關(guān)于小型車(chē)混合動(dòng)力裝置的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)

通過(guò)動(dòng)力裝置電氣化改善車(chē)輛燃油經(jīng)濟(jì)性，是滿足嚴(yán)格的燃油經(jīng)濟(jì)性法規(guī)的1項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。但是，僅有少量的諸如B級(jí)小型車(chē)輛采用了電動(dòng)裝置，這是因?yàn)槿加徒?jīng)濟(jì)性的提高相對(duì)于成本增加十分有限，而且還需額外增加電動(dòng)裝置的安裝空間。研究了適合于小型車(chē)輛的強(qiáng)混合系統(tǒng)的最佳解決方案。首先，從能量效率最大化方面，比較了不同驅(qū)動(dòng)模式中發(fā)動(dòng)機(jī)效率和變速器效率分配，并為小型車(chē)輛選擇了合適的自動(dòng)變速器。比較混合動(dòng)力系統(tǒng)功能時(shí)，確定了電動(dòng)發(fā)電機(jī)連接方式，以及為同時(shí)滿足燃油經(jīng)濟(jì)性和駕駛性能的電動(dòng)機(jī)輸出功率。此外，為實(shí)現(xiàn)換檔過(guò)程中扭矩?zé)o中斷和相對(duì)傳統(tǒng)手動(dòng)變速器較短的軸長(zhǎng)，設(shè)計(jì)了電動(dòng)發(fā)電機(jī)和變速器檔位布置。開(kāi)發(fā)了機(jī)械自動(dòng)變速混合系統(tǒng)原型機(jī)和試驗(yàn)用車(chē)。最后介紹了能夠?qū)崿F(xiàn)扭矩?zé)o中斷、靈活駕駛性能的換檔順序，及其在車(chē)輛上應(yīng)用的評(píng)估結(jié)果。

近些年，由于全球變暖和能源消耗問(wèn)題，燃油經(jīng)濟(jì)性法規(guī)變得更為嚴(yán)格。電動(dòng)動(dòng)力裝置可有效改善燃油經(jīng)濟(jì)性，以此為基礎(chǔ)開(kāi)發(fā)了幾種混合動(dòng)力裝置。然而，僅有少量的小型車(chē)輛采用了如強(qiáng)混合系統(tǒng)的電動(dòng)動(dòng)力裝置。原因是燃油經(jīng)濟(jì)性的提高相對(duì)于成本增加十分有限，而且還需額外增加的電動(dòng)裝置的安裝空間。

本研究中，日本愛(ài)信精機(jī)公司介紹了1種適合于小型車(chē)輛的混合動(dòng)力系統(tǒng)及其機(jī)械自動(dòng)變速器(HV-AMT)的驗(yàn)證結(jié)果。

1混合系統(tǒng)選擇

電動(dòng)力裝置通?；陔姎饣潭群凸δ苓M(jìn)行分類(lèi)(圖1)?？紤]到未來(lái)嚴(yán)格的燃油經(jīng)濟(jì)性法規(guī)，本文側(cè)重研究強(qiáng)混合動(dòng)力。為選擇系統(tǒng)類(lèi)型/結(jié)構(gòu)，能量效率綜合了發(fā)動(dòng)機(jī)效率和變速器效率，并作為改善燃油經(jīng)濟(jì)性的1種方法。

為提高發(fā)動(dòng)機(jī)效率，使發(fā)動(dòng)機(jī)集中運(yùn)行在高效區(qū)域(優(yōu)化運(yùn)行工況點(diǎn))。無(wú)級(jí)變速器(CVT)可以實(shí)現(xiàn)此功能。圖2為1．0 L發(fā)動(dòng)機(jī)車(chē)輛在LA 4號(hào)模式運(yùn)行期間的工況模擬結(jié)果。

圖1 電氣化程度和功能

圖2 LA 4號(hào)模式運(yùn)行期間發(fā)動(dòng)機(jī)工況點(diǎn)

從圖2可知，小型車(chē)輛通常采用發(fā)動(dòng)機(jī)高效區(qū)域，即使在認(rèn)證驅(qū)動(dòng)模式期間，如LA 4號(hào)。對(duì)小型車(chē)輛而言，CVT較有級(jí)變速器稍有優(yōu)勢(shì)。

