紅旗H7 PHEV用離合器耦合式電機(jī)總成研發(fā)

賀紅偉 趙慧超 梁偉朋 高楚

（1.中國(guó)第一汽車集團(tuán)有限公司 新能源開發(fā)院，長(zhǎng)春 130011；2.中國(guó)第一汽車集團(tuán)有限公司 研發(fā)總院，長(zhǎng)春130011）

主題詞：新能源車 P2構(gòu)型 離合器耦合式電機(jī)總成（CCM）PHEV

1 前言

能源和環(huán)境正在成為影響世界汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展的兩大決定性因素。新能源汽車被視作當(dāng)今汽車工業(yè)新時(shí)代的發(fā)展方向[1]，世界各國(guó)車企都在大力推進(jìn)新能源車型的研發(fā)。為滿足未來(lái)排放法規(guī)要求，一汽集團(tuán)已將混合動(dòng)力技術(shù)作為重要的技術(shù)應(yīng)用解決方案，對(duì)應(yīng)S、M、H全系車型平臺(tái)均規(guī)劃了混合動(dòng)力車型產(chǎn)品。為重塑紅旗的高端品牌形象，一汽集團(tuán)開發(fā)H平臺(tái)全系車型產(chǎn)品，其中C131項(xiàng)目PHEV和C131項(xiàng)目HEV兩款應(yīng)用混合動(dòng)力技術(shù)的車型則是重中之重。汽車專用動(dòng)力電機(jī)系統(tǒng)是核心動(dòng)力總成，掌握核心動(dòng)力總成開發(fā)技術(shù)是各大主機(jī)廠保持競(jìng)爭(zhēng)力的重要保證，因此一汽集團(tuán)重金投入開發(fā)離合器耦合式電機(jī)（P2）構(gòu)型的混合動(dòng)力技術(shù)，該技術(shù)已開發(fā)完成并投入市場(chǎng)。本文主要分析一汽集團(tuán)離合器耦合式電機(jī)總成的開發(fā)方案。

2 離合器耦合式電機(jī)總成（CCM）概述

離合器耦合式電機(jī)總成為一汽推廣混動(dòng)動(dòng)力車型開發(fā)的混動(dòng)模塊，為“P2”構(gòu)型，即布置在發(fā)動(dòng)機(jī)和變速箱中間[2]，電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)作為混合動(dòng)力汽車中的重要部件，能夠在汽車加速啟動(dòng)過(guò)程中獨(dú)立工作，彌補(bǔ)內(nèi)燃機(jī)扭矩不足的缺點(diǎn)，降低油耗，同時(shí)可以通過(guò)對(duì)汽車制動(dòng)能量回收實(shí)現(xiàn)節(jié)能[3]。該總成由雙質(zhì)量飛輪、分離離合器及驅(qū)動(dòng)電機(jī)三部分組成；分離離合器與電機(jī)并排布置，離合器耦合在電機(jī)轉(zhuǎn)子內(nèi)部；動(dòng)力總成僅在傳統(tǒng)車軸向方向增加，如圖1所示。該總成可以實(shí)現(xiàn)如下功能：電力驅(qū)動(dòng)、電機(jī)冷卻、動(dòng)力離合、降低扭振、離合器執(zhí)行及冷卻、壓力平衡、制動(dòng)能量回收。

圖1 離合器耦合式電機(jī)總成爆炸圖

離合器耦合式電機(jī)總成的開發(fā)內(nèi)容包含如下：

（1）三相交流永磁同步型電機(jī)；

（2）濕式離合器；

（3）離合器控制系統(tǒng)；

（4）離合器電液驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)；

（5）離合器液冷系統(tǒng)；

（6）電機(jī)液冷系統(tǒng)；

（7）雙質(zhì)量飛輪；

離合器耦合式電機(jī)總成的主要參數(shù)如表1所示。

表1 離合器耦合式電機(jī)總成主要參數(shù)

