紅旗H7 PHEV用離合器耦合式電機總成研發

賀紅偉 趙慧超 梁偉朋 高楚

（1.中國第一汽車集團有限公司 新能源開發院，長春 130011；2.中國第一汽車集團有限公司 研發總院，長春130011）

主題詞：新能源車 P2構型 離合器耦合式電機總成（CCM）PHEV

1 前言

能源和環境正在成為影響世界汽車產業發展的兩大決定性因素。新能源汽車被視作當今汽車工業新時代的發展方向[1]，世界各國車企都在大力推進新能源車型的研發。為滿足未來排放法規要求，一汽集團已將混合動力技術作為重要的技術應用解決方案，對應S、M、H全系車型平臺均規劃了混合動力車型產品。為重塑紅旗的高端品牌形象，一汽集團開發H平臺全系車型產品，其中C131項目PHEV和C131項目HEV兩款應用混合動力技術的車型則是重中之重。汽車專用動力電機系統是核心動力總成，掌握核心動力總成開發技術是各大主機廠保持競爭力的重要保證，因此一汽集團重金投入開發離合器耦合式電機（P2）構型的混合動力技術，該技術已開發完成并投入市場。本文主要分析一汽集團離合器耦合式電機總成的開發方案。

2 離合器耦合式電機總成（CCM）概述

離合器耦合式電機總成為一汽推廣混動動力車型開發的混動模塊，為“P2”構型，即布置在發動機和變速箱中間[2]，電驅動系統作為混合動力汽車中的重要部件，能夠在汽車加速啟動過程中獨立工作，彌補內燃機扭矩不足的缺點，降低油耗，同時可以通過對汽車制動能量回收實現節能[3]。該總成由雙質量飛輪、分離離合器及驅動電機三部分組成；分離離合器與電機并排布置，離合器耦合在電機轉子內部；動力總成僅在傳統車軸向方向增加，如圖1所示。該總成可以實現如下功能：電力驅動、電機冷卻、動力離合、降低扭振、離合器執行及冷卻、壓力平衡、制動能量回收。

圖1 離合器耦合式電機總成爆炸圖

離合器耦合式電機總成的開發內容包含如下：

（1）三相交流永磁同步型電機；

（2）濕式離合器；

（3）離合器控制系統；

（4）離合器電液驅動系統；

（5）離合器液冷系統；

（6）電機液冷系統；

（7）雙質量飛輪；

離合器耦合式電機總成的主要參數如表1所示。

表1 離合器耦合式電機總成主要參數

3 離合器耦合式電機總成設計及優化

離合器耦合式電機總成由雙質量飛輪、分離離合器及驅動電機三部分組成；分離離合器與電機并排布置，離合器耦合在電機轉子內部。采用干式雙質量飛輪、濕式離合器和干式電機，根據上述產品特點，在結構設計上實現干濕分離，各功能區通過油封或者密封圈進行密封，共分雙質量飛輪腔（干）、分離離合器腔（濕）、電機腔（干）、變速器腔（濕）四部分。

該集成系統實現降低發動機的扭轉振動，實現混動驅動模式切換，實現電機驅動和發電功能。本節主要介紹雙質量飛輪、電機、分離離合器的開發設計方案。

3.1 雙質量飛輪的設計方案

雙質量飛輪（Double Mass Flywheel，簡稱DMF）結構包括第1質量、第2質量、彈性元件等元件。DMF幾乎使發動機曲軸的扭振完全與電機隔離，降低輸入軸的不平衡性，為電機和變速箱的順暢工作提供了可能性。同時，DMF相對傳統變速箱減震器來說，所需空間更小，減震效果更好，提高了乘車的舒適性。

傳統雙質量飛輪內腔彈簧的減震效果有限，為追求更好的隔震效果，選用了帶有離心擺結構的雙質量飛輪。按照設計的質量塊質量、擺動長度，質量塊會在小擺角范圍內以一定頻率擺動，該頻率與發動機轉速成正比，所以能夠對發動機主階次進行減震。經過仿真模擬計算結果顯示，帶有離心擺結構的雙質量飛輪能夠將輸入軸扭轉加速度降低至發動機輸出端的10%以下。為進一步提高NVH性能，將DMF內部油脂更換為LUK4油脂，主要工作段主階角加速度降低至6%以下，結果如圖2所示。

圖2 NVH結果

3.2 電機設計方案

P2構型的混動方案，在不改變傳統車動力總成的基礎上，僅增加離合器耦合式電機總成，可以借助變速箱的多擋優勢，無需大功率和高轉速電機即可滿足整車動力性和經濟性等功能要求。

為整車動力性、經濟性和油耗法規要求，確定電機的性能指標要求峰值扭矩為280 N·m，峰值功率為55 kW。為實現上述性能指標要求，進行了多種電磁方案開發，為了節約開發時間，多種方案并行開發設計。通過改變磁鋼的布置形式（V型、一型）、線圈的線徑、繞組形式、永磁體牌號、并繞根數、匝數等變化點，共進行了四種方案的設計，均試制了樣機并進行了臺架性能測試，根據臺架測試性能數據如圖3所示，熱分析數據、結構強度、成本等多維度的對比分析，如圖4所示，確定最終EG02為最優設計方案[4]。