表1示出典型變速器的傳動(dòng)效率特性。運(yùn)行中僅在換檔情況下使用液壓壓力的機(jī)械自動(dòng)變速器(AMT)和雙離合器自動(dòng)變速器(DCT)，傳動(dòng)效率最高，而利用液力變矩器保持傳動(dòng)比的自動(dòng)變速器(AT)傳遞效率次之;通過(guò)滑輪和鋼制皮帶摩擦傳遞扭矩的CVT，效率最低。

表1 典型變速器特性

注:［0］參照;［+］優(yōu)勢(shì);［－］劣勢(shì);［－－］極大劣勢(shì)

就成本和外形尺寸而言，AMT最為合適。但是，ATM因換檔期間扭矩中斷，會(huì)產(chǎn)生換檔沖擊，其他變速器則不會(huì)。

根據(jù)以上內(nèi)容，圖3示出了1．0 L發(fā)動(dòng)機(jī)車(chē)輛的能量效率(發(fā)動(dòng)機(jī)效率×變速器效率)的模擬結(jié)果。

圖3 能量效率模擬結(jié)果

如圖3所示，AMT、DCT和CVT的能量效率最高。AT的發(fā)動(dòng)機(jī)效率較AMT和DCT更佳。因?yàn)锳T的變矩器的傳動(dòng)比設(shè)置的大。

依據(jù)以上結(jié)果，AMT相對(duì)其他變速器，具有能效高，成本低的優(yōu)點(diǎn)，因此被選作混合系統(tǒng)的基型變速器，以實(shí)現(xiàn)小型車(chē)輛最大燃油經(jīng)濟(jì)性。為消除AMT造成的換檔沖擊，在換檔過(guò)程中，通過(guò)電機(jī)作為輔助動(dòng)力。

2設(shè)計(jì)理念

2.1電動(dòng)機(jī)/發(fā)電機(jī)連接點(diǎn)高

在確定驅(qū)動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)時(shí)，研究了各種電動(dòng)機(jī)/發(fā)電機(jī)(M/G)連接點(diǎn)能夠?qū)崿F(xiàn)的功能，各種連接點(diǎn)對(duì)比如圖4所示。

輸入軸連接指M/G在發(fā)動(dòng)機(jī)和變速器之間，發(fā)動(dòng)機(jī)可通過(guò)離合器斷開(kāi)。輸出軸連接指M/G位于變速器輸出軸。輸入軸和輸出軸連接指M/G放置于第三軸，2個(gè)離合器可從輸入或輸出軸斷開(kāi)。后輪連接指M/G安裝在后驅(qū)動(dòng)軸上。

如上所述，HV-AMT換檔期間需提供輔助動(dòng)力。此外，選擇了具有最佳混合功能的“輸入軸和輸出軸連接”。

圖4 M/G連接點(diǎn)比較

2.2M/G 驅(qū)動(dòng)性能高

為確定持續(xù)的M/G輸出，研究了混合動(dòng)力車(chē)輛的回收特性和EV驅(qū)動(dòng)區(qū)域。為確定用戶要求的最大車(chē)輛速度，考慮了道路平面到山上的坡度變化。在城市行駛工況期間，發(fā)動(dòng)機(jī)頻繁起動(dòng)停機(jī)為不理想狀態(tài)。在3%坡度的路況、滿載條件下車(chē)速達(dá)到60 km/h，持續(xù)M/G功率設(shè)置為10 kW。為了在減速工況下回收足夠的能量，應(yīng)確定最大的M/G功率。在認(rèn)證驅(qū)動(dòng)模式，以及高速上車(chē)輛從100 km/h開(kāi)始以0．1 G的減速度減速期間，設(shè)置最大功率30 kW回收100%能量(圖5)。

圖5 EV所需的驅(qū)動(dòng)力

為擴(kuò)大電驅(qū)動(dòng)工作區(qū)域，選擇了雙速電動(dòng)機(jī)裝置(圖6)。MT自由傳動(dòng)比，M/G最大扭矩減小使M/G尺寸減小，能夠使其安裝于較小空間。

