張海亮，鐘再敏，吳海康，余卓平

（1.同濟大學(xué) 汽車學(xué)院，上海201804；2.上海汽車集團股份有限公司，上海200041）

對于插電式混合動力電動汽車（plug-in hybrid electric vehicle，PHEV），依據(jù)動力電池的荷電狀態(tài)（state of charge，SOC）值的大小，包含兩種車輛主要工作模式，即電量消耗（charge discharge，CD）以及電量維持（charge sustain，CS）模式，當(dāng)電系統(tǒng)出現(xiàn)故障或者由于車輛被長時間放置動力電池嚴(yán)重饋電后，車輛將處于內(nèi)燃機（internal combustion engine，ICE）模式，在以上三種車輛工作模式下，動力源具有不同的功率特性，但三者必須同時依靠一套傳動系實現(xiàn)與輪邊負(fù)載特性的匹配，這為傳動系參數(shù)的確定帶來了相當(dāng)大難度［1］.文獻(xiàn)［2］針對一款大型電動客車，依據(jù)行駛工況和電機機械特性對變速系統(tǒng)進(jìn)行匹配，使電機更多地工作在高效區(qū).文獻(xiàn)［3］針對一款電動乘用車，提出了恒功率擴大系數(shù)、檔位數(shù)和傳動比范圍的確定原則.文獻(xiàn)［4］針對一款并聯(lián)式混合動力城市客車提出了一種綜合考慮發(fā)動機以及電機效率的動力總成參數(shù)匹配方法，使得車輛整體性能有所提高，但其是以電機與變速箱輸入軸耦合這樣一種傳動方案為研究對象的，且需要以能量管理策略為基礎(chǔ).

目前，將電機與傳動系進(jìn)行集成設(shè)計，構(gòu)成有源傳動裝置，已成為一種重要的技術(shù)途徑.所述某定軸式有源傳動裝置，其最大技術(shù)特征是：電機將靈活地與變速箱輸入軸或輸出軸連接，前者可通過合理使用檔位傳動比優(yōu)化電機的工作區(qū)間，后者將克服定軸式傳動裝置固有的換檔過程存在動力中斷問題.如果將其應(yīng)用于PHEV，傳動系參數(shù)的確定將變得更為復(fù)雜，基于傳統(tǒng)內(nèi)燃機車輛的傳動系參數(shù)匹配方法將不再適用［5-6］，因此需要找到其動力性匹配設(shè)計的方法以及理論依據(jù)，這正是本文研究的主要內(nèi)容.

1 某定軸式有源傳動裝置的概述

電 動 操 縱 變 速 器 （electrified manual transmission，EMT）的工作原理見圖1.其主要由電機，傳動系，離合器以及相應(yīng)的自動操縱機構(gòu)構(gòu)成.

圖1 EMT的工作原理Fig.1 Working principle of EMT

發(fā)動機E通過離合器C與輸入軸Ai連接，進(jìn)而通過檔位同步器 S1／2／S3／4以及檔位速比i1～4可選地向輸出軸傳遞動力.通過輸入軸同步器SSI電機M將可選地通過速比iSI與輸入軸連接，簡稱為SI（shaft input）路徑.通過輸出軸同步器SSO電機將可選地通過速比iSO與輸出軸Ao連接，簡稱為SO（shaft output）路徑.當(dāng)輸入軸／輸出軸同步器同時接合時，iSO相當(dāng)于輸入軸與輸出軸之間的第5個檔位速比i5.

由此依據(jù)動力源數(shù)量以及電機動力耦合路徑的不同，可將EMT的工作模式分為4種：①電機與輸入軸 連 接 的 純 電 動 EV-SI（electric vehicle-shaft input）模式，可利用檔位速比i1～4；②電機與輸出軸連接的純電動EV-SO（electric vehicle-shaft output）模式；③電機與輸入軸連接的混合動力HEV-SI（hybrid electric vehicle-shaft input）模式，可利用檔位速比i1～4；④電機與輸出軸連接的混合動力HEVSO（hybrid electric vehicle-shaft output）模式，可利用檔位速比i1～5.對于第1和第3兩種工作模式而言，其突出的優(yōu)點在于電機工作在高效區(qū)，對于第2和第4兩種工作模式而言，其突出的優(yōu)點在于解決換檔過程中存在的動力中斷問題.

