用于混合動力車和電動車的低成本傳動模塊

1 動力傳動系統(tǒng)的工作方式

IAV汽車工程公司開發(fā)的低成本傳動模塊是一種可有效優(yōu)化成本的專用混合變速器(DHT)，可用于替代混合動力方案。與眾所周知的混合動力傳動方案[1-3]相比，該模塊化方案致力于將工作效率及技術(shù)含量最大化并且盡可能降低成本費用。

該方案的參數(shù)選擇和結(jié)構(gòu)設(shè)計需要采用系統(tǒng)預(yù)開發(fā)的方式。為了完成該項挑戰(zhàn)，IAV汽車工程公司采用了傳動系統(tǒng)合成方法[4]，以此得到處于最佳工況的內(nèi)燃機、變速器和電機的技術(shù)組合。

2 傳動模塊的結(jié)構(gòu)

傳動模塊由4種不同的基本結(jié)構(gòu)組成，電動車(EV)和混合動力車(HEV)分別各有2種結(jié)構(gòu)方案(圖1)。所有傳動模塊方案的主要特點是配備有多種連接可能性的統(tǒng)一齒輪組，以便連接內(nèi)燃機、電機和換檔部件，從而可最大程度地利用相同零件以實現(xiàn)可變的傳動功能。

圖1 用于電動車和混合動力車的傳動模塊，具有1～ 4種傳動部件結(jié)構(gòu)和特性方案(AB=輸出)

用于電動車的方案1和2是具有3個檔位的模塊化傳動結(jié)構(gòu)，其中方案1代表一種非常簡單的自動變速器(AT)，它可完全根據(jù)驅(qū)動力來進行換檔，并且采用簡化的雙離合器原理，通過特殊定位和單個摩擦離合器以達到降低傳動系統(tǒng)的復(fù)雜性和減少零件數(shù)的開發(fā)目標。下文詳細描述了功率分配和換檔過程。

方案2通過取消摩擦離合器可進行進一步簡化。該方案具有3個檔位，同時也包含了用于電動車的固定兩級傳動速比的標準型傳動系統(tǒng)，由于取消了摩擦離合器，而采用一種在換檔期間可中斷驅(qū)動力輸出的機械式自動變速器(AMT)。在爪式離合器打開時，可借助電機通過轉(zhuǎn)速同步的輔助方式使駕駛員察覺到無驅(qū)動力輸出的工作狀態(tài)。

另一個開發(fā)目標是采用由電動車衍生出的傳動齒輪組以實現(xiàn)混合驅(qū)動的目標。為此采用方案3(見圖1)，內(nèi)燃機通過模塊組合式變速器上的分離離合器與3個檔位相連接。針對此類傳動布局而進行的方案研究表明，3檔變速器對于限制最高車速的小型車輛在燃油耗和行駛功率之間采用了折中方案。

為使結(jié)構(gòu)型式進一步緊湊化，從而開發(fā)了另一種傳動結(jié)構(gòu)，將內(nèi)燃機與電機固定連接在不同檔位上來替代離合器，此時驅(qū)動方式(電機驅(qū)動、混合動力驅(qū)動和內(nèi)燃機驅(qū)動)被分配到傳動系中某個確定的功率傳遞路徑上，從而減少了所需的換檔部件。在方案4中，電機能夠通過2個爪式離合器分別與第一檔位或第二檔位相連接，而內(nèi)燃機則通過摩擦離合器連接到第二檔位或第三檔位，因此以降低燃油耗為目標的混合動力運行策略的典型特性將直接傳遞到該傳動結(jié)構(gòu)中。出于該原因，方案4即為DHT，該變速器具有最少的檔位、運行模式和零部件。

3 采用單級離合器根據(jù)負荷換檔的過程

為了說明僅用單摩擦離合器即可依據(jù)負荷狀態(tài)進行換檔的過程，圖2示出了換檔階段及其相應(yīng)的功率傳遞途徑。該行駛狀況由電機起動開始，借助于換檔部件A通過爪式離合器掛入第一檔(階段Ⅰ)。轉(zhuǎn)換到第二檔時，扭矩傳遞從第一檔轉(zhuǎn)換到第二檔，為此換檔部件C首先閉合，接著通過持續(xù)閉合的摩擦離合器E實現(xiàn)扭矩的傳遞。在階段Ⅱ結(jié)束時，幾乎所有的驅(qū)動扭矩均由第二檔齒輪和滑差式離合器E進行傳遞。

圖2 方案1牽引傳動時根據(jù)負荷換檔的過程(從第一檔 轉(zhuǎn)換到第二檔的換高檔過程實例的功率傳遞途徑)