3 離合器耦合式電機(jī)總成設(shè)計(jì)及優(yōu)化

離合器耦合式電機(jī)總成由雙質(zhì)量飛輪、分離離合器及驅(qū)動(dòng)電機(jī)三部分組成；分離離合器與電機(jī)并排布置，離合器耦合在電機(jī)轉(zhuǎn)子內(nèi)部。采用干式雙質(zhì)量飛輪、濕式離合器和干式電機(jī)，根據(jù)上述產(chǎn)品特點(diǎn)，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上實(shí)現(xiàn)干濕分離，各功能區(qū)通過(guò)油封或者密封圈進(jìn)行密封，共分雙質(zhì)量飛輪腔（干）、分離離合器腔（濕）、電機(jī)腔（干）、變速器腔（濕）四部分。

該集成系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)降低發(fā)動(dòng)機(jī)的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)，實(shí)現(xiàn)混動(dòng)驅(qū)動(dòng)模式切換，實(shí)現(xiàn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)和發(fā)電功能。本節(jié)主要介紹雙質(zhì)量飛輪、電機(jī)、分離離合器的開發(fā)設(shè)計(jì)方案。

3.1 雙質(zhì)量飛輪的設(shè)計(jì)方案

雙質(zhì)量飛輪（Double Mass Flywheel，簡(jiǎn)稱DMF）結(jié)構(gòu)包括第1質(zhì)量、第2質(zhì)量、彈性元件等元件。DMF幾乎使發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸的扭振完全與電機(jī)隔離，降低輸入軸的不平衡性，為電機(jī)和變速箱的順暢工作提供了可能性。同時(shí)，DMF相對(duì)傳統(tǒng)變速箱減震器來(lái)說(shuō)，所需空間更小，減震效果更好，提高了乘車的舒適性。

傳統(tǒng)雙質(zhì)量飛輪內(nèi)腔彈簧的減震效果有限，為追求更好的隔震效果，選用了帶有離心擺結(jié)構(gòu)的雙質(zhì)量飛輪。按照設(shè)計(jì)的質(zhì)量塊質(zhì)量、擺動(dòng)長(zhǎng)度，質(zhì)量塊會(huì)在小擺角范圍內(nèi)以一定頻率擺動(dòng)，該頻率與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速成正比，所以能夠?qū)Πl(fā)動(dòng)機(jī)主階次進(jìn)行減震。經(jīng)過(guò)仿真模擬計(jì)算結(jié)果顯示，帶有離心擺結(jié)構(gòu)的雙質(zhì)量飛輪能夠?qū)⑤斎胼S扭轉(zhuǎn)加速度降低至發(fā)動(dòng)機(jī)輸出端的10%以下。為進(jìn)一步提高NVH性能，將DMF內(nèi)部油脂更換為L(zhǎng)UK4油脂，主要工作段主階角加速度降低至6%以下，結(jié)果如圖2所示。

圖2 NVH結(jié)果

3.2 電機(jī)設(shè)計(jì)方案

P2構(gòu)型的混動(dòng)方案，在不改變傳統(tǒng)車動(dòng)力總成的基礎(chǔ)上，僅增加離合器耦合式電機(jī)總成，可以借助變速箱的多擋優(yōu)勢(shì)，無(wú)需大功率和高轉(zhuǎn)速電機(jī)即可滿足整車動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性等功能要求。

為整車動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和油耗法規(guī)要求，確定電機(jī)的性能指標(biāo)要求峰值扭矩為280 N·m，峰值功率為55 kW。為實(shí)現(xiàn)上述性能指標(biāo)要求，進(jìn)行了多種電磁方案開發(fā)，為了節(jié)約開發(fā)時(shí)間，多種方案并行開發(fā)設(shè)計(jì)。通過(guò)改變磁鋼的布置形式（V型、一型）、線圈的線徑、繞組形式、永磁體牌號(hào)、并繞根數(shù)、匝數(shù)等變化點(diǎn)，共進(jìn)行了四種方案的設(shè)計(jì)，均試制了樣機(jī)并進(jìn)行了臺(tái)架性能測(cè)試，根據(jù)臺(tái)架測(cè)試性能數(shù)據(jù)如圖3所示，熱分析數(shù)據(jù)、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、成本等多維度的對(duì)比分析，如圖4所示，確定最終EG02為最優(yōu)設(shè)計(jì)方案[4]。

