雙離合混合動力汽車傳動系統的設計及仿真分析

劉 偉

（重慶車輛檢測研究院有限公司，重慶 401122）

雙離合混合動力汽車傳動系統的設計及仿真分析

劉 偉

（重慶車輛檢測研究院有限公司，重慶 401122）

文章提出了雙離合器并聯混合動力系統，即在原有的并聯混合動力系統基礎上，安裝了2個離合器，同時對動力系統進行了關鍵部件的選型計算，采用了邏輯門限控制策略，并在ADVISOR2002環境下建立了傳動系統的模型，在仿真平臺上對此模型進行了仿真分析。

混合動力汽車；傳動系統；雙離合器

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.11.017

CLC NO.: U463.2 Document Code: A Article ID: 1671-7988（2016）11-46-04

本文以DC7130為原型車，采用雙離合器傳動系統對其傳動系統進行改造和重新設計。動力系統關鍵部件參數設計的原則是在滿足整車動力性的前提下盡量提高燃油經濟性。

1、混合動力電動汽車分類

混合動力傳動系統有3種布置方式：

（1）串聯式混合動力傳動系統(圖1)

在這種系統中，發動機驅動發電機產生電能，電能用于驅動電動機并借此轉動車輪。這種系統使用一個較小的發動機在效率最高的轉速范圍內工作，因此，能夠最大限度地改善燃油經濟性和減少排放。

（2）并聯式混合動力傳動系統(圖2)

在這種系統中發動機和電動機既可聯合驅動車輪，又可各自單獨驅動車輪，并且允許發動機在驅動車輪的同時帶動發電機給蓄電池充電。

圖1　串聯式混合動力傳動系統

（3）混聯式混合動力傳動系統(圖3)

其布置形式包含串聯式和并聯式的特點，即功率流既可像串聯式流動，又可像并聯式流動。它的動力系統包括發動機、發電機和電動機。根據助力裝置不同，又可分為發動機為主和電機為主兩種。以發動機為主的形式中，發動機作為主動力源，電機為輔助動力源，Nissan Tino HEV屬于這種情況。以電機為主的形式中，發動機作為輔助動力源，電機為主動力源，Toyota Pruis HEV就屬于這種情況。該結構的優點是控制靈活方便，其缺點是結構相對復雜。

圖2　并聯式混合動力傳動系統

圖3　混聯式混合動力傳動系統

2、雙離合混合動力傳動系統設計

本文在DC7130汽車平臺上進行了混合動力系統的設計開發，在傳動電機和發動機之間加入一個離合器，改進后的雙離合混合動力傳動系統如圖4所示：

圖4　雙離合器混合動力汽車傳動系統示意圖

2.1發動機參數設計

混合動力汽車的動力總成參數確定的基本原則是：發動機功率只需滿足在平坦路面上以最高車速行駛的要求，加速和爬坡時所需的峰值功率由電池來補充，電機應補充車輛所需的最大功率。混合動力汽車在高速行駛時(包括城市中高速行駛)優先采用發動機單獨驅動，避免以混合驅動或純電動方式高速行駛時電池的快速沖放電，延長了電池使用壽命。由于電助力型混合動力汽車，發動機只需要提供勻速行駛的功率，而在加速或爬坡時電機可以提供峰值功率，因此發動機相對于傳統車可以選得功率小一些，一般根據汽車預期的最高車速來初步選擇發動機的最大功率，可用式（1）初步對發動機選型：

其中Pe為發動機的功率，m汽車的整備質量，f滾動阻力系數，cd空氣阻力系數，A迎風面積，vmax發動機單獨驅動下的最高車速，ηt為系統傳動效率，取值0.95。

2.2傳動電動機參數設計

電動機的最大功率應從滿足混合動力驅動最高車速和整車動力性指標的功率需求出發進行選擇。考慮上坡時汽車動力性的要求，計算整車動力性指標功率需求的公式，如公式(2)所示。

式中：α——爬坡角，α=arctan0.12；va——行駛車速。

發動機最大功率Pemax加上電動機最大功率Pmm應大于等于P1和P2中較大的一個，即：Pemax≥max(P1，P2)- Pemax。目前一般選擇中高速電機，最高轉速一般在6000-15000r/min之間。

2.3蓄電池參數設計

蓄電池作為混合動力汽車的輔助能源直接關系著動力性和經濟性，要求蓄電池的容量和功率要和電機性能相匹配。有關電池的配置涉及到電池組的輸入、輸出功率需求，壽命預計和成本考慮等因素。在合理匹配HEV能源上，電池的充電狀態參數SOC(State Of Charge)非常關鍵，應當讓電池經常工作在內阻較低的SOC范圍內，同時SOC波動(即△soc 值)不能過于激烈．在SOC工作區內，電池組的峰值放電功率應大于電動機的最大需求功率；在SOC值較低由發動機提供額外充電功率工況下，電池組的峰值充電功率應滿足HEV能量管理策略的充電功率要求。混合動力汽車通常采用鎳氫電池，具有良好的充放電特性和使用安全性，且具有較高的充電效率，有利于混合動力汽車的再生制動。蓄電池有高功率型和高容量型，本文所述混合動力汽車屬于電量保持型，可以選用高功率型，電池主要用來提供峰值功率，因此電池的功率可以按照電機功率初步選擇，則電池組總能量C 可以按公式(3)計算：

