廣汽機電耦合系統(G-MC)的開發和應用

張 雄，張安偉，段心林

(廣州汽車集團股份有限公司 汽車工程研究院， 廣州 511434)

G-MC(GAC mechatronic coupling)是廣汽機電耦合系統的簡稱，主要應用于插電式或混合動力車型。

2014年初，廣汽研究院擬開發新一代的插電式新能源汽車，如何選擇機電耦合系統的構型成為一個重點課題。當時市場上的主要構型[1-3]有：豐田的THS(Toyota hybrid system)系統、通用的Voltec系統、本田的i-MMD(Intelligent multi mode drive)系統、科力遠的CHS(Corun hybrid system)系統、上汽的EDU(Electric drive unit)系統等，此外不少汽車企業也在使用P0～P4的方案。考慮到國內對行星齒輪加工還不成熟，P0、P1、P4方案的節油效果不佳，P2、P3方案對自動變速箱的依賴度較高，從性能仿真、成本比較及專利分析等進行多輪論證，最終選定了目前的G-MC構型。

1 G-MC的系統方案

如圖1所示，一般混合動力汽車系統包括發動機、耦合機構、高壓電池、整車控制器、電機控制器、耦合控制器等。

圖1 混合動力系統方案圖

G-MC的系統原理如圖2所示，G-MC將發電機、驅動電機、離合器、傳動系統、差減速器及液壓系統等集成在高壓鑄造的鋁合金殼體內，采用油冷(雙油泵)。

圖2 G-MC系統原理

從構型上來說，該耦合系統可以實現4種驅動模式，分別是純電動模式、串聯增程模式、并聯混動模式和發動機直驅模式。

當離合器分離，發動機和發電機不提供功率時，G-MC工作在純電動模式。此時功率流經由中間軸、主減速齒輪傳遞至車輪，如圖3所示。

圖3 純電動模式功率流

當G-MC工作在串聯發電模式時，離合器處于分離狀態，發動機帶動發電機發出電能，一部分用于電池充電，一部分用于給驅動電機供電，而驅動電機單獨驅動整車。該模式主要工作在電池電量低或急加速需求扭矩較大的行駛工況，其功率流如圖4所示。

圖4 串聯增程模式功率流

在高速大扭矩需求時，離合器接合，發動機和驅動電機共同驅動汽車，模式的功率流如圖5所示。

圖5 并聯混動模式功率流

在高速巡航時，離合器接合，發電機和驅動電機空轉，由發動機單獨驅動汽車，該模式的功率流如圖6所示。G-MC外形如圖7所示。

圖6 發動機直驅模式功率流

圖7 G-MC系統外形

系統的相關參數如表1所示。

表1 G-MC系統參數

G-MC匹配廣汽專門研發的1.5ATK(Atkinson cycle)發動機，采用阿特金森循環。發動機的參數如表2所示，其中1.5TM(Turbo Miller cycle) 是廣汽正在開發的米靳循環發動機。

表2 發動機參數

2 G-MC控制策略

在車輛實際行駛中，增程模式和混動模式占了絕大部分，因此針對這2種工況做效率最優控制。

2.1 增程模式效率最優控制

增程模式下，發動機轉速與車速解耦，可以實現發動機最優控制。根據系統效率最優計算增程器不同發電量的系統效率。選定以10 kW為限，當驅動電機需求功率小于10 kW時，為避免發電機、發動機工作點效率過低，發電機以10 kW的功率進行發電；而當驅動電機需求功率大于10 kW時進行瞬時功率跟隨控制，既可以保證增程器的高效性，又可以避免電池充放電造成的能量損失。

2.2 混動模式效率最優控制

在混動模式下,發動機轉速與車輪轉速耦合，盡可能通過發電機調整發動機的負荷在高效區域。主要考慮以下原則：

1) 整車功率需求在發動機最經濟曲線之下，SOC適中時，通過控制發電機的扭矩使發動機工作在最優曲線上。

2) 整車功率需求低于發動機最經濟工作曲線，但SOC較高時，此時通過調整發電機功率使發動機工作在克服整車阻力曲線與發動機最經濟工作曲線之間。

3) 整車功率需求超過發動機最經濟工作曲線時，通過發電機電機助力彌補部分需求扭矩，使得發動機工作在最經濟曲線與外特性之間。

4) 當整車動力需求較大時，優先滿足動力性，發動機工作在上限曲線。

3 結構布置方案

3.1 系統組成元件

G-MC系統的組成元件如圖8所示。

圖8 G-MC系統的組成元件

3.2 液壓系統原理

設計全新的液壓系統方案和液壓閥板，滿足離合控制和冷卻回路控制要求。開發控制單元，監控系統流量、油壓和油溫，通過控制電磁閥實現離合器的開合控制。液壓系統采用電動油泵和機械油泵的雙油泵方案，滿足各種工況下的冷卻潤滑需求。

