新型混合動力變速器原理及其無動力中斷換檔過程分析*

鐘再敏 張 磊 吳海康 余卓平 王心堅

(同濟大學汽車學院1) 新能源汽車工程中心2) 上海 201804)

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新型混合動力變速器原理及其無動力中斷換檔過程分析*

鐘再敏1)張 磊1)吳海康1)余卓平1,2)王心堅1,2)

(同濟大學汽車學院1)新能源汽車工程中心2)上海 201804)

介紹了一種新型定軸式混合動力變速器的原理，其電機動力傳遞路徑可以切換這一技術特征一方面使電機能夠利用檔位速比高效地向輪邊提供動力，另一方面可以克服自動機械式變速器換檔過程中存在動力中斷的問題.通過雙中間軸傳動方案可利用有限的空間實現多個檔位，最大限度地增加與變速器串聯布置電機的設計空間.基于一款微型乘用車進行了定軸式混合動力變速器的速比設計并完成了動力性的校核，通過仿真說明了無動力中斷換檔功能的實現過程，證明其能夠有效解決動力中斷.

混合動力；定軸式變速器；電機動力路徑切換；動力中斷；雙中間軸

0 引 言

傳統自動機械式變速器(AMT)在換檔過程中需要分離離合器，導致車輛的動力中斷[1]，目前解決此問題的方法可以分為2種：(1)盡可能減少上述動力中斷時間；(2)換檔期間，利用摩擦轉矩短時建立起至輸出軸的動力傳遞途徑[2-3].

圖1為不同改進的AMT方案，圖1a)增加了一個與輸入軸連接的小功率電機，通過主動同步，減少了換檔過程中同步器的同步時間，以此減少動力中斷時間.圖1b)在a)的基礎上在輸入軸與殼體之間增加了一個同步離合器，在升檔過程中，上述同步離合器利用摩擦轉矩使得輸入軸多余的旋轉動能部分轉換為了熱能，在電機的共同作用下，輸入軸將更快地進行降速.圖1c)不僅增加了一個同步離合器，還在其后端增加了一對齒輪，這樣一來，在升檔過程中，輸入軸多余的旋轉動能不再全部轉換為熱能，其中的一部分將傳遞給了輸出軸.由此可知，目前各類改進AMT方案只能緩解，而不能從本質上解決上述動力中斷問題[4-7].

圖1 不同改進AMT方案

目前有一類基于定軸齒輪傳動方式并聯式混合動力車用變速器，其最大特點是電機既可以與輸入軸連接也可以與輸出軸連接.當電機與輸入軸連接時，可利用檔位速比高效地向車輪傳遞動力.當電機與輸出軸連接時，在換檔過程中，電機可持續不斷向車輪提供動力，這在很大程度上解決動力中斷問題.

文中正是基于上述設計思想提出了一種基于雙中間軸傳動方式的新型混合動力變速器(后文簡稱為EMT)，通過仿真分析詳細描述了其實現無動力中斷換檔的原理.

1 EMT的原理及結構

EMT的原理見圖2，包括：MT變速箱本體、選換檔執行機構、電機檔執行機構、電機至輸入軸/輸出軸傳動齒輪，以及相應的電控系統.其最大技術特征是：通過電機檔執行機構，電機既不簡單地與輸入軸連接，也不簡單地與輸出軸連接，而是在上述2條動力傳遞路徑之間進行來回切換.簡單地說，穩態行駛時電機與輸入軸連接，利用檔位速比高效地向輪邊傳遞動力.當需要進行檔位切換時，電機檔執行機構短時將電機切換到與輸出軸連接，并在離合器分離，檔位切換期間，持續地為輪邊提供驅動力，以此解決上述動力中斷問題.當完成檔位切換后，電機檔執行機構重新將電機從與輸出軸連接切換為與輸入軸連接.

圖2 EMT的原理圖

EMT的結構見圖3，總共可以實現4個前進檔，在變速箱處在1檔時，如果反向旋轉電機可以實現倒檔功能.

