一種基于傳統(tǒng)變速箱的48V P3并聯(lián)式混動(dòng)傳動(dòng)系統(tǒng)

杜新樂 王全任 陳 凱

(泛亞汽車技術(shù)中心有限公司，上海 201201)

0 前言

隨著國家油耗要求越來越高，整車企業(yè)實(shí)施混合動(dòng)力策略、布局混合動(dòng)力產(chǎn)品已是大勢(shì)所趨。對(duì)傳統(tǒng)車企而言，既要擁抱新能源帶來的變革又要保持現(xiàn)有傳統(tǒng)產(chǎn)品的轉(zhuǎn)型升級(jí)，基于傳統(tǒng)車型的混合動(dòng)力策略是傳統(tǒng)車企戰(zhàn)略需求。48V P0微混系統(tǒng)是最早在傳統(tǒng)車型上實(shí)施的經(jīng)濟(jì)混動(dòng)方案，性價(jià)比較高，各大車企尤其是歐洲車企在2018年開始陸續(xù)配置量產(chǎn)，據(jù)HIS預(yù)測如圖1，到2025年全球48V微混車輛將超過1,200萬。隨著48V微混平臺(tái)的成熟以及國家排放法規(guī)的進(jìn)一步提高，48V P0混動(dòng)系統(tǒng)面臨更新?lián)Q代的需求，需要提前尋找潛在的性能改進(jìn)優(yōu)化方案。

注：數(shù)據(jù)來源HIS

1 混動(dòng)結(jié)構(gòu)選型

第一代48V系統(tǒng)采用P0混動(dòng)構(gòu)型，和其它節(jié)油技術(shù)相比，具有高性價(jià)比、高安全性和高適用性等特點(diǎn)，但是P0系統(tǒng)處于發(fā)動(dòng)機(jī)前端，電機(jī)功率和傳動(dòng)效率較低且無法單獨(dú)驅(qū)動(dòng)車輛運(yùn)行。

圖2 不同構(gòu)型下電機(jī)位置示意圖

48V混動(dòng)系統(tǒng)為了追求更高的油耗性能，需要提高電機(jī)功率，按照48V電池瞬時(shí)最大電流530A@10s的放電能力，電機(jī)最大功率可以做到20 kW～25 kW，并盡量靠近車輪端以獲得更好的電驅(qū)效率和能量回收效率。常見的48V混動(dòng)構(gòu)型比較見表1，顯然P0/P1系統(tǒng)無法滿足要求。由于P4系統(tǒng)車輛需要新增后驅(qū)系統(tǒng)，改動(dòng)量和成本增加較多，而P3方案相較P2系統(tǒng)有更好的布置空間，綜合比較48V P3系統(tǒng)更適合傳統(tǒng)車輛改動(dòng)量較小條件下實(shí)現(xiàn)。

表1 48V混動(dòng)構(gòu)型比較表

P3系統(tǒng)結(jié)合傳統(tǒng)變速箱實(shí)現(xiàn)較為容易，在主減速齒輪上的電驅(qū)耦合也有最廣泛的適用性，適合MT/AMT/CVT/DCT/AT等所有具有主減速結(jié)構(gòu)的傳統(tǒng)變速箱形式。

本文將著重介紹一種基于傳統(tǒng)CVT變速箱集成平行軸式并聯(lián)48V P3電機(jī)混動(dòng)方案。

2 基于CVT變速箱的48V P3混動(dòng)系統(tǒng)

2.1 傳動(dòng)系統(tǒng)概述

現(xiàn)有48V微混動(dòng)車型主要具有發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力助力、調(diào)整發(fā)動(dòng)機(jī)行駛工況、怠速和行駛充電、制動(dòng)能量回收等功能，48V P3車型由于擁有更大功率的電機(jī)以及更直接的傳動(dòng)鏈，可以實(shí)現(xiàn)整車純電行駛、電動(dòng)起步、電動(dòng)倒車等48V P0系統(tǒng)不具備的功能，另外，在調(diào)整發(fā)動(dòng)機(jī)行駛工況、怠速和行駛充電、制動(dòng)能量回收等方面都比48V P0系統(tǒng)有所提高，基于以上的功能分析，CVT變速箱的48V P3混動(dòng)系統(tǒng)需要具有支持以上整車功能實(shí)現(xiàn)的能力，即既支持傳統(tǒng)動(dòng)力總成的動(dòng)力傳遞，又具備P3介入后的豐富功能，可以支持實(shí)現(xiàn)車輛的純電行駛、混合動(dòng)力行駛、傳統(tǒng)動(dòng)力行駛的驅(qū)動(dòng)模式。

