電池組的輸入、輸出功率需求，壽命預(yù)計(jì)和成本考慮等因素。在合理匹配HEV能源上，電池的充電狀態(tài)參數(shù)SOC(State Of Charge)非常關(guān)鍵，應(yīng)當(dāng)讓電池經(jīng)常工作在內(nèi)阻較低的SOC范圍內(nèi)，同時(shí)SOC波動(即△soc 值)不能過于激烈．在SOC工作區(qū)內(nèi)，電池組的峰值放電功率應(yīng)大于電動機(jī)的最大需求功率；在SOC值較低由發(fā)動機(jī)提供額外充電功率工況下，電池組的峰值充電功率應(yīng)滿足HEV能量管理策略的充電功率要求?；旌蟿恿ζ囃ǔ２捎面嚉潆姵?，具有良好的充放電特性和使用安全性，且具有較高的充電效率，有利于混合動力汽車的再生制動。蓄電池有高功率型和高容量型，本文所述混合動力汽車屬于電量保持型，可以選用高功率型，電池主要用來提供峰值功率，因此電池的功率可以按照電機(jī)功率初步選擇，則電池組總能量C 可以按公式(3)計(jì)算：

式中：U0-bat為電池的額定電壓V, Pm_max為電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)的峰值功率其值為15kw，Im_max電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)的最大工作電流，其值為500A?？紤]到電池的單體電壓為1.2V，參照有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)確定電池的電壓為144V。

混合動力汽車的電池容量由純電動續(xù)駛里程要求決定，同時(shí)電池容量必須滿足持續(xù)加速和爬坡工況的要求。由于電池荷電狀態(tài)(SOC)的變化難以直接分析。本文中根據(jù)純電動續(xù)駛里程要求，參照以往設(shè)計(jì)來初步確定電池容量。然后通過仿真檢驗(yàn)電池容量的合理性。電池的能量E可以根據(jù)混合動力汽車純電動行使的里程來確定，假設(shè)純電動行使的里程為S，行使速度V，電池SOC 工作范圍為SOC_low - SOC_ high，則可以根據(jù)式（4）來計(jì)算電池的能量。

其中ηbat為電池效率，其值取0.85，ηmot為電機(jī)效率，其值取0.9，SOC_low -SOC_ high工作區(qū)可取0.3—0.7，S為純電動續(xù)航里程，取值為20km，P 為混合動力車以v=15km/h純電動勻速行駛時(shí)的功率，可由式（5）計(jì)算：

由公式4、公式5計(jì)算得：E=1.8 kW·h

根據(jù)電池供應(yīng)商提供的電池容量的系列，最終選擇了15Ah。本文選用的鎳氫電池具體參數(shù)如下：

表1　鎳氫蓄電池參數(shù)

2.4 前后離合器參數(shù)設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)離合器時(shí)，可以參考常用離合器的尺寸和參數(shù)，然后通過計(jì)算，選取相應(yīng)的離合器。

①摩擦片外徑D

摩擦片外徑是離合器的基本尺寸，它關(guān)系到離合器的結(jié)構(gòu)重量和使用壽命。它和離合器所需傳遞的轉(zhuǎn)矩大小有一定的關(guān)系。顯然，傳遞大的轉(zhuǎn)矩，就需要大的尺寸。發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)矩是重要的參數(shù)，當(dāng)按發(fā)動機(jī)最大轉(zhuǎn)矩Tmax（N· m）來選定D時(shí)，可根據(jù)公式（6）：

式中D——摩擦片外徑，mm

Tmax——發(fā)動機(jī)最大轉(zhuǎn)矩，N· m

A——和車型及使用情況有關(guān)的系數(shù)，小轎車A＝47；一般載貨汽車A＝36（單片）或A＝50（雙片），取A＝50。

②摩擦片內(nèi)徑d

摩擦片的內(nèi)徑d不作為一個(gè)獨(dú)立的參數(shù)，它和外徑D有一定的關(guān)系，用比值來反映，定義為：

③摩擦片厚度h

對摩擦片的厚度h，我國已規(guī)定了3種規(guī)格：3.2 mm，3.5 mm和4 mm。根據(jù)離合器摩擦片的尺寸系列，取厚度h ＝3.2mm。

綜上所述，選取摩擦片外徑D＝160 mm，內(nèi)徑d＝110 mm，厚度h＝3.2 mm，＝0.687。

因?yàn)榉勰┮苯鸩牧虾徒饘偬沾刹牧系哪Σ烈驍?shù)f較大而且穩(wěn)定，考慮到制造成本，這里摩擦片材料取鐵基粉末冶金材料，摩擦因數(shù)為f = 0.4。

