【日】 S．Hirose A．Okawa K．Ishida T．Misu T．Tojo

小型車混合動力裝置的開發(fā)

【日】 S．Hirose A．Okawa K．Ishida T．Misu T．Tojo

通過動力裝置電氣化改善車輛燃油經(jīng)濟(jì)性，是滿足嚴(yán)格的燃油經(jīng)濟(jì)性法規(guī)的1項關(guān)鍵技術(shù)。但是，僅有少量的諸如B級小型車輛采用了電動裝置，這是因為燃油經(jīng)濟(jì)性的提高相對于成本增加十分有限，而且還需額外增加電動裝置的安裝空間。研究了適合于小型車輛的強混合系統(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)動模式中發(fā)動機效率和變速器效率分配，并為小型車輛選擇了合適的自動變速器。比較混合動力系統(tǒng)功能時，確定了電動發(fā)電機連接方式，以及為同時滿足燃油經(jīng)濟(jì)性和駕駛性能的電動機輸出功率。此外，為實現(xiàn)換檔過程中扭矩?zé)o中斷和相對傳統(tǒng)手動變速器較短的軸長，設(shè)計了電動發(fā)電機和變速器檔位布置。開發(fā)了機械自動變速混合系統(tǒng)原型機和試驗用車。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，及其在車輛上應(yīng)用的評估結(jié)果。

混合動力 機械自動變速器 電動機 能量效率

0 前言

近些年，由于全球變暖和能源消耗問題，燃油經(jīng)濟(jì)性法規(guī)變得更為嚴(yán)格。電動動力裝置可有效改善燃油經(jīng)濟(jì)性，以此為基礎(chǔ)開發(fā)了幾種混合動力裝置［1-2］。然而，僅有少量的小型車輛采用了如強混合系統(tǒng)的電動動力裝置。原因是燃油經(jīng)濟(jì)性的提高相對于成本增加十分有限，而且還需額外增加的電動裝置的安裝空間。

本研究中，日本愛信精機公司介紹了1種適合于小型車輛的混合動力系統(tǒng)及其機械自動變速器(HV-AMT)的驗證結(jié)果。

1 混合系統(tǒng)選擇

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

為提高發(fā)動機效率，使發(fā)動機集中運行在高效區(qū)域(優(yōu)化運行工況點)。無級變速器(CVT)可以實現(xiàn)此功能。

圖2為1．0 L發(fā)動機車輛在LA 4號模式運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號模式運行期間發(fā)動機工況點

從圖2可知，小型車輛通常采用發(fā)動機高效區(qū)域，即使在認(rèn)證驅(qū)動模式期間，如LA 4號。對小型車輛而言，CVT較有級變速器稍有優(yōu)勢。

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

表1 典型變速器特性

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，會產(chǎn)生換檔沖擊，其他變速器則不會。

根據(jù)以上內(nèi)容，圖3示出了1．0 L發(fā)動機車輛的能量效率(發(fā)動機效率×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)動機效率較AMT和DCT更佳。因為AT的變矩器的傳動比設(shè)置的大。

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

2 設(shè)計理念

2．1 電動機/發(fā)電機連接點

在確定驅(qū)動裝置結(jié)構(gòu)時，研究了各種電動機/發(fā)電機(M/G)連接點能夠?qū)崿F(xiàn)的功能，各種連接點對比如圖4所示。

輸入軸連接指M/G在發(fā)動機和變速器之間，發(fā)動機可通過離合器斷開。輸出軸連接指M/G位于變速器輸出軸［3］。輸入軸和輸出軸連接指M/G放置于第三軸，2個離合器可從輸入或輸出軸斷開。后輪連接指M/G安裝在后驅(qū)動軸上。

如上所述，HV-AMT換檔期間需提供輔助動力。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連接點比較

2．2 M/G 驅(qū)動性能

為確定持續(xù)的M/G輸出，研究了混合動力車輛的回收特性和EV驅(qū)動區(qū)域。為確定用戶要求的最大車輛速度，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)動機頻繁起動停機為不理想狀態(tài)。在3%坡度的路況、滿載條件下車速達(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)動模式，以及高速上車輛從100 km/h開始以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)動力

為擴(kuò)大電驅(qū)動工作區(qū)域，選擇了雙速電動機裝置(圖6)。MT自由傳動比，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

AMT變速器具有良好的傳動效率，但是為了提高變速器效率，測試了額外損失的降低。AMT具有同步裝置阻力損失、攪動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 傳動比設(shè)計

為利用HV-AMT的高傳動效率，在高速行駛時，基于高能量效率設(shè)計了5檔傳動比。然而，考慮到高速爬坡和高速通過時為臨界驅(qū)動力，將工況點從發(fā)動機最大效率區(qū)域移向稍低負(fù)荷側(cè)。