3.3 電機冷卻方案

耦合系統內部的冷卻方式分為強制潤滑與飛濺潤滑[4-6]。差速器齒圈的攪動，把油液甩到相關的齒軸位置，形成油膜，提供相應的潤滑、冷卻。對無法飛濺潤滑的位置或對冷卻需求較大的位置，如電機線圈繞組、中間軸軸承等位置，通過輸油管路和殼體內部的管路，強制進行冷卻，以避免冷卻潤滑不良造成的零部件失效。電機的冷卻系統如圖9所示。

圖9 電機冷卻潤滑系統

3.4 耦合控制原理

耦合控制器根據整車控制器的要求，控制離合器的接合與斷開，實現模式切換。耦合控制器根據電機狀態實時控制電動油泵的轉速，滿足耦合機構內部零件不同的冷卻需求。耦合控制原理如圖10所示。

圖10 耦合控制原理示意圖

4 性能表現

與主流的機電耦合系統相比[7-10]，G-MC具備結構簡單、控制難度小、無換擋沖擊、發動機介入平順、加工容易、成本較低的特點。詳細對比情況如表3所示。

G-MC目前已搭載3個車型:GA3SPHEV、GS4PHEV、GA6PHEV，同時也提供給廣汽的合資企業。GA3SPHEV補貼前售價16.48萬元起，具有一定價格優勢，整車參數如表4所示。其中當時在售的同類插電式轎車車型A和B的加速時間及油耗是對標試驗的實測值。

表3 主流混動變速箱對比

表4 整車性能參數

5 開發歷程及難點

G-MC是廣汽研究院完全獨立自主的研發，廣汽乘用車生產裝配。G-MC項目從立項到SOP歷時近3年。作為正向開發的G-MC系統經過系統性的臺架和整車試驗驗證。量產前，G-MC試制了390臺，裝車260輛，完成零部件和總成設計驗證項目超百項，累積臺架試驗小時數超過1萬h，累積整車試驗當量里程超過400萬km。

5.1 開發難點

具體開發難點如表5所示。

5.2 開發遇到的問題

與其他全新研發的機構一樣，G-MC在開發過程中有很多難題要攻克，如扭擺減振器異響、電磁閥卡滯等。至2018年5月底，市場上已銷售裝載了G-MC系統的車輛超過5 000輛，其總體故障率與常規車相當，其中G-MC系統相關的故障約10例，主要有油泵密封不良、P擋機構控制軟件缺陷等。通過艱苦的設計改進、大量的試驗驗證和更加嚴格的質量控制，這些問題和不足都得到了有效解決。

表5 G-MC開發難點

5.3 G-MC下一步的發展計劃

從產品系列方面，G-MC將向2個型號發展：一個是匹配1.5TM的發動機，適用于中小型車的混動或插電式汽車；另一個是匹配2.0TM的發動機，適用于大型車的混合動力。如G-MC用于GS8(七座SUV)，初步分析表明其油耗可從現在的9.1 L降低到6.4 L，整車成本增量不超過2萬元。

從技術角度的改進有3個方向：

1) 更加高效。采用方形導線技術,提升電機電壓，提高發電機轉速，減小電機體積。

2) 更加緊湊。把電機控制器與電機外殼一體化，進一步提升系統集成度。

3) 更加低成本。預計新一代的機電耦合系統(含電機控制器等)，成本將降低30%左右。

6 結束語

G-MC是廣汽研究院主導，國內供應商配合，獨立自主開發的混合動力變速箱，在開發過程中遇到了很多的難題，經過工程師的反復研究和攻關，最終攻克難關得予上市。對比同期上市車型，在動力性和經濟性方面均有明顯的優勢。該系統的成功研制為后續開發積累了豐富的經驗，打下了良好的基礎。