EG02方案采用扁平型集中繞組和多極槽數(shù)方案，降低電機(jī)的有效體積，充分利用逆變器能力和電機(jī)磁阻轉(zhuǎn)矩、優(yōu)化控制策略、優(yōu)化繞組結(jié)構(gòu)散熱和冷卻方案，降低電機(jī)損耗，如圖5所示，實(shí)現(xiàn)3.4 kW/kg、17.8 N·m/kg的技術(shù)水平，接近《中國(guó)制造2025年》2020年技術(shù)水平。電機(jī)溫升的主要原因是由于電機(jī)工作過(guò)程中產(chǎn)生的各種損耗[5]，根據(jù)實(shí)際載荷分布專項(xiàng)設(shè)計(jì)電機(jī)效率區(qū)，降低整車實(shí)際運(yùn)行能耗，提高電機(jī)工作高效區(qū)面積，電機(jī)本體最高效率達(dá)到95.7%，如圖6所示。通過(guò)電機(jī)磁場(chǎng)諧波優(yōu)化，有效的降低齒槽扭矩峰峰值，并實(shí)現(xiàn)全區(qū)域扭矩波動(dòng)低于25 N·m，降低整車低速抖動(dòng)，降低電機(jī)噪聲激勵(lì)源。

圖3 多方案外特性曲線

圖4 多維度、多方案對(duì)比設(shè)計(jì)

圖5 電機(jī)損耗圖

圖6 電機(jī)效率圖

3.3 分離離合器設(shè)計(jì)方案

分離離合器控制發(fā)動(dòng)機(jī)與電機(jī)的動(dòng)力耦合狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)不同驅(qū)動(dòng)模式的切換。分離離合器的輸入端與發(fā)動(dòng)機(jī)雙質(zhì)量飛輪連接，分離離合器的輸出端與電機(jī)轉(zhuǎn)子支架連接。根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的最大扭矩確定分離離合器的扭矩容量不小于280 N·m，采用濕式分離離合器，具有扭矩容量大、性能穩(wěn)定、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。此外，濕式離合器可承受較大的滑摩、分離，接合過(guò)程更加平順，可使整車具備更好的NVH性能。

采用電—液執(zhí)行機(jī)構(gòu)，與液壓系統(tǒng)具有較好的集成性。根據(jù)液壓系統(tǒng)的壓力范圍，確定離合器的最高驅(qū)動(dòng)壓力為15 bar。根據(jù)扭矩容量需求和最高驅(qū)動(dòng)壓力，計(jì)算出需要5片摩擦片。摩擦片使用成熟的紙基摩擦材料，摩擦特性穩(wěn)定，在不同的壓力范圍，摩擦系數(shù)隨轉(zhuǎn)速的升高而加大，即始終保持正斜率（見圖7），易于控制，防止抖動(dòng)、聳車等NVH問(wèn)題。離合器回位彈簧采用螺旋彈簧，彈簧力線性度好。驅(qū)動(dòng)活塞采用沖壓鋼板硫化密封唇的結(jié)構(gòu)，活塞形狀可根據(jù)空間需求隨形設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)緊湊，空間利用率高。

圖7 不同壓力范圍離合器摩擦系數(shù)測(cè)試結(jié)果

分離離合器的動(dòng)作由一個(gè)比例壓力閥控制，壓力控制精度高，響應(yīng)快，同時(shí)通過(guò)壓力傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)離合器實(shí)際壓力，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制，即使在低溫條件下，也具有良好性能。離合器的冷卻通過(guò)一個(gè)比例流量閥控制，根據(jù)不同的工況，對(duì)離合器提供不同的冷卻流量，實(shí)現(xiàn)冷卻流量的精確調(diào)節(jié)和控制。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

離合器耦合式電機(jī)總成進(jìn)行了充分的試驗(yàn)驗(yàn)證，從零部件的材料、性能、疲勞試驗(yàn)，到子系統(tǒng)臺(tái)架可靠性試驗(yàn)，再到離合器耦合式電機(jī)總成臺(tái)架可靠性試驗(yàn)，最后到搭載整車測(cè)試，試驗(yàn)后進(jìn)行性能復(fù)測(cè)并拆解分析，均滿足設(shè)計(jì)要求，通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證。

硅鋼片為電機(jī)定轉(zhuǎn)子總成的主要零件，起到導(dǎo)磁、傳熱、機(jī)械支撐等的作用。因此開發(fā)過(guò)程中對(duì)硅鋼片的磁特性、絕緣性能、結(jié)構(gòu)特性、鐵損等一系列測(cè)試，均滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)。