為了實(shí)現(xiàn)以上目標(biāo)，本方案將P3電機(jī)將通過一套平行軸式的電驅(qū)傳動(dòng)系統(tǒng)與傳統(tǒng)動(dòng)力在主減速齒輪上進(jìn)行能量耦合，為了提高驅(qū)動(dòng)和充電效率，電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)將至少擁有一個(gè)驅(qū)動(dòng)檔位和一個(gè)充電檔位；為了支持電機(jī)驅(qū)動(dòng)和充電檔位之間的切換，需要設(shè)計(jì)一套高效的換擋機(jī)構(gòu)。

表2 P3和傳統(tǒng)48V微混功能對(duì)比表

2.2 傳動(dòng)系統(tǒng)介紹

基于傳統(tǒng)CVT增加P3混動(dòng)系統(tǒng)的傳動(dòng)系統(tǒng)如圖3所示，發(fā)動(dòng)機(jī)和變速箱的連接以及發(fā)動(dòng)機(jī)傳統(tǒng)動(dòng)力傳遞結(jié)構(gòu)不變，在中間軸上新增一套單向離合器C2，支持在純電行駛等工況下，按照需求斷開傳統(tǒng)動(dòng)力。

圖3 基于傳統(tǒng)CVT增加P3混動(dòng)系統(tǒng)的傳動(dòng)系統(tǒng)圖

新增一套二軸式平行軸電驅(qū)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)與電機(jī)驅(qū)動(dòng)軸1共軸連接，驅(qū)動(dòng)軸上裝有齒輪2和齒輪3，齒輪2和電驅(qū)軸1固定連接，齒輪3和中間軸上的齒輪1常結(jié)合，齒輪3旁設(shè)同步器S1′，通過S1′可以實(shí)現(xiàn)齒輪3和電驅(qū)軸的接合或斷開。齒輪4和齒輪5布置在電驅(qū)軸2上，齒輪4旁設(shè)同步器S1，齒輪5與電驅(qū)軸2固定連接。除驅(qū)動(dòng)電機(jī)外，所有傳統(tǒng)CVT傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和P3電機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)都包裹在殼體內(nèi)，集成度更高且更容易實(shí)現(xiàn)高效潤滑。

2.3 動(dòng)力切換結(jié)構(gòu)介紹

平行軸式的電動(dòng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)有二個(gè)同步器機(jī)構(gòu)，每個(gè)同步器機(jī)構(gòu)負(fù)責(zé)一個(gè)齒輪的動(dòng)力結(jié)合和斷開，為了更緊湊的實(shí)現(xiàn)動(dòng)力切換，設(shè)計(jì)兩個(gè)撥叉聯(lián)動(dòng)設(shè)計(jì)，使用為同一個(gè)P3液壓缸控制，銷連接實(shí)現(xiàn)聯(lián)動(dòng)。如附圖4，兩端設(shè)置機(jī)械限位，僅驅(qū)動(dòng)和充電兩檔，不設(shè)空擋，控制簡單。優(yōu)點(diǎn)是液壓缸一側(cè)為液壓推動(dòng)，一側(cè)為彈簧回位實(shí)現(xiàn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)檔，降低整個(gè)系統(tǒng)能耗；成本低，結(jié)構(gòu)緊湊，節(jié)省變速箱空間。

圖4 高效的P3系統(tǒng)動(dòng)力切換機(jī)構(gòu)示意圖

2.4 電機(jī)集成方案和布置

P3電機(jī)推薦使用直流永磁同步電機(jī)，將電機(jī)整體地安裝在電驅(qū)動(dòng)軸上，和電動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)形成整體電驅(qū)系統(tǒng)。永磁同步電機(jī)和電機(jī)控制逆變器集成一起，冷卻方式采用水冷冷卻方式。

永磁同步電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)如下[1-2]：

(1)永磁同步電機(jī)本身的功率效率高以及功率因數(shù)高；

(2)永磁同步電機(jī)發(fā)熱小，因此電機(jī)冷卻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、體積小、噪聲?。?/p>

(3)電機(jī)和逆變器采用一體式設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，集成度高，空間優(yōu)化且性能有保證；

(4)永磁同步電機(jī)允許的過載電流大，可靠性顯著提高；

(5)整個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)重量輕，單位重量功率大；

(6)由于齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)和CVT一體設(shè)計(jì)，P3傳動(dòng)系統(tǒng)集成度高，可對(duì)轉(zhuǎn)向架系統(tǒng)隨意設(shè)計(jì)：如柔式轉(zhuǎn)向架、單軸轉(zhuǎn)向架，使列車動(dòng)力性能大大提高。