圖3 EMT的結構圖

考慮將EMT應用于某款前置前驅動力系統橫置的乘用車，鑒于這一型車輛發動機艙空間有限，發動機，變速箱以及電機將采取串聯布置方式，變速箱采用雙中間軸式傳動方式，有效減少了變速箱部分的軸向尺寸，為增加電機功率爭取到了寶貴的空間.若電機檔同步器向左側嚙合，電機通過相應的傳動齒輪組便可將動力傳遞至輸入軸；若電機檔同步器向右側嚙合，電機通過相應的傳動齒輪組便可將動力傳遞至低檔輸出軸；位于輸入軸以及高/低檔輸出軸上的檔位齒輪總共可以實現4個前進檔；當變速箱處在1檔時，通過反向旋轉電機便可實現倒檔功能.考慮到整體結構的緊湊性，離合器/選換擋執行機構采用蝸輪蝸桿機構傳動，而電機檔執行機構采用圓柱凸輪機構傳動.當電機與輸入軸連接，并且利用2檔或4檔驅動車輛前進時，EMT軸系的三維圖見圖4.

圖4 EMT樣機軸系的三維圖

2 速比的選擇方法

考慮將EMT應用于某款乘用車，其整備質量為1 380 kg，搭載1臺80 kW的汽油機，所用變速器包含有5個前進擋.考慮到新增的驅動電機以及動力電池將一定程度地增加車輛的整備質量，為保持車輛動力性不變，決定由一額定功率為60 kW的汽油機和一峰值功率為40 kW(峰值功率可持續1 min)的永磁同步電機(PMSM電機)的組合作為其動力源.上述汽油機的最高轉速為6 000 r/min，最大轉矩對應轉速為4 000 r/min，上述PMSM電機的額定功率為20 kW，最大轉速為9 000 r/min，同步轉速為4 000 r/min.

2.1 電機動力傳遞路徑速比的選擇

考慮到電機在與輸入軸連接時，能夠與發動機同步達到最高轉速，將電機至輸入軸動力傳遞路徑的速比imi定為1.5，因此EMT輸入軸傳遞的轉矩/功率特性分別見圖5～6.由此可見，電機對發動機怠速轉速以下區間無動力輸出特性的補償作用.

圖5 EMT輸入軸傳遞的轉矩

圖6 EMT輸入軸傳遞的功率

原車車輪滾動半徑為0.308 m，按照最高車速為180 km/h的設計要求，初定主減速比為4.412，可知電機至輸出軸動力傳遞路徑的速比imo為1.32.

2.2 檔位速比的選擇

車輛穩態行駛工況下，輸入軸的兩端分別連接著發動機以及電機兩大動力源，為了使得這2大動力源得到充分的發揮，速比的選擇非常重要.AMT車輛速比的選擇主要以滿足最佳動力性為基本前提，具體從以下3個方面考慮.

1) 最小速比的選擇 原車車輪滾動半徑為0.308 m按照最高車速的設計要求，可得最高檔速比為0.881.

2) 最大速比的選擇 對于配備AMT的車輛而言，最大速比的選擇主要是依據最低車速以及爬坡能力.對于配備EMT的車輛而言，起步過程中，電機可為車輛提供動力直至發動機可在怠速轉速以上工作，因此不存在最小車速這樣一個概念.按照車輛能夠在30%坡度上行駛設計要求，通過計算可知最大速比至少要為2.8，參見圖7.

3) 檔位數和速比間隔 對于AMT而言，按照等比級數分配傳動比是為了充分利用發動機提供的功率，這同樣適用于EMT，因此決定采用如表1所示的檔位速比.

表1 EMT的速比

配備EMT車輛輪邊傳遞的驅動力/功率特性分別見圖7～8.

圖7 EMT輪邊傳遞的驅動力

圖8 EMT輪邊傳遞的驅動功率

3 無動力中斷換檔過程研究

與AMT相比，EMT的主要優點是從基本原理上解決AMT換檔過程中具有的動力中斷問題，這一點可以通過仿真得到驗證.仿真主要基于Matlab/Simulink中的基本模塊，物理建模工具箱Simscape中的Sim/Driveline和Sim/Mechanic子工具箱以及Stateflow工具箱等.

由于EMT具有兩個動力源，最大輸出功率總計可達100 kW，如果將其與配備相同功率等級發動機的AMT車輛在動力性和換檔平順性方面作對比是不公平的.可以考慮將EMT與配備相同動力源的ISG方案作一個對比仿真來驗證EMT的優點，將兩次仿真結果做一個對比，仿真過程所用參數見表2.

