混動專用變速箱的系統(tǒng)效率測試方法研究

摘要：新能源汽車是全球汽車產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級、綠色發(fā)展的主要方向，也是我國汽車產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的戰(zhàn)略選擇[1]，由工信部指導(dǎo)發(fā)布的《節(jié)能與新能源汽車路線圖2.0》，期望2035年混動新車占傳統(tǒng)燃油車的比例達到100%，混動乘用車平均油耗達到4 L/100 km，各車企均選擇了混動專用變速箱技術(shù)路線。為最大實現(xiàn)最優(yōu)化運行策略，需要測試各模式下系統(tǒng)效率，以制定扭矩分配策略，實現(xiàn)最低油耗?；诖耍饕榻B一款P1+P3兩擋混動專用變速箱（DHT）的系統(tǒng)效率測試工況的制定及測試方法，指導(dǎo)整車制定扭矩分配策略，實現(xiàn)最佳油耗。

關(guān)鍵詞：混動專用變速箱；系統(tǒng)效率；油耗

中圖分類號：U467.5 收稿日期：2024-10-20

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2024.12.023

1 前言

混動變速箱是混動動力汽車的核心部件，混動變速箱不同的機電耦合方式可以實現(xiàn)不同混動驅(qū)動模式，先進高效的機電耦合系統(tǒng)對提升混合動力汽車的競爭力至關(guān)重要。

其中，日本企業(yè)的混動變速箱系統(tǒng)已量產(chǎn)了20多年，如豐田的功率分流系統(tǒng)，當前已開發(fā)到第4代，簡稱THS-IV[2]；本田開發(fā)的P1+P3單擋變速箱，簡稱I-MMD系統(tǒng)[3]。歐洲開發(fā)的混動變速箱大部分都是基于傳統(tǒng)變速箱平臺化設(shè)計，大部分只能實現(xiàn)并聯(lián)驅(qū)動，無法結(jié)合串聯(lián)和并聯(lián)的優(yōu)勢，如寶馬和大眾都采用P2 AT變速箱結(jié)構(gòu)。國內(nèi)主流的比如比亞迪的DMI系統(tǒng)（P1+P3單擋）、廣汽的GMC 2.0混動系統(tǒng)（P1+P3 2擋）、吉利的雷神動力系統(tǒng)（P1+P2 3AT）。

本文主要研究某P1+P3兩擋混動專用變速箱（電機油冷）的工作模式及各模式下的系統(tǒng)效率測試方法，通過臺架實測獲取變速箱的系統(tǒng)效率數(shù)據(jù)，以便HCU合理決策2DHT的工作模式并制定合理的能量管理策略。

2 P1+P3 2DHT混動架構(gòu)介紹

本文研究的2DHT混動專用變速箱動力傳動結(jié)構(gòu)見圖1，傳動系統(tǒng)主要由發(fā)電機、濕式離合器總成、驅(qū)動電機、齒軸等構(gòu)成，其中發(fā)動機和發(fā)電機通過一對齒輪固定連接，同時發(fā)動機分別通過一對齒輪連接到濕式離合器的主動端；離合器被動端通過一對減速齒輪連接到差速器輸出端及輪端；驅(qū)動電機通過兩對齒輪與差速器輸出端和輪端固定連接。

當離合器打開時，發(fā)動機出正扭矩而發(fā)電機為負扭矩，進入P1發(fā)電模式；同時P3電機可以驅(qū)動輪端進入電驅(qū)模式。當離合器閉合時，發(fā)動機可以通過離合器直接將動力傳給輪端，實現(xiàn)發(fā)動機直驅(qū)但兩個電機進入0扭矩空轉(zhuǎn)；如果P3電機出正扭或負扭，則能實現(xiàn)發(fā)動機和驅(qū)動電機的并聯(lián)驅(qū)動或并聯(lián)發(fā)電模式。

