張 雄,張安偉,段心林
(廣州汽車集團股份有限公司 汽車工程研究院, 廣州 511434)
G-MC(GAC mechatronic coupling)是廣汽機電耦合系統(tǒng)的簡稱,主要應(yīng)用于插電式或混合動力車型。
2014年初,廣汽研究院擬開發(fā)新一代的插電式新能源汽車,如何選擇機電耦合系統(tǒng)的構(gòu)型成為一個重點課題。當時市場上的主要構(gòu)型[1-3]有:豐田的THS(Toyota hybrid system)系統(tǒng)、通用的Voltec系統(tǒng)、本田的i-MMD(Intelligent multi mode drive)系統(tǒng)、科力遠的CHS(Corun hybrid system)系統(tǒng)、上汽的EDU(Electric drive unit)系統(tǒng)等,此外不少汽車企業(yè)也在使用P0~P4的方案??紤]到國內(nèi)對行星齒輪加工還不成熟,P0、P1、P4方案的節(jié)油效果不佳,P2、P3方案對自動變速箱的依賴度較高,從性能仿真、成本比較及專利分析等進行多輪論證,最終選定了目前的G-MC構(gòu)型。
如圖1所示,一般混合動力汽車系統(tǒng)包括發(fā)動機、耦合機構(gòu)、高壓電池、整車控制器、電機控制器、耦合控制器等。
圖1 混合動力系統(tǒng)方案圖
G-MC的系統(tǒng)原理如圖2所示,G-MC將發(fā)電機、驅(qū)動電機、離合器、傳動系統(tǒng)、差減速器及液壓系統(tǒng)等集成在高壓鑄造的鋁合金殼體內(nèi),采用油冷(雙油泵)。
圖2 G-MC系統(tǒng)原理
從構(gòu)型上來說,該耦合系統(tǒng)可以實現(xiàn)4種驅(qū)動模式,分別是純電動模式、串聯(lián)增程模式、并聯(lián)混動模式和發(fā)動機直驅(qū)模式。
當離合器分離,發(fā)動機和發(fā)電機不提供功率時,G-MC工作在純電動模式。此時功率流經(jīng)由中間軸、主減速齒輪傳遞至車輪,如圖3所示。
圖3 純電動模式功率流
當G-MC工作在串聯(lián)發(fā)電模式時,離合器處于分離狀態(tài),發(fā)動機帶動發(fā)電機發(fā)出電能,一部分用于電池充電,一部分用于給驅(qū)動電機供電,而驅(qū)動電機單獨驅(qū)動整車。該模式主要工作在電池電量低或急加速需求扭矩較大的行駛工況,其功率流如圖4所示。
圖4 串聯(lián)增程模式功率流
在高速大扭矩需求時,離合器接合,發(fā)動機和驅(qū)動電機共同驅(qū)動汽車,模式的功率流如圖5所示。
圖5 并聯(lián)混動模式功率流
在高速巡航時,離合器接合,發(fā)電機和驅(qū)動電機空轉(zhuǎn),由發(fā)動機單獨驅(qū)動汽車,該模式的功率流如圖6所示。G-MC外形如圖7所示。
圖6 發(fā)動機直驅(qū)模式功率流
圖7 G-MC系統(tǒng)外形
系統(tǒng)的相關(guān)參數(shù)如表1所示。
表1 G-MC系統(tǒng)參數(shù)
G-MC匹配廣汽專門研發(fā)的1.5ATK(Atkinson cycle)發(fā)動機,采用阿特金森循環(huán)。發(fā)動機的參數(shù)如表2所示,其中1.5TM(Turbo Miller cycle) 是廣汽正在開發(fā)的米靳循環(huán)發(fā)動機。
表2 發(fā)動機參數(shù)
在車輛實際行駛中,增程模式和混動模式占了絕大部分,因此針對這2種工況做效率最優(yōu)控制。
增程模式下,發(fā)動機轉(zhuǎn)速與車速解耦,可以實現(xiàn)發(fā)動機最優(yōu)控制。根據(jù)系統(tǒng)效率最優(yōu)計算增程器不同發(fā)電量的系統(tǒng)效率。選定以10 kW為限,當驅(qū)動電機需求功率小于10 kW時,為避免發(fā)電機、發(fā)動機工作點效率過低,發(fā)電機以10 kW的功率進行發(fā)電;而當驅(qū)動電機需求功率大于10 kW時進行瞬時功率跟隨控制,既可以保證增程器的高效性,又可以避免電池充放電造成的能量損失。
在混動模式下,發(fā)動機轉(zhuǎn)速與車輪轉(zhuǎn)速耦合,盡可能通過發(fā)電機調(diào)整發(fā)動機的負荷在高效區(qū)域。主要考慮以下原則:
1) 整車功率需求在發(fā)動機最經(jīng)濟曲線之下,SOC適中時,通過控制發(fā)電機的扭矩使發(fā)動機工作在最優(yōu)曲線上。
2) 整車功率需求低于發(fā)動機最經(jīng)濟工作曲線,但SOC較高時,此時通過調(diào)整發(fā)電機功率使發(fā)動機工作在克服整車阻力曲線與發(fā)動機最經(jīng)濟工作曲線之間。