圖6 EV驅(qū)動區(qū)域擴(kuò)展和尺寸減小

圖7 AMT損失

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

1檔傳動比要求起動加速性能和爬坡性能。電池剩余電量(SOC)低時，為使車輛在無電動發(fā)電機驅(qū)動的情況下也能滿足爬坡性能，對傳動比進(jìn)行設(shè)計。

設(shè)計2檔和3檔傳動比時，綜合考慮車輛的加速性能和換檔感受，從低檔到高檔的傳動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檔的傳動比比值。

圖8 4檔和5檔傳動比

圖9 傳動比比值

為獲得足夠大的起動加速度，對EV1的傳動比進(jìn)行設(shè)計。為了避免車輛最大速度時超速造成電動機損壞，對EV2的傳動比進(jìn)行設(shè)計。

3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

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

HV-AMT系統(tǒng)采用3軸結(jié)構(gòu)以減小軸長度。電動機與HV-AMT系統(tǒng)連接點齒輪是通用的，以減少齒輪數(shù)量。

如圖10所示，電動機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。

HV-AMT有3種運行模式(表2)。(1)EV驅(qū)動模式:嚙合齒輪［2］或［4］，可以選擇2種減速傳動比并執(zhí)行EV驅(qū)動。如圖11所示，發(fā)動機處于停機工況。(2)發(fā)電模式:僅嚙合齒輪［A］，在停車期間發(fā)電。(3)混合驅(qū)動模式［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。

通過嚙合齒輪［2］或［4］，可以實現(xiàn)M輔助驅(qū)動或能量回收。如果發(fā)動機第2檔或4檔驅(qū)動，齒輪［A］必須嚙合。當(dāng)5檔行駛時，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M/G輔助驅(qū)動，使HV-AMT消除了換檔沖擊。以下，將2檔到3檔的換檔過程作為1個案例進(jìn)行描述(圖12)。在需要換檔時，減小發(fā)動機扭矩并分離離合器。同時增加M/G輔助驅(qū)動力，避免驅(qū)動力中斷;分離齒輪［A］，然后嚙合［3］;增加發(fā)動機扭矩并嚙合離合器。降低M/G，輔助驅(qū)動力。

圖10 HV-AMT輪廓圖

圖11 2檔到3檔的換檔過程

表2 運行模式

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

在發(fā)動機驅(qū)動期間，采用3檔，M/G齒輪可從EV1變化到EV2，不會影響驅(qū)動力。如此，對于1檔到2檔和2檔到3檔換檔，通過EV1實現(xiàn)M/G輔助驅(qū)動，對于3檔到4檔和4檔到5檔換檔，通過EV2實現(xiàn)M/G輔助驅(qū)動。

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。通過圖中所示的變速器齒輪、軸和M/G布置，可以實現(xiàn)曲軸端到變速器箱邊緣335 mm的變速器軸長距離。335 mm的變速器軸長小于小型車傳統(tǒng)的手動變速器軸長，后者約350 mm，可以安裝于小型車輛。實際開發(fā)了HV-AMT樣機，并安裝于小型試驗用車，進(jìn)行車輛評估。

圖12 HV-AMT的截面圖和規(guī)格

圖13 HV-AMT原型機總視圖

4 試驗車輛評估

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

圖14 2檔到3檔的換檔正時

圖15 試驗車評估結(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的原型車上對順序進(jìn)行評估。圖15為車輛換檔的評估結(jié)果，該方法避免了驅(qū)動力中斷。

通過標(biāo)定M/G扭矩，如快速換檔(圖16)時扭矩快速變化和平穩(wěn)換檔(圖17)時扭矩平穩(wěn)變化，可以對換檔感知進(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)化的小型車輛強混合系統(tǒng)的開發(fā)結(jié)果。通過對裝有各種變速器的小型車輛的研究表明，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”連接實現(xiàn)了扭矩?zé)o中斷換檔和混合動力功能，如電力驅(qū)動，以及停車期間進(jìn)行發(fā)電。

與傳統(tǒng)手動變速器相比，HV-AMT樣機的軸長更短，可以安裝在樣車內(nèi)。通過樣車試驗確定了能夠?qū)崿F(xiàn)扭矩?zé)o中斷換檔，并發(fā)現(xiàn)通過電動機扭矩標(biāo)定可實現(xiàn)靈活駕駛。

［1］Hanada K，Kaizuka M，Ishikawa S，et al．Development of a hybrid system for the V6 midsize sedan［C］．SAE Paper 2005-01-0274．

［2］Iijima T．Development of hybrid system for 2006 compact sedan［C］．SAE Paper 2006-01-1503．

［3］Dentici I．I．An effective hybrid powertrain:integration between the ICE，the AMT and the electric motor［C］．3rd International CTI Symposium，China Suzhou，September 2014．

高英英 譯自 SAE Paper 2016-01-1171

虞 展 編輯

2016-12-05)