式中：U0-bat為電池的額定電壓V, Pm_max為電機驅動系統的峰值功率其值為15kw，Im_max電機驅動系統的最大工作電流，其值為500A。考慮到電池的單體電壓為1.2V，參照有關標準確定電池的電壓為144V。

混合動力汽車的電池容量由純電動續駛里程要求決定，同時電池容量必須滿足持續加速和爬坡工況的要求。由于電池荷電狀態(SOC)的變化難以直接分析。本文中根據純電動續駛里程要求，參照以往設計來初步確定電池容量。然后通過仿真檢驗電池容量的合理性。電池的能量E可以根據混合動力汽車純電動行使的里程來確定，假設純電動行使的里程為S，行使速度V，電池SOC 工作范圍為SOC_low - SOC_ high，則可以根據式（4）來計算電池的能量。

其中ηbat為電池效率，其值取0.85，ηmot為電機效率，其值取0.9，SOC_low -SOC_ high工作區可取0.3—0.7，S為純電動續航里程，取值為20km，P 為混合動力車以v=15km/h純電動勻速行駛時的功率，可由式（5）計算：

由公式4、公式5計算得：E=1.8 kW·h

根據電池供應商提供的電池容量的系列，最終選擇了15Ah。本文選用的鎳氫電池具體參數如下：

表1　鎳氫蓄電池參數

2.4 前后離合器參數設計

在設計離合器時，可以參考常用離合器的尺寸和參數，然后通過計算，選取相應的離合器。

①摩擦片外徑D

摩擦片外徑是離合器的基本尺寸，它關系到離合器的結構重量和使用壽命。它和離合器所需傳遞的轉矩大小有一定的關系。顯然，傳遞大的轉矩，就需要大的尺寸。發動機轉矩是重要的參數，當按發動機最大轉矩Tmax（N· m）來選定D時，可根據公式（6）：

式中D——摩擦片外徑，mm

Tmax——發動機最大轉矩，N· m

A——和車型及使用情況有關的系數，小轎車A＝47；一般載貨汽車A＝36（單片）或A＝50（雙片），取A＝50。

②摩擦片內徑d

摩擦片的內徑d不作為一個獨立的參數，它和外徑D有一定的關系，用比值來反映，定義為：

③摩擦片厚度h

對摩擦片的厚度h，我國已規定了3種規格：3.2 mm，3.5 mm和4 mm。根據離合器摩擦片的尺寸系列，取厚度h ＝3.2mm。

綜上所述，選取摩擦片外徑D＝160 mm，內徑d＝110 mm，厚度h＝3.2 mm，＝0.687。

因為粉末冶金材料和金屬陶瓷材料的摩擦因數f較大而且穩定，考慮到制造成本，這里摩擦片材料取鐵基粉末冶金材料，摩擦因數為f = 0.4。

因為本文采取的是扭矩耦合的傳動電機，因此在電動機和發動機同時驅動時扭矩并不改變，只是轉速提高，因此，前后離合器采用同樣的參數。

3、雙離合混合動力汽車傳動系統模型的建立

通過分析仿真軟件 ADVISOR建模，對雙離合重度混合動力汽車傳動系統各主要部件進行建模，分別對發動機、電動機、電池組、前后離合器、變速器以及動力耦合裝置建模，最后運用這些子模型搭建整車模型。基于某并聯式混合動力汽車仿真模型，建立如圖5所示的整車模型。

圖5　DC7130混合動力汽車仿真頂層模型

4、雙離合混合動力傳動系統控制策略設計

雙離合器并聯式混合動力汽車控制策略的核心是能量管理策略，是混合動力汽車控制領域中研究的重點，也是混合動力汽車開發的關鍵技術。邏輯門限值控制方法是以整車油耗和排放最佳為控制目標，提出同時限制電池和發動機工作區間的控制策略，通過設定門限值，將發動機控制在高效率區運行，提供要求的轉矩；電動機作為載荷調節裝置，當需要大力矩輸出時電動機參加驅動，當需要小力矩輸出時電動機吸收發動機轉矩進行發電，并將電池的荷電狀態SOC (state of charge)維持在合理的范圍內。