永磁體為永磁同步電機(jī)中最重要的零件，對(duì)電機(jī)的性能起到?jīng)Q定性作用，因此開發(fā)中對(duì)永磁體進(jìn)行了全方位的測(cè)試?？紤]到永磁體的產(chǎn)品特性，永磁體磁性能易受到高溫和機(jī)械沖擊等影響，產(chǎn)生磁性能下降或者永久退磁現(xiàn)象，本產(chǎn)品對(duì)永磁體進(jìn)行了常溫磁性能檢測(cè)、高溫磁性能檢測(cè)、機(jī)械沖擊磁性能試驗(yàn)、溫度沖擊磁性能試驗(yàn)、機(jī)械性能測(cè)試、表面涂層耐腐蝕試驗(yàn)等一系列試驗(yàn)，均滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)。

離合器耦合式電機(jī)共進(jìn)行了兩輪的臺(tái)架可靠性試驗(yàn)，制定試驗(yàn)大綱時(shí)，除了考慮滿足標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)要求外，還充分考慮到產(chǎn)品特點(diǎn)以及用戶的使用可能性。例如高速循環(huán)耐久試驗(yàn)，模擬用戶長(zhǎng)時(shí)間行駛在高速路上，充分考核了電機(jī)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、熱平衡性能、磁鋼磁性能、軸承疲勞等一系列考核。通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，本產(chǎn)品滿足可靠性要求，如圖8所示。

圖8 高速循環(huán)耐久試驗(yàn)結(jié)果示意圖

分離離合器啟停試驗(yàn)，充分模擬電機(jī)啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)工況，重點(diǎn)考核分離離合器的閉合可靠性、分離離合器的滑摩可靠性、摩擦片的磨損可靠性，同時(shí)考核供油系統(tǒng)、軸承、油封密封等可靠性。通過(guò)上位機(jī)軟件控制電機(jī)轉(zhuǎn)速為某一轉(zhuǎn)速，控制分離離合器使電機(jī)與測(cè)功機(jī)逐漸結(jié)合，使測(cè)功機(jī)滑行啟機(jī)，然后控制分離離合器使電機(jī)與測(cè)功機(jī)逐漸分離，此過(guò)程為一個(gè)循環(huán)，如此往復(fù)循環(huán)。分離離合器啟停試驗(yàn)主要考察試驗(yàn)前后摩擦系數(shù)的變化以及摩擦系數(shù)隨離合器轉(zhuǎn)速差、壓力變化趨勢(shì)是否一致。

圖9 不同循環(huán)后摩擦系數(shù)

通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，如圖9所示，試驗(yàn)前后摩擦系數(shù)有微小變化，變化量在摩擦系數(shù)公差范圍內(nèi)，即傳遞扭矩性能沒(méi)有下降，同時(shí)分離離合器未出現(xiàn)磨損、變形等情況。

5 結(jié)論

離合器耦合式電機(jī)總成搭載紅旗H7混動(dòng)車進(jìn)行了承載系耐久、傳動(dòng)系耐久、地區(qū)適應(yīng)性等一系列試驗(yàn)。紅旗H7 PHEV車型于2016年投放市場(chǎng)，市場(chǎng)反饋良好。離合器耦合式電機(jī)總成具有如下優(yōu)勢(shì)：

（1）離合器耦合在電機(jī)內(nèi)部，并排布置，實(shí)現(xiàn)緊湊的軸向尺寸；

（2）分離離合器與電機(jī)互相獨(dú)立，可單獨(dú)生產(chǎn)、檢測(cè)及更換；

（3）CCM為獨(dú)立總成，不需對(duì)整車進(jìn)行較大改動(dòng)即可實(shí)現(xiàn)集成裝配，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)無(wú)影響，變速箱僅更改前殼，其他件通用；

（4）因可充分利用變速箱換擋優(yōu)勢(shì)，無(wú)需大功率和高轉(zhuǎn)速電機(jī)即可滿足整車功能要求；

（5）離合器、液力閥塊可通用，電機(jī)可實(shí)現(xiàn)平臺(tái)化。

濕式離合器免維護(hù)、系統(tǒng)模塊化設(shè)計(jì)，零部件可單獨(dú)更換。