CD模式下，選擇EMT處于EV-SI模式，以此確保電機持續(xù)工作在高效區(qū).CS模式下，選擇EMT處于HEV-SO模式，以此解決換檔過程中存在的動力中斷問題.原因一，盡管電機被迫通過一個較小的速比iSI·iSO與輸出軸連接，無法持續(xù)在高效區(qū)工作，但是對于PHEV而言，當(dāng)其處于CS模式時，通常要求動力電池SOC值幾乎保持恒定不變，期間主要由發(fā)動機向輪邊提供動力，只有在發(fā)動機輸出的動力與司機駕駛需求不匹配時，才會由電機進(jìn)行功率補償與回饋.原因二，當(dāng)EMT處于HEV-SO模式時能為發(fā)動機提供額外的5檔，如圖1所示.

2 基本輸入／輸出特性計算

2.1 不同工作模式下車輛動力性設(shè)計要求

動力性匹配設(shè)計的前提是確定不同工作模式下具體的車輛動力性設(shè)計要求，主要包括：①最高車速；②最大坡道起步能力；③全車速范圍內(nèi)的后備功率.

第一輪EMT樣機將被安裝到一款原先配備5檔手自一體變速器（automatic manual transmission，AMT）使用直列式4缸汽油機前置前驅(qū)的B級車上，進(jìn)而試制一輛PHEV，原車基礎(chǔ)參數(shù)見表1.

表1 原車基礎(chǔ)參數(shù)Tab.1 Original vehicle basic parameters

當(dāng)原車在坡道上低速行駛時，風(fēng)阻以及前／后輪接地點的空氣升力可忽略不計，前輪接地點最大附著力為

其中，φ為干燥水泥路面的附著系數(shù)，0.8；θ為路面坡度，（°）；g為重力加速度，9.8m·s-2.

當(dāng)θ等于最大坡起路面角度θmax時：

經(jīng)計算可知，θmax=19.37°，相比于原車，PHEV的前艙將增加電機以及電驅(qū)動系統(tǒng)，后艙將增加動力電池，可暫且認(rèn)為PHEV與原車具有相同的質(zhì)量分配關(guān)系.因此在為其制定不同車輛工作模式最大坡起能力設(shè)計要求時，必須考慮上述極限情況.

當(dāng)動力電池SOC值較高時，CD模式可用于在城市工況實現(xiàn)零排放短距離行駛.當(dāng)動力電池SOC值較低或司機預(yù)計行駛距離較長時，CS模式較為適用，其可有效降低動力電池的充放電次數(shù)，提高其使用壽命.在CS模式下，憑借電機額定功率，配合發(fā)動機可使車輛獲得穩(wěn)定且較為富余的動力性.當(dāng)車輛由于長時間放置，導(dǎo)致動力電池嚴(yán)重饋電時，司機可選擇使用ICE模式.盡管ICE模式的使用頻度較低，但是還是應(yīng)當(dāng)確保車輛具備必要的動力性.結(jié)合新歐洲行駛工況（new european driving cycle，NEDC）不同車輛工作模式下的動力性設(shè)計要求表2.

表2 不同車輛工作模式下的動力性設(shè)計要求Tab.2 Dynamic property requirements under different vehicle modes

通常情況下，不論是內(nèi)燃機還是電機，只有在中速區(qū)才能使其輸出最大功率，因此可分別按照CD以及ICE模式下車輛高速行駛時的動力性要求分別確定電機以及發(fā)動機的功率.