2.3AMT 設(shè)計(jì)高

AMT變速器具有良好的傳動(dòng)效率，但是為了提高變速器效率，測(cè)試了額外損失的降低。AMT具有同步裝置阻力損失、攪動(dòng)損失和其他阻力損失(圖7)。即使增加昂貴的設(shè)備，仍不可能消除變速器中的攪動(dòng)損失和其他阻力損失。因此，選擇去掉同步裝置，最大可能地提高變速器效率。

2.4傳動(dòng)比設(shè)計(jì)高

為利用HV-AMT的高傳動(dòng)效率，在高速行駛時(shí)，基于高能量效率設(shè)計(jì)了5檔傳動(dòng)比。然而，考慮到高速爬坡和高速通過(guò)時(shí)為臨界驅(qū)動(dòng)力，將工況點(diǎn)從發(fā)動(dòng)機(jī)最大效率區(qū)域移向稍低負(fù)荷側(cè)。

圖6 EV驅(qū)動(dòng)區(qū)域擴(kuò)展和尺寸減小

圖7 AMT損失

設(shè)計(jì)4檔傳動(dòng)比時(shí)，考慮了高速行駛時(shí)的加速特性和高能量效率(圖8)。

1檔傳動(dòng)比要求起動(dòng)加速性能和爬坡性能。電池剩余電量(SOC)低時(shí)，為使車(chē)輛在無(wú)電動(dòng)發(fā)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的情況下也能滿足爬坡性能，對(duì)傳動(dòng)比進(jìn)行設(shè)計(jì)。

設(shè)計(jì)2檔和3檔傳動(dòng)比時(shí)，綜合考慮車(chē)輛的加速性能和換檔感受，從低檔到高檔的傳動(dòng)比比值以相同的速率減小。

圖9所示為根據(jù)以上研究得到的1～5檔的傳動(dòng)比比值。

圖8 4檔和5檔傳動(dòng)比

圖9 傳動(dòng)比比值

為獲得足夠大的起動(dòng)加速度，對(duì)EV1的傳動(dòng)比進(jìn)行設(shè)計(jì)。為了避免車(chē)輛最大速度時(shí)超速造成電動(dòng)機(jī)損壞，對(duì)EV2的傳動(dòng)比進(jìn)行設(shè)計(jì)。

3系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

基于以上設(shè)計(jì)理念，對(duì)HV-AMT系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

HV-AMT系統(tǒng)采用3軸結(jié)構(gòu)以減小軸長(zhǎng)度。電動(dòng)機(jī)與HV-AMT系統(tǒng)連接點(diǎn)齒輪是通用的，以減少齒輪數(shù)量。

如圖10所示，電動(dòng)機(jī)連接于帶減速齒輪的2檔和4檔，并聯(lián)安裝，使其與傳統(tǒng)變速器具有相同的軸長(zhǎng)。

HV-AMT有3種運(yùn)行模式(表2)。(1)EV驅(qū)動(dòng)模式:嚙合齒輪［2］或［4］，可以選擇2種減速傳動(dòng)比并執(zhí)行EV驅(qū)動(dòng)。如圖11所示，發(fā)動(dòng)機(jī)處于停機(jī)工況。(2)發(fā)電模式:僅嚙合齒輪［A］，在停車(chē)期間發(fā)電。(3)混合驅(qū)動(dòng)模式［HV］:嚙合齒輪［1］、［2］、［3］、［4］、［5］或者［R］，可以嚙合齒輪進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。

通過(guò)嚙合齒輪［2］或［4］，可以實(shí)現(xiàn)M輔助驅(qū)動(dòng)或能量回收。如果發(fā)動(dòng)機(jī)第2檔或4檔驅(qū)動(dòng)，齒輪［A］必須嚙合。當(dāng)5檔行駛時(shí)，如高速行駛，也可以分離M/G，消除M/G阻力損失。

該結(jié)構(gòu)通過(guò)M/G輔助驅(qū)動(dòng)，使HV-AMT消除了換檔沖擊。以下，將2檔到3檔的換檔過(guò)程作為1個(gè)案例進(jìn)行描述(圖12)。在需要換檔時(shí)，減小發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩并分離離合器。同時(shí)增加M/G輔助驅(qū)動(dòng)力，避免驅(qū)動(dòng)力中斷;分離齒輪［A］，然后嚙合［3］;增加發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩并嚙合離合器。降低M/G，輔助驅(qū)動(dòng)力。