EG02方案采用扁平型集中繞組和多極槽數方案，降低電機的有效體積，充分利用逆變器能力和電機磁阻轉矩、優化控制策略、優化繞組結構散熱和冷卻方案，降低電機損耗，如圖5所示，實現3.4 kW/kg、17.8 N·m/kg的技術水平，接近《中國制造2025年》2020年技術水平。電機溫升的主要原因是由于電機工作過程中產生的各種損耗[5]，根據實際載荷分布專項設計電機效率區，降低整車實際運行能耗，提高電機工作高效區面積，電機本體最高效率達到95.7%，如圖6所示。通過電機磁場諧波優化，有效的降低齒槽扭矩峰峰值，并實現全區域扭矩波動低于25 N·m，降低整車低速抖動，降低電機噪聲激勵源。

圖3 多方案外特性曲線

圖4 多維度、多方案對比設計

圖5 電機損耗圖

圖6 電機效率圖

3.3 分離離合器設計方案

分離離合器控制發動機與電機的動力耦合狀態，實現不同驅動模式的切換。分離離合器的輸入端與發動機雙質量飛輪連接，分離離合器的輸出端與電機轉子支架連接。根據發動機的最大扭矩確定分離離合器的扭矩容量不小于280 N·m，采用濕式分離離合器，具有扭矩容量大、性能穩定、可靠性高等優點。此外，濕式離合器可承受較大的滑摩、分離，接合過程更加平順，可使整車具備更好的NVH性能。

采用電—液執行機構，與液壓系統具有較好的集成性。根據液壓系統的壓力范圍，確定離合器的最高驅動壓力為15 bar。根據扭矩容量需求和最高驅動壓力，計算出需要5片摩擦片。摩擦片使用成熟的紙基摩擦材料，摩擦特性穩定，在不同的壓力范圍，摩擦系數隨轉速的升高而加大，即始終保持正斜率（見圖7），易于控制，防止抖動、聳車等NVH問題。離合器回位彈簧采用螺旋彈簧，彈簧力線性度好。驅動活塞采用沖壓鋼板硫化密封唇的結構，活塞形狀可根據空間需求隨形設計，結構緊湊，空間利用率高。

圖7 不同壓力范圍離合器摩擦系數測試結果

分離離合器的動作由一個比例壓力閥控制，壓力控制精度高，響應快，同時通過壓力傳感器實時監測離合器實際壓力，實現閉環控制，即使在低溫條件下，也具有良好性能。離合器的冷卻通過一個比例流量閥控制，根據不同的工況，對離合器提供不同的冷卻流量，實現冷卻流量的精確調節和控制。

4 試驗驗證

離合器耦合式電機總成進行了充分的試驗驗證，從零部件的材料、性能、疲勞試驗，到子系統臺架可靠性試驗，再到離合器耦合式電機總成臺架可靠性試驗，最后到搭載整車測試，試驗后進行性能復測并拆解分析，均滿足設計要求，通過試驗驗證。

硅鋼片為電機定轉子總成的主要零件，起到導磁、傳熱、機械支撐等的作用。因此開發過程中對硅鋼片的磁特性、絕緣性能、結構特性、鐵損等一系列測試，均滿足設計指標。

永磁體為永磁同步電機中最重要的零件，對電機的性能起到決定性作用，因此開發中對永磁體進行了全方位的測試。考慮到永磁體的產品特性，永磁體磁性能易受到高溫和機械沖擊等影響，產生磁性能下降或者永久退磁現象，本產品對永磁體進行了常溫磁性能檢測、高溫磁性能檢測、機械沖擊磁性能試驗、溫度沖擊磁性能試驗、機械性能測試、表面涂層耐腐蝕試驗等一系列試驗，均滿足設計指標。

離合器耦合式電機共進行了兩輪的臺架可靠性試驗，制定試驗大綱時，除了考慮滿足標準法規要求外，還充分考慮到產品特點以及用戶的使用可能性。例如高速循環耐久試驗，模擬用戶長時間行駛在高速路上，充分考核了電機的結構強度、熱平衡性能、磁鋼磁性能、軸承疲勞等一系列考核。通過試驗數據，本產品滿足可靠性要求，如圖8所示。

圖8 高速循環耐久試驗結果示意圖

分離離合器啟停試驗，充分模擬電機啟動發動機試驗工況，重點考核分離離合器的閉合可靠性、分離離合器的滑摩可靠性、摩擦片的磨損可靠性，同時考核供油系統、軸承、油封密封等可靠性。通過上位機軟件控制電機轉速為某一轉速，控制分離離合器使電機與測功機逐漸結合，使測功機滑行啟機，然后控制分離離合器使電機與測功機逐漸分離，此過程為一個循環，如此往復循環。分離離合器啟停試驗主要考察試驗前后摩擦系數的變化以及摩擦系數隨離合器轉速差、壓力變化趨勢是否一致。

圖9 不同循環后摩擦系數

通過試驗數據，如圖9所示，試驗前后摩擦系數有微小變化，變化量在摩擦系數公差范圍內，即傳遞扭矩性能沒有下降，同時分離離合器未出現磨損、變形等情況。

5 結論

離合器耦合式電機總成搭載紅旗H7混動車進行了承載系耐久、傳動系耐久、地區適應性等一系列試驗。紅旗H7 PHEV車型于2016年投放市場，市場反饋良好。離合器耦合式電機總成具有如下優勢：

（1）離合器耦合在電機內部，并排布置，實現緊湊的軸向尺寸；

（2）分離離合器與電機互相獨立，可單獨生產、檢測及更換；

（3）CCM為獨立總成，不需對整車進行較大改動即可實現集成裝配，對發動機無影響，變速箱僅更改前殼，其他件通用；

（4）因可充分利用變速箱換擋優勢，無需大功率和高轉速電機即可滿足整車功能要求；

（5）離合器、液力閥塊可通用，電機可實現平臺化。

濕式離合器免維護、系統模塊化設計，零部件可單獨更換。