假定電機，電驅(qū)動系統(tǒng)以及動力電池將使得整備質(zhì)量增加了約170kg，即mveh＿EMT=1 814kg.按照NEDC工況，當(dāng)車輛接近120km·h-1最高工況車速且同時全力加速時，電機需要向輪邊提供約30 kW的功率，因此電機額定功率可確定為30kW.

為了在整備質(zhì)量增加后，車輛依然能夠向司機提供一個相比原車動力性不被過多削弱的ICE模式，考慮保留原車發(fā)動機.

3 傳動系速比的確定

為了確定傳動系參數(shù)，首先需要確定PHEV具體實現(xiàn)CD，CS以及ICE三種車輛工作模式的方式.

3.1 電機動力傳遞路徑速比的確定

在0～120km·h-1車速范圍內(nèi)，司機可以通過模式選擇按鈕使得PHEV在CD模式與CS模式之間進(jìn)行切換.由于電機最高轉(zhuǎn)速與發(fā)動機最大轉(zhuǎn)速之比（nEM＿max／nICE＿max）等于1.5，如果iSI≠1.5，那么當(dāng)PHEV在CD模式與CS模式之間進(jìn)行切換時，如果不預(yù)先進(jìn)行檔位切換，必有一個動力源會超速.因此，iSI=1.5，則iSO=0.874，即EMT的5檔速比i5＿EMT等于0.874.

按照CS模式下的最高車速要求，若沿用原車主減速比，即EMT的主減速比i0＿EMT等于i0＿AMT，則：

3.2 一檔速比的確定

通常情況下，定軸齒輪變速器一檔速比主要是基于最大爬坡能力以及低速時車輛后備功率要求來選擇的.實際一檔速比能夠在很大程度上決定起步過程中的離合器滑磨功，尤其是在坡起時.因此，本文試圖綜合對起步過程中離合器滑磨功的考慮來確定一檔速比.

對于CS模式起步過程而言，其總體控制思想如下：在離合器從動盤開始傳遞摩擦轉(zhuǎn)矩前，首先將發(fā)動機轉(zhuǎn)速提升至高于發(fā)動機最小轉(zhuǎn)速ωICE＿min的一個初始轉(zhuǎn)速ωICE＿ini，隨后開始結(jié)合離合器，同時電機向輪邊提供動力，在此期間要求發(fā)動機轉(zhuǎn)速在下降至ωICE＿min之前，車速已超過最小車速對應(yīng)輪邊轉(zhuǎn)速ωo＿min.為便于分析，可以將發(fā)動機轉(zhuǎn)速ωICE以及輪邊轉(zhuǎn)速ωo與時間t之間的關(guān)系作簡化，即ωICE以恒定速率下降，而ωo以恒定速率上升，其中ts為起步過程完成時間（即從離合器從動盤開始傳遞摩擦轉(zhuǎn)矩至主從動端完成同步的時間），并且假設(shè)當(dāng)ωICE達(dá)到ωICE＿min時，ωo同時達(dá)到ωo＿min.

定義發(fā)動機輸出轉(zhuǎn)矩限值TICE＿lim，其幅值小于發(fā)動機最大輸出轉(zhuǎn)矩TICE＿max，起步過程中，發(fā)動機實際輸出轉(zhuǎn)矩TICE=TICE＿lim，顯然TICE＿lim越大，離合器從動盤上可傳遞的摩擦轉(zhuǎn)矩越大，起步過程完成得越迅速.