圖10 HV-AMT輪廓圖

圖11 2檔到3檔的換檔過(guò)程

表2 運(yùn)行模式

注:×為嚙合狀態(tài)。

換檔期間，采用該方法使EV1檔齒輪持續(xù)嚙合，避免驅(qū)動(dòng)力中斷。

在發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)期間，采用3檔，M/G齒輪可從EV1變化到EV2，不會(huì)影響驅(qū)動(dòng)力。如此，對(duì)于1檔到2檔和2檔到3檔換檔，通過(guò)EV1實(shí)現(xiàn)M/G輔助驅(qū)動(dòng)，對(duì)于3檔到4檔和4檔到5檔換檔，通過(guò)EV2實(shí)現(xiàn)M/G輔助驅(qū)動(dòng)。

圖12為HV-AMT的截面圖和規(guī)格，圖13為HV-AMT總視圖和A－A截面圖。通過(guò)圖中所示的變速器齒輪、軸和M/G布置，可以實(shí)現(xiàn)曲軸端到變速器箱邊緣335 mm的變速器軸長(zhǎng)距離。335 mm的變速器軸長(zhǎng)小于小型車(chē)傳統(tǒng)的手動(dòng)變速器軸長(zhǎng)，后者約350 mm，可以安裝于小型車(chē)輛。實(shí)際開(kāi)發(fā)了HV-AMT樣機(jī)，并安裝于小型試驗(yàn)用車(chē)，進(jìn)行車(chē)輛評(píng)估。

圖12 HV-AMT的截面圖和規(guī)格

圖13 HV-AMT原型機(jī)總視圖

4試驗(yàn)車(chē)輛評(píng)估

圖14為2檔換到3檔的換檔正時(shí)圖。接收到2檔向3檔的換檔命令后，減小發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩和離合器下壓負(fù)荷。增加M/G輔助驅(qū)動(dòng)力，避免驅(qū)動(dòng)力中斷。然后［A］分離，使輸入軸從輸出軸斷開(kāi)。通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)將輸入軸轉(zhuǎn)速同步到3檔轉(zhuǎn)速。同步后，松開(kāi)離合器并嚙合［3］。嚙合后，開(kāi)始增加發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩并增大離合器下壓負(fù)荷。同時(shí)減小M/G輔助驅(qū)動(dòng)力，換到3檔。

圖14 2檔到3檔的換檔正時(shí)

圖15 試驗(yàn)車(chē)評(píng)估結(jié)果

為確定圖14所示的換檔順序能夠?qū)崿F(xiàn)扭矩?zé)o中斷換檔，在安裝了HV-AMT的原型車(chē)上對(duì)順序進(jìn)行評(píng)估。圖15為車(chē)輛換檔的評(píng)估結(jié)果，該方法避免了驅(qū)動(dòng)力中斷。

通過(guò)標(biāo)定M/G扭矩，如快速換檔(圖16)時(shí)扭矩快速變化和平穩(wěn)換檔(圖17)時(shí)扭矩平穩(wěn)變化，可以對(duì)換檔感知進(jìn)行調(diào)節(jié)控制。

圖16 快速換檔感知輸入軸

圖17 平穩(wěn)換檔

5結(jié)論

本研究介紹了優(yōu)化的小型車(chē)輛強(qiáng)混合系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)結(jié)果。通過(guò)對(duì)裝有各種變速器的小型車(chē)輛的研究表明，AMT、DCT和CVT燃油經(jīng)濟(jì)性最高。基于本研究和成本原因(優(yōu)于其他變速器)選擇了AMT。

M/G“輸入和輸出連接軸”連接實(shí)現(xiàn)了扭矩?zé)o中斷換檔和混合動(dòng)力功能，如電力驅(qū)動(dòng)，以及停車(chē)期間進(jìn)行發(fā)電。

與傳統(tǒng)手動(dòng)變速器相比，HV-AMT樣機(jī)的軸長(zhǎng)更短，可以安裝在樣車(chē)內(nèi)。通過(guò)樣車(chē)試驗(yàn)確定了能夠?qū)崿F(xiàn)扭矩?zé)o中斷換檔，并發(fā)現(xiàn)通過(guò)電動(dòng)機(jī)扭矩標(biāo)定可實(shí)現(xiàn)靈活駕駛。