因?yàn)楸疚牟扇〉氖桥ぞ伛詈系膫鲃与姍C(jī)，因此在電動機(jī)和發(fā)動機(jī)同時(shí)驅(qū)動時(shí)扭矩并不改變，只是轉(zhuǎn)速提高，因此，前后離合器采用同樣的參數(shù)。

3、雙離合混合動力汽車傳動系統(tǒng)模型的建立

通過分析仿真軟件 ADVISOR建模，對雙離合重度混合動力汽車傳動系統(tǒng)各主要部件進(jìn)行建模，分別對發(fā)動機(jī)、電動機(jī)、電池組、前后離合器、變速器以及動力耦合裝置建模，最后運(yùn)用這些子模型搭建整車模型?；谀巢⒙?lián)式混合動力汽車仿真模型，建立如圖5所示的整車模型。

圖5　DC7130混合動力汽車仿真頂層模型

4、雙離合混合動力傳動系統(tǒng)控制策略設(shè)計(jì)

雙離合器并聯(lián)式混合動力汽車控制策略的核心是能量管理策略，是混合動力汽車控制領(lǐng)域中研究的重點(diǎn)，也是混合動力汽車開發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)。邏輯門限值控制方法是以整車油耗和排放最佳為控制目標(biāo)，提出同時(shí)限制電池和發(fā)動機(jī)工作區(qū)間的控制策略，通過設(shè)定門限值，將發(fā)動機(jī)控制在高效率區(qū)運(yùn)行，提供要求的轉(zhuǎn)矩；電動機(jī)作為載荷調(diào)節(jié)裝置，當(dāng)需要大力矩輸出時(shí)電動機(jī)參加驅(qū)動，當(dāng)需要小力矩輸出時(shí)電動機(jī)吸收發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)矩進(jìn)行發(fā)電，并將電池的荷電狀態(tài)SOC (state of charge)維持在合理的范圍內(nèi)。

（1）在低速時(shí)(低于某一最小車速)或當(dāng)需要的轉(zhuǎn)矩低于發(fā)動機(jī)優(yōu)化區(qū)域的最小扭矩點(diǎn)時(shí)，電動機(jī)提供驅(qū)動力矩，前離合器斷開，發(fā)動機(jī)關(guān)閉；

（2）在需求的力矩大于發(fā)動機(jī)工作速度內(nèi)所能提供的最大力矩時(shí)，前離合器接合，電動機(jī)提供額外矩；

（3）當(dāng)再生制動時(shí)，電動機(jī)給電池充電；

（4）當(dāng)給定速度下，需求的發(fā)動機(jī)力矩使發(fā)動機(jī)運(yùn)行在低效率區(qū)時(shí)，發(fā)動機(jī)將關(guān)閉，電動機(jī)提供需求的力矩；

（5）當(dāng)電池的SOC值較低時(shí)，發(fā)動機(jī)將提供額外的力矩給電池充電。發(fā)動機(jī)始終要啟動，它除了驅(qū)動外，還要發(fā)電為蓄電池充電。當(dāng)需求扭矩與充電扭矩之和大于最小扭矩而小于最大扭矩時(shí)，發(fā)動機(jī)的扭矩等于需求扭矩加充電扭矩。當(dāng)需求扭矩較小落在最小扭矩線下面時(shí)，如果加上充電扭矩依然在最小扭矩下，則發(fā)動機(jī)的扭矩就取最小扭矩線上的值。邏輯門限控制策略的關(guān)鍵在于按照合理的原則確定各個(gè)控制參數(shù)。

5、雙離合混合動力傳動系統(tǒng)的仿真結(jié)果及分析

ADVISOR2002是一個(gè)圖形化面向?qū)ο蟮沫h(huán)境，擁有良好的用戶界面GUI(Graphical User Interface)，便于用戶操作，而且各種輸出仿真結(jié)果可視化。軟件共有三個(gè)GUI：車型輸入界面、仿真設(shè)置界面和結(jié)果輸出界面。通過這三個(gè)界面，用戶輸入要仿真的車型和部件總成的相關(guān)參數(shù)，選擇試驗(yàn)循環(huán)工況，然后進(jìn)行仿真。