通過對CS模式下起步過程進(jìn)行受力分析，可得：

其中，ωo＿min為最小車速對應(yīng)輪邊轉(zhuǎn)速，7.51rad·s-1；Jveh為輪邊負(fù)載端等效轉(zhuǎn)動慣量，163.33kg·m2；i1＿EMT為 EMT 的1檔速比，初選為3.232；TEM＿rate＿max為電機額定功率下的最大轉(zhuǎn)矩，N·m；Tf為滾動阻力矩，N·m；θ為路面坡度，（°）；Ti為坡道阻力矩，N·m；ωICE＿min為發(fā)動機最低轉(zhuǎn)速，104.72 rad·s-1=1 000r·min-1；ωICE＿ini為發(fā)動機初始轉(zhuǎn)速，209.44rad·s-1=2 000r·min-1；JICE為發(fā)動機轉(zhuǎn)動慣量，0.02kg·m2；Tc為離合器從動盤上傳遞的摩擦轉(zhuǎn)矩，N·m.

則車輛起步過程完成時間ts為

發(fā)動機所做正功大小為

電機所做正功大小為

道路阻力矩所做負(fù)功大小為

起步過程完成后車輛動能大小為

起步過程中離合器滑磨功大小為

等效到輪邊的發(fā)動機轉(zhuǎn)動慣量JICE為

JICE＿oeq僅為Jveh的2.7%，因此可以忽略其動態(tài)特性，即認(rèn)為TICE＿lim≈Tc.

為了確保在18°坡道路面上車輛不發(fā)生溜坡，假設(shè)TEM=TEM＿rate＿max，i1＿EMT=3.232，發(fā)動機輸出轉(zhuǎn)矩限值的最小值為

98.5N·m

同時假設(shè)TICE＿lim=0.8TICE＿max，且 EMT 的1檔速比最小值為

當(dāng)TICE＿lim=0.8TICE＿max，而i1＿EMT在i1＿EMT＿min～2i1＿EMT范圍內(nèi)變化時，其對能量轉(zhuǎn)換的影響可參見圖2.由此可知：①當(dāng)i1＿EMT=3.232時，WICE=70 428J，WEM=3 864J，而c=69 678J；②隨著i1＿EMT的增加，WICE以及Wc均顯著降低，當(dāng)i1＿EMT增加為原來的兩倍時，WICE降低為11 169J，WEM降低為613J，Wc降低為7 172J；③ 當(dāng)i1＿EMT=3.7 時，Wc降 低 為 約39 718J，與AMT在18°坡道路面起步過程中的Wc大小相當(dāng).

圖2 i1＿EMT對能量轉(zhuǎn)換的影響（CS坡起）Fig.2 Energy conversion of different i1＿EMT （CS ramp start）

結(jié)合CS模式下的最大坡起能力要求：

以及ICE模式下的最大坡起能力要求：

由此，初定：i1＿EMT=3.7.

3.3 高檔速比的確定

CD模式下由電機單獨向輪邊提供動力，由于電機處于SI路徑，換檔過程中必然存在動力中斷.假定電機僅僅使用一個檔位，便可使得最高車速達(dá)到120km·h-1，固然可以解決動力中斷問題，但是該檔速比為

按照CD模式下的最大坡起能力要求為：

式中，TEM＿peak＿max為電機峰值功率下的最大轉(zhuǎn)矩，N·m.上述兩個速比同時也必為發(fā)動機使用，二者的間隔為2.766／1.311=2.11，顯然必須在二者之間插入第三個速比才能確保發(fā)動機能夠工作在經(jīng)濟區(qū).因此按照CD模式下的動力性設(shè)計要求，i1＿EMT＞2.685，EMT的3檔速比i3＿EMT等于1.273.參照原車AMT檔位速比間隔，初定EMT的2檔速比i2＿EMT與4檔速比i4＿EMT分別等于1.9及1.055.

3.4 傳動系動力性校核

圖3和圖4中的4條窄虛線自下而上分別表示坡度分別為0°，10°，20°以及30°的坡道對應(yīng) PHEV的行駛阻力，4條點劃線自上而下分別表示坡度分別為0°，10°，20°以及30°的坡道對應(yīng) PHEV 的最大輪邊附著力.