表2 仿真過程所用參數

需要說明的是：(1)仿真過程中所用整車質量包括原車整備質量，電機/電池附加質量以及5名平均體重為75 kg的乘員，總計1 796 kg；(2)電機使用峰值功率40 kW.

3.1 ISG的仿真結果

以全油門進行0～100 km/h加速過程中，ISG連續換檔，輸出軸轉速，發動機轉速，電機轉速以及輸入軸轉速的變化過程見圖9.每一次換檔過程都伴隨著電機和發動機的主動調速以及輸入軸被同步的過程.由于電機與發動機同軸布置，因此電機轉速和發動機轉速呈現固定比例關系.從輸出軸轉速的變化就可以看出，在換擋過程中，輸出軸轉速出現小幅下降.

圖9 ISG連續換檔仿真結果

針對圖9截取1檔換2檔的過程進行具體分析，整個換檔過程持續近500 ms，可以分為A，B，C，D和E這樣5個過程，過程A，電機/發動機的輸出轉矩同時都下降到0 N·m；過程B，離合器分離；過程C，檔位切換；過程D，二者通過主動調速，使得發動機轉速達到換檔后輸入軸的轉速；過程E，離合器結合.

3.2 EMT的仿真結果

以全油門進行0～100 km/h加速過程中，EMT連續換檔，輸出軸轉速，發動機轉速，電機轉速以及輸入軸轉速的變化過程見圖10.

圖10 EMT連續換檔仿真結果

在換檔動作發生前，電機從與輸入軸連接切換為與輸出軸連接，在選換檔動作完成后，電機從與輸出軸連接切換為與輸入軸連接.即使在換檔過程中輸出軸轉速依然持續上升，這說明車輛在換檔過程中依然可以持續獲得驅動力.

針對圖10截取1檔換2檔的過程進行具體分析，見圖11.

圖11 1檔換2檔時的仿真結果(EMT)

整個換檔過程持續近700 ms，可以分為編號從A～K的11個過程(假設換檔過程開始時，發動機轉矩為TICE0，電機轉矩為TEM0，換檔前/后檔位為in/in+1，且車速為u0.在這樣一個過程中，需要始終將保持輪邊驅動力平順擺在首位，盡可能減少車輛加速度的變化).

過程A，增加發動機輸出轉矩TICE，減少電機輸出轉矩TEM，理想情況下發動機的轉矩增加量正好可以彌補電機的轉矩減少量，從而使得車輛的加速度保持恒定.當電機轉矩減少到0 N·m后，電機與輸入軸脫離連接，即：

TICE+imi×TEM=TICE0+imi×TEM0

TICE→TICE0+imi×TEM0，TEM→0 N·m

過程B，通過主動調速，使得電機轉速nEM從與輸入軸適應變化到與輸出軸適應，即：

TICE=TICE0+imi×TEM0

nEM→u0/(r×i0×imo)

過程C，電機與輸出軸連接.

過程D，增加TEM，減少TICE.當發動機轉矩減少到0 N·m后，離合器分離，即：

TICE+imo×TEM=TICE0+imi×TEM0

TICE→0 N·m，TEM→(TICE0+imi×TEM0)/imo

過程E，檔位切換.

過程F，通過主動調速，使得發動機轉速nICE新檔位適應，即：

nICE→u0/(r×i0×in+1)

過程G，結合離合器.

過程H，增加TICE，減少TEM.當電機轉矩減少到0 N·m后，電機與輸出軸分離，即：

TICE+imo×TEM=(TICE0+imi×TEM0)×in/in+1

TICE→(TICE0+imi×TEM0)×in/in+1，TEM→0 N·m

過程I，通過主動調速，使得nEM從與輸出軸適應變化到與輸入軸適應，即：

TICE=(TICE0+imi×TEM0)×in/in+1

nEM→u0/(r×i0×in+1×imi)

過程J，電機與輸入軸連接.

過程K，恢復TICE/TEM.

由此可知，過程A，D，H中均涉及到TICE/TEM間的配合，二者之間呈現此消彼長的關系，其目的在于確保動力源能夠滿足輪邊驅動力需求的同時，限值TICE的變化速率，從而穩定發動機工作點，并且利用電機對輪邊驅動力進行動態補償，參見圖12.