（1）選擇傳動系的類型：ADVISOR提供了兩種方式來定義車輛傳動系統(tǒng)的類型。

一種是ADVISOR內(nèi)部已有的電動車數(shù)據(jù)文件，用戶可以在此基礎(chǔ)上修改。一種是ADVISOR內(nèi)部的傳統(tǒng)汽車、純電動汽車、混合動力汽車等8種類型的傳動系統(tǒng)作為模板，用戶可以在此基礎(chǔ)上定義自己的傳動系統(tǒng)。另外用戶還可以定義新的傳動系統(tǒng)。本文是在INSIGHT模塊基礎(chǔ)上改進(jìn)的傳動系統(tǒng)，在修改了M文件之后，形成了DC7130的傳動系統(tǒng)，并且將該傳動系統(tǒng)導(dǎo)出到了ADVISOR界面之中。

（2）設(shè)置部件的仿真參數(shù)：ADVISOR設(shè)計(jì)了車輛、發(fā)動機(jī)、能量存儲系統(tǒng)和電動機(jī)等多個(gè)部件的仿真模型?；旌蟿恿I車的仿真部件包括車輛(Vehicle)、發(fā)動機(jī)(Fuel Convener)、排氣系統(tǒng)(Exhaust After treatment)、蓄電池及其管理系統(tǒng)(Energy storage system)、電機(jī)及其控制器(Motor／controller)、變速系統(tǒng)(Transmission)、扭矩偶合器(Torque coupler)、車輪／車橋(Wheel／Axle)、附件(Accessory)和動力控制系統(tǒng)(Power train control)。本文仿真在ADVISOR2002內(nèi)部保存的本田Insight參數(shù)的基礎(chǔ)上，將匹配后的參數(shù)通過修改M-file方式輸入，由于本文研究的雙離合混合動力轎車與Insight的主體結(jié)構(gòu)相似，所以該模型以ADVISOR中Insight模型為基礎(chǔ)，修改了頂層模塊和控制策略模塊，同時(shí)修改了Insight發(fā)動機(jī)控制模塊和發(fā)動機(jī)模塊的控制參數(shù)、離合器、電機(jī)參數(shù)以及傳動系統(tǒng)參數(shù)。

（3）設(shè)計(jì)控制策略：ADVISOR提供了并行電動輔助(Parallel Electrical Assist)、自適應(yīng)控制策略(Adaptive Control Strategy)等6種控制模板。用戶可以直接使用也可以自行設(shè)計(jì)控制策略。

仿真結(jié)果見圖6、圖7、圖8。

5.1基于動力性仿真結(jié)果及分析

由圖6可知，車速能滿足NEDC循環(huán)工況對車速要求，即，仿真車輛的實(shí)際車速能夠很好地跟蹤循環(huán)工況車速的變化。另外仿真結(jié)果顯示，混合驅(qū)動時(shí)，0～100km/h的加速時(shí)間為15.5s和最高車速135km/h，均滿足混合動力汽車動力性初始設(shè)計(jì)指標(biāo)。

5.2基于燃油經(jīng)濟(jì)性仿真結(jié)果及分析

整車燃油經(jīng)濟(jì)性是設(shè)計(jì)混合動力汽車的最終目的之一，也是檢驗(yàn)參數(shù)設(shè)計(jì)是否合理的最重要指標(biāo)。仿真結(jié)果顯示100km/h油耗為：5.9L，樣車油耗為：7.8 L燃油節(jié)省率約24%，對提高燃油經(jīng)濟(jì)性具有明顯的效果。

圖6　NEDC循環(huán)工況圖

圖7　SOC變化

圖8　速度

6、總結(jié)

本文提出的基于并聯(lián)混合動力汽車的雙離合傳動系統(tǒng)在提高動力性和燃油經(jīng)濟(jì)性方面效果明顯，完全適合并聯(lián)混合動力汽車的控制要求，而且控制邏輯簡單，實(shí)現(xiàn)控制策略的硬件不需要很高的費(fèi)用，經(jīng)濟(jì)可靠，實(shí)用性很強(qiáng)。

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Design and simulation analysis of dual-clutch hybrid electric vehicle transmission system

Liu Wei
（Chongqing Vehicle Test＆Research Institute Co., Ltd, Chongqing 401122）

Dual-clutch parallel hybrid system is presented in this paper. Based on the original parallel hybrid system, two clutch are applicated.Then designing the powertrain system of key components ,and using logic threshold control strategy, then establishing the model of the powertrain system by means of the environment of ADVISOR2002. Fianlly simulating and analysising the model throught ADVISOR2002.

Hybrid Electric Vehicle; Power train; Dual-clutch

U463.2 文獻(xiàn)表示碼：A

1671-7988（2016）11-46-04

劉偉（1978-），男，碩士，從事汽車測試技術(shù)與研究。