3 2DHT變速箱系統(tǒng)效率測試

2.1 測試內(nèi)容介紹

2DHT主要的工作模式包含串聯(lián)模式、并聯(lián)模式、純電驅(qū)動。串聯(lián)模式表示發(fā)動機給發(fā)電機發(fā)電，同時驅(qū)動電機驅(qū)動車輛行駛；并聯(lián)模式表示其中一個離合器結(jié)合，發(fā)動機直接驅(qū)動車輛，此時發(fā)動機和驅(qū)動電機可以維持零扭矩空轉(zhuǎn)，或者驅(qū)動電機提供扭矩實現(xiàn)并聯(lián)助力或并聯(lián)發(fā)電狀態(tài)；純電驅(qū)動與串聯(lián)模式的驅(qū)動電機驅(qū)動工況一致?；谝陨戏治觯?DHT的系統(tǒng)效率測試主要包括以下內(nèi)容：

a.P1發(fā)電系統(tǒng)效率測試。如圖1所示，離合器斷開，輸入軸測功機連發(fā)動機輸入軸，并通過一級齒輪連接發(fā)電機，輸入軸測功機出正扭矩驅(qū)動發(fā)電機出負扭，并共通過P1電機inverter（電機控制器）將測功機的機械能轉(zhuǎn)換成電能輸出給臺架電池模擬器。表達式為：

P1發(fā)電系統(tǒng)效率=臺架電池模擬器功率/輸入軸測功機功率

b.P3電驅(qū)系統(tǒng)效率測試。離合器斷開，電池模擬器通過P3電機inverter給驅(qū)動電機輸出電功率，將電池模擬器的電能轉(zhuǎn)換為驅(qū)動電機轉(zhuǎn)子的機械能，并通過兩級齒輪輸出給輸出軸測功機。表達式為：

P3電驅(qū)系統(tǒng)效率=輸入軸測功機功率/臺架電池模擬器功率

c.發(fā)動機驅(qū)動機械效率測試。斷開發(fā)電機轉(zhuǎn)子、驅(qū)動電機轉(zhuǎn)子與齒輪的連接，基于需要測試的發(fā)動機擋位，閉合相應(yīng)的離合器（只能閉合一個），輸入軸測功機出正扭矩，動力通過一級齒輪副、離合器、主減齒輪副傳遞給輸出軸測功機。表達式為：

發(fā)動機驅(qū)動機械效率=輸出軸測功機功率/輸入軸測功機功率

d.P1和P3電機零扭矩系統(tǒng)損耗測試。以P1電機0扭矩系統(tǒng)損耗測試為例，輸入軸測功機轉(zhuǎn)速控，可以將發(fā)電機拉到任意轉(zhuǎn)速，此時P1電機inverter控制P1電機為0 N·m，但實際該扭矩可能存在偏差±3 N·m，表達式為：

P1零扭矩系統(tǒng)損耗=臺架電池模擬器功率+輸入軸測功機功率

同理：

P3零扭矩系統(tǒng)損耗=臺架電池模擬器功率+輸出軸測功機功率

3.2 測試方法介紹

為了實現(xiàn)上文的測試內(nèi)容，需要搭建混動電驅(qū)試驗臺架，并定義好所有的測試工況點、測試邊界及臺架設(shè)備參數(shù)，完成所有工況點的測試。具體如下：

a.首先搭建三電機混動電驅(qū)試驗臺架。臺架搭建的目的是為了能夠獲取2DHT系統(tǒng)效率結(jié)果的原始數(shù)據(jù)，臺架的傳動系搭建示意圖見圖2，輸入電機1（輸入軸測功機）與被測試變速箱3的輸入軸連接，輸入扭矩儀可實時測量輸入電機1的扭矩。被測試變速箱3的輸出端連接傳動軸6，左右輸出端分別連接負載電機（輸出軸測功機）。此外，還需要在被測試變速箱3的雙電機集成inverter（電機控制器）的高壓直流母線端口安裝高壓線束，高壓線束另一端通過銅鼻子連接到臺架的電池模擬器，以便實時監(jiān)控inverter直流母線的電壓和電流；同時臺架需要定制尺寸合適冷卻管路，接臺架冷卻液給被測試變速箱的inverter和油冷器進行冷卻或加熱。