圖3 CD模式下輪邊驅(qū)動力Fig.3 Driving force at wheel（CD mode）

圖4 CS模式下輪邊驅(qū)動力Fig.4 Driving force at wheel（CS mode）

4 原理樣機／樣車介紹

EMT原理樣機的結(jié)構(gòu)如圖5所示.其主要包含有5個部分，分別為軸系，驅(qū)動電機，檔位切換執(zhí)行機構(gòu)，動力切換執(zhí)行機構(gòu)，離合器執(zhí)行機構(gòu)以及殼體.為了降低生產(chǎn)成本并確保整體結(jié)構(gòu)更為緊湊，驅(qū)動電機與軸系采用一體化設(shè)計，即二者使用同一個殼體.除離合器執(zhí)行機構(gòu)采用外置式結(jié)構(gòu)外，檔位切換以及動力切換執(zhí)行機構(gòu)均采用內(nèi)置式結(jié)構(gòu)，即除操縱電機以及位置傳感器外，剩余機械傳動部分均被置于殼體內(nèi)部.

圖5 EMT原理樣機Fig.5 EMT prototype

EMT原理樣車的動力艙結(jié)構(gòu)如圖6所示.其主要包含有6個部分，分別為發(fā)動機，發(fā)動機管理系統(tǒng)（engine system，EMS），EMT，功率控制單元（power control unit，PCU），整 車 控 制 器 （vehicle management system，VMS）以及綜合配電盒.所謂集成控制單元主要集成了變速器控制器以及驅(qū)動電機控制器兩大功能，能夠獨立實現(xiàn)全部控制功能.

圖6 EMT原理樣車Fig.6 Prototype vehicle of EMT

5 原理樣車試驗驗證

EMT原理樣車轉(zhuǎn)轂試驗現(xiàn)場如圖7所示.

圖7 轉(zhuǎn)轂試驗現(xiàn)場Fig.7 Revolving drum test site

5.1 工況試驗結(jié)果

通常情況下，PHEV總是優(yōu)先使用CD模式，待電池電量不足后，能量管理策略將自動將整車工作模式切換為CS模式.前者適用于城市短距工況，后者適用于城際長距工況，如果司機能夠按照出行目的地，手動地對上述模式進(jìn)行切換，那么PHEV的優(yōu)勢將得到進(jìn)一步的發(fā)揮，因此在EMT原理樣車上設(shè)置有一個模式切換按鈕，用于實現(xiàn)上述功能.

參見圖8，當(dāng)車輛處于CD模式時，由于NEDC工況下無需進(jìn)行爬坡，電機僅使用2／3檔速比向輪邊提供動力.具體講，當(dāng)車速達(dá)到65km·h-1時，才由2檔切換至3檔，以此保證城市工況下無需頻繁換檔，大大提高了舒適性.通過回饋制動功能，電機對18.5%的制動能進(jìn)行了回收，百公里耗電量為16.58kWh.需要說明的是以上數(shù)值并非通過電池SOC值變化并結(jié)合電池容量得出，而是基于如下方法獲得：在電池被充滿電的前提下，車輛以CD模式完成兩次NEDC工況，停車后，對電池進(jìn)行充電直至其再次被充滿，利用電度表測量在此期間充入電池的能量，基于以上數(shù)值以及NEDC工況的總里程數(shù)得出百公里耗電量.

參見圖9，當(dāng)車輛處于CS模式時，發(fā)動機僅使用2／3／4檔速比向輪邊提供動力.當(dāng)車速依次超過42km·h-1以及58km·h-1后，EMT分別由2／3檔切換至3／4檔，100km耗油量為6L，相比之下原車的100km耗油量為7.325L，因此CS模式下的節(jié)油率達(dá)到18.1%，其綜合百公里燃油消耗量為［7］

其中，De為純電續(xù)駛里程，50km；C1為CD模式下的百公里耗電量，16.58kWh；Dav為一常數(shù)，25 km；C2為CS模式下的百公里耗油量，6L.需要說明的是耗油量的測量是基于機械式柱塞泵油耗儀完成的，即在試驗結(jié)束時，通過讀取柱塞運動的總數(shù)以及柱塞單次運動掃略過的體積得到.