3) 整車功率需求超過發(fā)動機最經(jīng)濟工作曲線時,通過發(fā)電機電機助力彌補部分需求扭矩,使得發(fā)動機工作在最經(jīng)濟曲線與外特性之間。
4) 當整車動力需求較大時,優(yōu)先滿足動力性,發(fā)動機工作在上限曲線。
G-MC系統(tǒng)的組成元件如圖8所示。
圖8 G-MC系統(tǒng)的組成元件
設(shè)計全新的液壓系統(tǒng)方案和液壓閥板,滿足離合控制和冷卻回路控制要求。開發(fā)控制單元,監(jiān)控系統(tǒng)流量、油壓和油溫,通過控制電磁閥實現(xiàn)離合器的開合控制。液壓系統(tǒng)采用電動油泵和機械油泵的雙油泵方案,滿足各種工況下的冷卻潤滑需求。
耦合系統(tǒng)內(nèi)部的冷卻方式分為強制潤滑與飛濺潤滑[4-6]。差速器齒圈的攪動,把油液甩到相關(guān)的齒軸位置,形成油膜,提供相應(yīng)的潤滑、冷卻。對無法飛濺潤滑的位置或?qū)鋮s需求較大的位置,如電機線圈繞組、中間軸軸承等位置,通過輸油管路和殼體內(nèi)部的管路,強制進行冷卻,以避免冷卻潤滑不良造成的零部件失效。電機的冷卻系統(tǒng)如圖9所示。
圖9 電機冷卻潤滑系統(tǒng)
耦合控制器根據(jù)整車控制器的要求,控制離合器的接合與斷開,實現(xiàn)模式切換。耦合控制器根據(jù)電機狀態(tài)實時控制電動油泵的轉(zhuǎn)速,滿足耦合機構(gòu)內(nèi)部零件不同的冷卻需求。耦合控制原理如圖10所示。
圖10 耦合控制原理示意圖
與主流的機電耦合系統(tǒng)相比[7-10],G-MC具備結(jié)構(gòu)簡單、控制難度小、無換擋沖擊、發(fā)動機介入平順、加工容易、成本較低的特點。詳細對比情況如表3所示。
G-MC目前已搭載3個車型:GA3SPHEV、GS4PHEV、GA6PHEV,同時也提供給廣汽的合資企業(yè)。GA3SPHEV補貼前售價16.48萬元起,具有一定價格優(yōu)勢,整車參數(shù)如表4所示。其中當時在售的同類插電式轎車車型A和B的加速時間及油耗是對標試驗的實測值。
表3 主流混動變速箱對比
表4 整車性能參數(shù)
G-MC是廣汽研究院完全獨立自主的研發(fā),廣汽乘用車生產(chǎn)裝配。G-MC項目從立項到SOP歷時近3年。作為正向開發(fā)的G-MC系統(tǒng)經(jīng)過系統(tǒng)性的臺架和整車試驗驗證。量產(chǎn)前,G-MC試制了390臺,裝車260輛,完成零部件和總成設(shè)計驗證項目超百項,累積臺架試驗小時數(shù)超過1萬h,累積整車試驗當量里程超過400萬km。
具體開發(fā)難點如表5所示。
與其他全新研發(fā)的機構(gòu)一樣,G-MC在開發(fā)過程中有很多難題要攻克,如扭擺減振器異響、電磁閥卡滯等。至2018年5月底,市場上已銷售裝載了G-MC系統(tǒng)的車輛超過5 000輛,其總體故障率與常規(guī)車相當,其中G-MC系統(tǒng)相關(guān)的故障約10例,主要有油泵密封不良、P擋機構(gòu)控制軟件缺陷等。通過艱苦的設(shè)計改進、大量的試驗驗證和更加嚴格的質(zhì)量控制,這些問題和不足都得到了有效解決。
表5 G-MC開發(fā)難點
從產(chǎn)品系列方面,G-MC將向2個型號發(fā)展:一個是匹配1.5TM的發(fā)動機,適用于中小型車的混動或插電式汽車;另一個是匹配2.0TM的發(fā)動機,適用于大型車的混合動力。如G-MC用于GS8(七座SUV),初步分析表明其油耗可從現(xiàn)在的9.1 L降低到6.4 L,整車成本增量不超過2萬元。
從技術(shù)角度的改進有3個方向:
1) 更加高效。采用方形導線技術(shù),提升電機電壓,提高發(fā)電機轉(zhuǎn)速,減小電機體積。
2) 更加緊湊。把電機控制器與電機外殼一體化,進一步提升系統(tǒng)集成度。
3) 更加低成本。預(yù)計新一代的機電耦合系統(tǒng)(含電機控制器等),成本將降低30%左右。
G-MC是廣汽研究院主導,國內(nèi)供應(yīng)商配合,獨立自主開發(fā)的混合動力變速箱,在開發(fā)過程中遇到了很多的難題,經(jīng)過工程師的反復(fù)研究和攻關(guān),最終攻克難關(guān)得予上市。對比同期上市車型,在動力性和經(jīng)濟性方面均有明顯的優(yōu)勢。該系統(tǒng)的成功研制為后續(xù)開發(fā)積累了豐富的經(jīng)驗,打下了良好的基礎(chǔ)。