b.定義測試工況點。測試工況點能夠推導(dǎo)出2DHT系統(tǒng)效率測試結(jié)果，定義好完整的測試工況點，能有效指導(dǎo)臺架測試工程師完成每一項測試任務(wù)，縮短測試時間。測試工況點包含以下幾部分：臺架設(shè)備原始測試數(shù)據(jù)，包括電池模擬器的電壓和電流、輸入電機的扭矩和轉(zhuǎn)速、輸出電機的扭矩和轉(zhuǎn)速，這些參數(shù)最終都可以轉(zhuǎn)換成功率用于效率計算被測試變速箱的測試變量，包括發(fā)電機請求扭矩和實際扭矩、驅(qū)動電機請求扭矩和實際扭矩、變速箱請求擋位和實際擋位、發(fā)電機實際轉(zhuǎn)速、驅(qū)動電機實際轉(zhuǎn)速、變速箱油溫、發(fā)電機和驅(qū)動電機的定子溫度、inverter溫度、電子油泵請求轉(zhuǎn)速和實際轉(zhuǎn)速。以上所有的請求變量，都需要通過變速箱標定手段來實現(xiàn)，所有的測試變量都可以通過標定設(shè)備和上位機測試獲取。測試邊界及臺架參數(shù)設(shè)置，被測試箱的系統(tǒng)效率的測試邊界，盡可能接近整車環(huán)境。表1示例是P3電驅(qū)動系統(tǒng)的測試邊界定義。

c.完成測試。在滿足上述邊界條件下，可以開始對所有的工況點進行測試，并采集測試變量，但在開始測試前需要先完成磨合試驗，所有變速箱內(nèi)部運動零件都要在充分的潤滑環(huán)境下完成一定時間的運轉(zhuǎn)，以便獲取更精準的變速箱系統(tǒng)效率。

3.3 測試數(shù)據(jù)分析

基于上文獲取的各工作模式下每個工況點的測試變量，反算出輸出功率和輸入功率，表達式為：系統(tǒng)效率=|輸出功率|/|輸入功率|。圖3～圖5是針對2.2所述測試內(nèi)容的系統(tǒng)效率測試結(jié)果。

4 結(jié)語

通過制定合理混動專用變速箱系統(tǒng)效率測試內(nèi)容及工況點，利用三電機混動臺架和標定測試手段，可以測試出系統(tǒng)效率所需的原始測量變量，并轉(zhuǎn)換成各測試內(nèi)容的系統(tǒng)效率值。通過該方法能有效摸索出混動專用變速箱的系統(tǒng)效率結(jié)果，指導(dǎo)混動扭矩分配策略的制定，如果混動標定工程師有其它工況點要求，可以增加測試工況，該方法最終有利于實現(xiàn)整車最低油耗。

參考文獻：

[1]新能源汽車是我國汽車產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的戰(zhàn)略選擇[EB/OL].（2023-06-21）[2024-10-15].https：/www.gov.co/xin wen/jdzc/202306/content＿6887665.htm.

[2]Nobuyasu S.Development of New Hybrid Transaxle for Mid-Size Sports Utility Vehicles[J].SAE Technical Paper，2020-01-0850.

[3]Machida J.Development of intelligent Power Unit for 2018 Model Year Accord Hybrid[J].SAE Tchincal Paper，2019-01-0592.

[4]Kim N J.Analysis of Transmission Efficiency of a Plug-In Hybrid Vehicle Based on Operating Modes[J].International Journal of Precision Engineering and Manufacturing Green Technology[J]，2021，192：153-162.

作者簡介：

彭超，男，1991年生，工程師，研究方向為混動電驅(qū)總成開發(fā)及TCU軟件控制。