圖8 CD模式對應(yīng)NEDC工況試驗結(jié)果Fig.8 Experimental results under CD mode（NEDC）

圖9 CS模式對應(yīng)NEDC工況試驗結(jié)果Fig.9 Experimental results under CS mode（NEDC）

5.2 動態(tài)切換過程的分析

當(dāng)車速為30km·h-1，且EMT處于2檔時，CS模式換CD模式的過程如圖10所示，當(dāng)時間t=0.1 s時，模式切換過程被觸發(fā)，TEM降為0N·m；當(dāng)t=0.36s時，動力切換執(zhí)行機構(gòu)耗費了約100ms斷開SO路徑，在電機完成調(diào)速過程后，又耗費了約100 ms建立起SI路徑，之后離合器便開始分離.由于在上述過程發(fā)生前，司機已完全松開了油門，因此在分離離合器前無需再將TICE降低至0N·m.當(dāng)t=1.2 s時，離合器開始分離，同時發(fā)動機關(guān)機，最終發(fā)動機停止旋轉(zhuǎn).

當(dāng)車速為41.5km·h-1，且EMT處于CS模式時，2檔換3檔的過程如圖11所示，當(dāng)時間t=1.4s時，檔位切換過程被觸發(fā)，TICE開始下降，離合器同步分離，同時TEM開始向輪邊輸出動力，以此確保在檔位切換過程中輪邊無動力中斷；當(dāng)t=2s時，檔位切換執(zhí)行機構(gòu)耗費了約250ms將變速箱檔位由2檔切換為3檔，同時發(fā)動機開始調(diào)速，離合器同步結(jié)合.由于升檔過程中發(fā)動機需要降速，而負(fù)的TICE只能由摩擦力以及泵氣損失實現(xiàn)，其幅值約為15N·m，因此調(diào)速過程持續(xù)了較長時間，約為1s.由于i3＿EMT=1.273，iSI·iSO=1.311，二者在數(shù)值上較為接近，因此在調(diào)速過程完成后發(fā)動機轉(zhuǎn)速與電機轉(zhuǎn)速較為接近.當(dāng)t=4.2s時，離合器完全結(jié)合，TICE與TEM實現(xiàn)了第二次此消彼長的過程，按照CS模式下的能量管理策略，恢復(fù)到了主要由發(fā)動機實現(xiàn)動力輸出的狀態(tài).

圖10 CS模式切換至CD模式的過程Fig.10 Switch process from CS mode to CD mode

圖11 CS模式2檔換3檔的過程Fig.11 Gearshift process from 2nd to 3rd under CS mode

應(yīng)該說上述檔位切換過程偏長，持續(xù)了近2.5s時間，但是由于電機持續(xù)向輪邊提供動力，因此即使是在實際行車過程中，依然不會感受到動力中斷.

6 結(jié)論

本文分析了新型定軸式車用有源傳動裝置多種動力傳遞路徑的特征.針對PHEV應(yīng)用，從最高車速，最大坡起能力及后備功率三方面，給出了不同整車工作模式下的動力性設(shè)計要求，說明了尋找一套全新的動力性匹配設(shè)計方法的必要性.按不同整車工作模式下的后備功率要求，確定了動力源類型以及功率等級.本文試圖按照最大坡起能力要求，同時結(jié)合坡起過程中離合器滑磨功的限值，確定了一檔速比.按最高車速要求，確定了電機動力傳遞路徑速比及其余檔位速比.介紹了原理樣機及樣車的結(jié)構(gòu)特征，基于NEDC工況完成了能耗測試，并詳細(xì)分析了期間在進(jìn)行模式以及檔位切換時實現(xiàn)輪邊驅(qū)動力平順的方法，說明了本文所述動力性匹配設(shè)計方法是可行的.

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