（1）在低速時(低于某一最小車速)或當需要的轉矩低于發動機優化區域的最小扭矩點時，電動機提供驅動力矩，前離合器斷開，發動機關閉；

（2）在需求的力矩大于發動機工作速度內所能提供的最大力矩時，前離合器接合，電動機提供額外矩；

（3）當再生制動時，電動機給電池充電；

（4）當給定速度下，需求的發動機力矩使發動機運行在低效率區時，發動機將關閉，電動機提供需求的力矩；

（5）當電池的SOC值較低時，發動機將提供額外的力矩給電池充電。發動機始終要啟動，它除了驅動外，還要發電為蓄電池充電。當需求扭矩與充電扭矩之和大于最小扭矩而小于最大扭矩時，發動機的扭矩等于需求扭矩加充電扭矩。當需求扭矩較小落在最小扭矩線下面時，如果加上充電扭矩依然在最小扭矩下，則發動機的扭矩就取最小扭矩線上的值。邏輯門限控制策略的關鍵在于按照合理的原則確定各個控制參數。

5、雙離合混合動力傳動系統的仿真結果及分析

ADVISOR2002是一個圖形化面向對象的環境，擁有良好的用戶界面GUI(Graphical User Interface)，便于用戶操作，而且各種輸出仿真結果可視化。軟件共有三個GUI：車型輸入界面、仿真設置界面和結果輸出界面。通過這三個界面，用戶輸入要仿真的車型和部件總成的相關參數，選擇試驗循環工況，然后進行仿真。

（1）選擇傳動系的類型：ADVISOR提供了兩種方式來定義車輛傳動系統的類型。

一種是ADVISOR內部已有的電動車數據文件，用戶可以在此基礎上修改。一種是ADVISOR內部的傳統汽車、純電動汽車、混合動力汽車等8種類型的傳動系統作為模板，用戶可以在此基礎上定義自己的傳動系統。另外用戶還可以定義新的傳動系統。本文是在INSIGHT模塊基礎上改進的傳動系統，在修改了M文件之后，形成了DC7130的傳動系統，并且將該傳動系統導出到了ADVISOR界面之中。

（2）設置部件的仿真參數：ADVISOR設計了車輛、發動機、能量存儲系統和電動機等多個部件的仿真模型。混合動力轎車的仿真部件包括車輛(Vehicle)、發動機(Fuel Convener)、排氣系統(Exhaust After treatment)、蓄電池及其管理系統(Energy storage system)、電機及其控制器(Motor／controller)、變速系統(Transmission)、扭矩偶合器(Torque coupler)、車輪／車橋(Wheel／Axle)、附件(Accessory)和動力控制系統(Power train control)。本文仿真在ADVISOR2002內部保存的本田Insight參數的基礎上，將匹配后的參數通過修改M-file方式輸入，由于本文研究的雙離合混合動力轎車與Insight的主體結構相似，所以該模型以ADVISOR中Insight模型為基礎，修改了頂層模塊和控制策略模塊，同時修改了Insight發動機控制模塊和發動機模塊的控制參數、離合器、電機參數以及傳動系統參數。

（3）設計控制策略：ADVISOR提供了并行電動輔助(Parallel Electrical Assist)、自適應控制策略(Adaptive Control Strategy)等6種控制模板。用戶可以直接使用也可以自行設計控制策略。

仿真結果見圖6、圖7、圖8。

5.1基于動力性仿真結果及分析

由圖6可知，車速能滿足NEDC循環工況對車速要求，即，仿真車輛的實際車速能夠很好地跟蹤循環工況車速的變化。另外仿真結果顯示，混合驅動時，0～100km/h的加速時間為15.5s和最高車速135km/h，均滿足混合動力汽車動力性初始設計指標。

5.2基于燃油經濟性仿真結果及分析

整車燃油經濟性是設計混合動力汽車的最終目的之一，也是檢驗參數設計是否合理的最重要指標。仿真結果顯示100km/h油耗為：5.9L，樣車油耗為：7.8 L燃油節省率約24%，對提高燃油經濟性具有明顯的效果。

圖6　NEDC循環工況圖

圖7　SOC變化

圖8　速度

6、總結

本文提出的基于并聯混合動力汽車的雙離合傳動系統在提高動力性和燃油經濟性方面效果明顯，完全適合并聯混合動力汽車的控制要求，而且控制邏輯簡單，實現控制策略的硬件不需要很高的費用，經濟可靠，實用性很強。

[1]陳清泉,孫逢春,祝嘉光,現代電動汽車技術,北京:北京理工大學出版社,2002,1-25.

[2]C. C. Chen. The State of the Art of Electric and Hybrid Vehieles. In:Proc of the IEEE，Vol.90，No.2，2002.

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Design and simulation analysis of dual-clutch hybrid electric vehicle transmission system

Liu Wei
（Chongqing Vehicle Test＆Research Institute Co., Ltd, Chongqing 401122）

Dual-clutch parallel hybrid system is presented in this paper. Based on the original parallel hybrid system, two clutch are applicated.Then designing the powertrain system of key components ,and using logic threshold control strategy, then establishing the model of the powertrain system by means of the environment of ADVISOR2002. Fianlly simulating and analysising the model throught ADVISOR2002.

Hybrid Electric Vehicle; Power train; Dual-clutch

U463.2 文獻表示碼：A

1671-7988（2016）11-46-04

劉偉（1978-），男，碩士，從事汽車測試技術與研究。