圖12 發動機轉矩變化速率限值算法

其中：TICE_set0/TEM_set0為未經修正的發動機/電機轉矩設定值；TICE_set/TEM_set為修正后的值.函數α(Δ)表示TICE_set變化速率的限幅，具有如下形式.

式中：α0=1 500 N·m/s為TICE_set變化速率的最大值.當TEM_set處于由電動機/發電機模式轉矩限值TM_limit/TG_limit確定的范圍內時，TICE_set的變化速率將受到限制，當TEM_set超出上述范圍時，對TICE_set變化速率的限制將失效.

由圖11可知，過程A發生在1.9 s處，由于EMT處于全油門加速狀態，發動機已在輸出最大轉矩，因此未出現TICE/TEM的互補過程.過程D發生在2.02 s處，可以觀察到二者明顯的互補過程.過程H發生在2.48 s處，由于imo較小，電機通過imo可向輪邊提供的驅動力有限，不足以既單獨滿足輪邊驅動力需求，同時又對TICE進行動態補償，因此α(Δ)放開了對TICE_set變化速率的限制，二者間的互補過程未出現.

圖13比較了ISG和EMT在以全油門進行0～100 km/h加速過程中車速的時間歷程.前者花費了18.536 s完成了上述過程，后者花費了14.642 s，因此在動力性方面后者略優于前者，這主要是由于穩態行駛過程中EMT電機通過imi速比與輸入軸連接，增加電機可向輪邊提供的最大驅動力.在換檔平順性方面，后者明顯優于前者，特別是在1檔換2檔的過程中.圖14比較了ISG和EMT在連續換檔過程的加速度不同，對于ISG而言，換檔過程中一旦離合器分離，則車輛加速度為負值，對于EMT而言，雖然由于imo較小，電機無法完全彌補換檔過程中輪邊動力的損失(僅能彌補換檔前輪邊驅動力的約1/6至1/3)，但是至少可以確保車輛加速度始終為正值，大大緩解換檔過程中司機動力中斷的感覺.

圖13 ISG和EMT連續換檔過程速度對比

圖14 ISG和EMT連續換檔過程加速度對比

4 結 論

1) 在換檔過程中，ISG方案的車速會出現小幅下降，而EMT方案的車速可以持續上升.

2) 0～100 km/h的加速時間，ISG方案為18.536 s，而EMT所用時間為14.642 s，后者的動力性更優.

3) 在連續換檔工程中，ISG方案的加速度變化率明顯高于EMT，故EMT的換檔平順性優于ISG方案.

從以上結論可看出，文中介紹的新型混合動力變速器EMT的原理，克服了AMT換檔過程中存在動力中斷的問題.相比AMT，這樣一種換檔是比較復雜的，有待后續針對樣機的臺架和實車試驗來檢驗其在實際應用中的效果，但可以預見其在動力中斷感覺特別明顯的1檔換2檔過程中，將發揮較好的作用.

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Working Principle of a Novel Hybrid Transmission and Analysis of Its No-power Interrupt Shift Process

ZHONG Zaimin1)ZHANG Lei1)WU Haikang1)YU Zhuoping1,2)WANG Xinjian1,2)

(TheCollegeofAutomotiveEngineering,TongjiUniversity,Shanghai201804,China)1)(CleanEnergyAutomotiveEngineeringCenter,Shanghai201804,China)2)

The working principle and structure of a novel fixed shaft type hybrid power transmission for hybrid vehicle is introduced, by which the motor power transfer path can be switched. On one hand, the motor can be used to provide power to the wheel side with high efficiency using the gear ratio. On the other hand, the power interrupt problem can be overcome in the process of AMT shift. Through twin countershaft transmission scheme, several gear ratios are realized based on limited space and the design space for the arrangement of the motor in tandem with transmission is achieved. The driving performance of a mini passenger prototype car is analyzed. The gear shift process without power interrupt is explained through detailed simulations. The results prove that EMT can effectively solve the power interrupt problem during gear shift process.

hybrid vehicle; transmission; switch of motor power path; power interrupt; twin countershafts

2016-07-04

*國家自然科學基金項目(51075301)、國家科技支撐計劃項目(2015BAG17B00)資助

U463.212 doi:10.3963/j.issn.2095-3844.2016.05.001

鐘再敏(1973- )：男，博士，教授，主要研究領域為電驅動總成控制