(7)由于采用了永磁材料磁極，特別是采用了稀土金屬永磁體(如釹鐵硼等)，其磁能積高，可得到較高的氣隙磁通密度，因此在容量相同時(shí)，電機(jī)的體積小、重量輕。

(8)轉(zhuǎn)子沒有銅損和鐵損，也沒有集電環(huán)和電刷的摩擦損耗，運(yùn)行效率高。

(9)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小，允許的脈沖轉(zhuǎn)矩大，可獲得較高加速度，動(dòng)態(tài)性能好，結(jié)構(gòu)緊湊，運(yùn)行可靠。

綜上所述，永磁同步電機(jī)集成逆變器的設(shè)計(jì)，更能發(fā)揮P3電機(jī)的優(yōu)勢(shì)。

2.5 動(dòng)力傳動(dòng)模式的實(shí)現(xiàn)

通過C2離合器和S1、S1′的動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)動(dòng)力流的多模式切換，不同檔位的結(jié)合可以控制P3電機(jī)有無扭矩需求，也可以實(shí)現(xiàn)P3電機(jī)在合適工況或者電池饋電條件下，通過扭矩控制實(shí)現(xiàn)電機(jī)在行駛中發(fā)電功能，優(yōu)化傳動(dòng)效率，同時(shí)支持整車的行駛功能及實(shí)現(xiàn)充電模式和能量回收，如表3所示：

表3 混動(dòng)傳動(dòng)功能模式表

(1)通過C2離合器結(jié)合，S1斷開，S1′聯(lián)動(dòng)同步器斷開，可以實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)動(dòng)力驅(qū)動(dòng)車輛；

(2)純電起步和行駛模式下，C2離合器斷開，S1結(jié)合，電機(jī)驅(qū)動(dòng)電驅(qū)軸1和齒輪2，通過齒輪4進(jìn)而通過S1傳遞到電驅(qū)軸2，通過齒輪5最終傳遞到主減速齒輪，實(shí)現(xiàn)電驅(qū)動(dòng)力朝車輪方向傳輸；

(3)混動(dòng)模式下，C2離合器結(jié)合，S1結(jié)合，則發(fā)動(dòng)機(jī)和P3電機(jī)共同驅(qū)動(dòng)車輛，進(jìn)而獲得更好的車輛加速性能；P3電機(jī)可以通過轉(zhuǎn)速方向切換實(shí)現(xiàn)前進(jìn)和倒擋起步以及行駛的需求；

(4)怠速充電下，C2離合器脫開，S1′結(jié)合，發(fā)動(dòng)機(jī)怠速動(dòng)力由齒輪1傳遞到齒輪3，進(jìn)而傳遞到電驅(qū)軸1，最終傳遞給電機(jī)來進(jìn)行發(fā)電；

(5)此系統(tǒng)同時(shí)支持行駛中充電，C2、S1和S1′的開關(guān)狀態(tài)和混動(dòng)模式的動(dòng)力行駛相同，通過電機(jī)出負(fù)向扭矩來實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力通過P3來發(fā)電的功能；

(6)該系統(tǒng)支持剎車制動(dòng)能量回收，在電機(jī)驅(qū)動(dòng)條件下剎車，不改變動(dòng)力傳遞路徑，通過控制P3電機(jī)出負(fù)向扭矩來阻止車輛行駛并發(fā)電，在傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)車輛或混合動(dòng)力行駛時(shí)，則使用P3電機(jī)出負(fù)向扭矩，通過主減速齒輪、齒輪1、齒輪3和電驅(qū)動(dòng)軸來實(shí)現(xiàn)電機(jī)發(fā)電充入電池。

2.6 傳動(dòng)系統(tǒng)布局總覽

通過集成CVT傳統(tǒng)系統(tǒng)、電驅(qū)傳動(dòng)系統(tǒng)、電驅(qū)控制系統(tǒng)、集成電機(jī)和逆變器的永磁同步電機(jī)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)基于CVT的P3混動(dòng)系統(tǒng)，該系統(tǒng)緊湊高效且便于布置，對(duì)傳統(tǒng)車型前倉空間較為有利，在基本不改變現(xiàn)有前倉布局下，在SGM某車型完成布置工作，滿足布置和周邊轉(zhuǎn)向機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)排氣管、發(fā)動(dòng)機(jī)、半軸等周邊零件的間隙要求，具備應(yīng)用條件。

圖5 P3電機(jī)與傳統(tǒng)CVT集成示意圖

3 混動(dòng)系統(tǒng)樣箱建造

為了驗(yàn)證本文提出的48V P3并聯(lián)式混動(dòng)傳動(dòng)系統(tǒng)的方案，本司相關(guān)技術(shù)團(tuán)隊(duì)完成了將上述技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的混動(dòng)系統(tǒng)樣箱試制，如圖6。并順利通過下線測試，驗(yàn)證了C2離合器和P3檔位切換機(jī)構(gòu)的控制初步滿足本文方案的技術(shù)假設(shè)。

圖6 混動(dòng)系統(tǒng)樣箱建造

4 混動(dòng)系統(tǒng)臺(tái)架試驗(yàn)

為了近一步驗(yàn)證本文提出的48V P3并聯(lián)式混動(dòng)傳動(dòng)系統(tǒng)的方案，本司相關(guān)技術(shù)團(tuán)隊(duì)同時(shí)完成了混動(dòng)系統(tǒng)臺(tái)架的搭建，并依據(jù)臺(tái)架近一步完善了控制模型的搭建和測試環(huán)境的搭建，對(duì)控制系統(tǒng)不停地進(jìn)行優(yōu)化和迭代。

圖7 混動(dòng)系統(tǒng)臺(tái)架試驗(yàn)

4.1 控制模型搭建

將混動(dòng)模式控制、扭矩分配、扭矩安全、最優(yōu)速比決策等23個(gè)軟件功能分解到57個(gè)模塊，如圖8。利用MATLAB/Simulink搭建控制軟件模型，對(duì)控制算法進(jìn)行具體實(shí)現(xiàn)。

圖8 控制軟件模型

4.2 測試環(huán)境搭建

(1)搭建物理模型及測試環(huán)境，對(duì)控制軟件模型進(jìn)行了模型在環(huán)測試，對(duì)控制軟件模型進(jìn)行優(yōu)化；

(2)搭建硬件在環(huán)系統(tǒng)，并利用快速原型對(duì)控制軟件進(jìn)行了硬件在環(huán)測試，基于實(shí)時(shí)系統(tǒng)對(duì)控制軟件模型進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化；

圖9 Mil測試環(huán)境搭建

圖10 Hil測試環(huán)境搭建

通過混動(dòng)系統(tǒng)臺(tái)架對(duì)混動(dòng)系統(tǒng)變速箱進(jìn)行控制優(yōu)化以及功能測試，完成了EV/Idle charge/hybrid三個(gè)模式之間的切換、三個(gè)模式之間的傳動(dòng)鏈控制以及三個(gè)模式之間的策略驗(yàn)證，最終實(shí)現(xiàn)了具體的模式切換功能，如圖11，并將臺(tái)架數(shù)據(jù)帶入仿真模型中，完成基于臺(tái)架模擬仿真的油耗分析結(jié)果。

圖11 模式切換調(diào)試數(shù)據(jù)

圖12 模擬仿真中的發(fā)動(dòng)機(jī)工況點(diǎn)

5 總結(jié)

本文闡述了一種基于CVT變速箱的48V P3策略，研究了其功能要求和性能優(yōu)點(diǎn)，并完成了設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了樣機(jī)試制及臺(tái)架搭建，最后實(shí)現(xiàn)臺(tái)架功能測試，并完成了油耗分析。因國內(nèi)外基于CVT的48V P3并聯(lián)式混動(dòng)系統(tǒng)方案和布置均無量產(chǎn)項(xiàng)目，所以該混動(dòng)方案處于初期階段。通過在現(xiàn)有車型上的布置研究，可以較為便捷的滿足傳統(tǒng)整車前艙布局要求；搭載20 kW～25 kW的P3永磁同步電機(jī)及高效的平行軸式電驅(qū)傳動(dòng)系統(tǒng)，結(jié)合高度集成的電驅(qū)控制系統(tǒng)，混動(dòng)系統(tǒng)可以為整車綜合工況節(jié)省14%～16%的百公里油耗，以NEDC綜合油耗6.8 L的某中型SUV帶起停系統(tǒng)的傳統(tǒng)車型而言，百公里節(jié)約1 L燃油消耗量；該方案相對(duì)傳統(tǒng)整車和CVT變速箱改動(dòng)量不大，簡單容易實(shí)現(xiàn)，成本較低。該方案同樣兼容高壓平臺(tái)綜合性價(jià)比較優(yōu)，是傳統(tǒng)自動(dòng)檔變速箱車型尤其是傳統(tǒng)48V P0輕混車型升級(jí)的重要技術(shù)路線，具有較廣泛的應(yīng)用前景。