只要電機或內(nèi)燃機具有足夠的的扭矩儲備或功率儲備，就能補償離合器的摩擦損失，在整個過程期間為車輛提供無中斷的驅(qū)動扭矩。從換檔部件A打開時刻起，動力驅(qū)動(電機/內(nèi)燃機)與從動部件之間就不存在運動連接。在下一個換檔的過程階段，通過電機的脈沖式扭矩降低方式使惰轉(zhuǎn)齒輪2的轉(zhuǎn)速得以同步化。

在該過程期間，由作用于換檔部件E上的力控制傳動扭矩(階段Ⅲ)。一旦與輸入軸的轉(zhuǎn)速差減小到約50 r/min以下，爪式離合器B閉合，該換檔過程結(jié)束。從第二檔至第三檔的換檔過程與之相類似。牽引力無中斷的換低檔過程采用與上述階段相反的順序進行。除了連續(xù)的換高檔和換低檔之外，這種變速器也能在第一檔和第三檔之間實現(xiàn)牽引力無中斷的直接換檔過程。

4 方案研究

表1除了傳動系統(tǒng)參數(shù)和常數(shù)之外還涵蓋了目標值和邊界條件等重要信息。在方案研究中考慮了所有參數(shù)和特性場完整的組合變化，并分別進行了全球統(tǒng)一的輕型車測試程序(WLTP)燃油耗和行駛性能的分析。由于要在應(yīng)用技術(shù)費用最低的3個平行的變速器檔位的情況下，達到最低的燃油耗并滿足所需的行駛功率目標值。對傳動系統(tǒng)的優(yōu)化過程而言，可謂一大挑戰(zhàn)。為此，多種多樣的內(nèi)燃機與不同的變速器相組合，以此可最優(yōu)地使用內(nèi)燃機和電機。

對于傳動模塊的一個重要規(guī)定是需使用48 V直流電壓，以便能限制系統(tǒng)安全方面的復(fù)雜性并且降低傳動系統(tǒng)的總成本。對于系統(tǒng)功率為60 kW的電動車而言，需提供較高的電壓。

5 傳動模塊方案研究的結(jié)果

圖3示出了采用自然吸氣發(fā)動機的傳動系統(tǒng)方案的燃油耗和加速時間的關(guān)系。所有配置參數(shù)沒有高于或低于標準規(guī)范的都是有效的傳動系統(tǒng)方案。圖中所標出的曲線示出了3檔和4檔變速器的Pareto前鋒，它們分別表示燃油耗和行駛功率之間所能達到的最佳折中。對圖3所示出的敏感度分析表明，兩檔變速器在整車質(zhì)量相對較輕的同時已無法滿足有關(guān)燃油耗方面的要求。

表1 用于傳動系方案研究的參數(shù)、常數(shù)、目標值和邊界條件

圖3 帶有2、3、4檔變速器的自然吸氣發(fā)動機在WLTP 行駛循環(huán)中燃油耗與加速時間的關(guān)系

此外，已證實使用3檔變速器能達到最低的燃油耗，但是可達到的行駛功率卻有所降低。與性能最為優(yōu)越的3檔變速器相比，4檔變速器在WLTP行駛循環(huán)中的節(jié)油潛力并不大。

6 優(yōu)化結(jié)果

為了客觀評價所有試驗方案，下一步需進行多標準效益分析，從而得到所有傳動方案的優(yōu)先次序。為此，表2示出了加權(quán)系數(shù)和從最終得到的最佳傳動系統(tǒng)配置及其性能。

總效益最高的方案包括了最大扭矩為105 N·m和最大功率約為68 kW的1.0 L自然吸氣汽油機。采用這種配置能達到表1所示的所有目標值和要求，并具有最低的系統(tǒng)復(fù)雜性和制造成本。

表2 用于評價方案研究的最終結(jié)果

7 方案開發(fā)

在表2所示的優(yōu)化結(jié)果基礎(chǔ)上，由于在使用最少的零件和最小的結(jié)構(gòu)空間的同時具有足夠的運行模式，因而需更仔細地驗證DHT方案。正如圖4所示，它涉及到一種與手動和自動變速器高度相似的模塊化變速器結(jié)構(gòu)，因為僅需要3個圓柱正齒輪級和3個換檔部件，因而能夠?qū)崿F(xiàn)較短的軸向長度和較輕的總質(zhì)量。為了優(yōu)化結(jié)構(gòu)空間和成本，使用爪式離合器時可進行惰轉(zhuǎn)齒輪的換檔。總之，采用當(dāng)前的方案就能使總軸向長度縮短為349 mm。

圖4 傳動模塊的變速器設(shè)計和3D方案研究

齒輪組的開發(fā)首先要關(guān)注簡單的制造工藝和傳動比，使其具有盡可能高的靈活性，以此具有統(tǒng)一外殼和統(tǒng)一齒輪組的傳動模塊就可應(yīng)用于多種多樣的車型。除此之外，該方案只要采用浮動軸承-固定支承原理，就能保持較小的傳動比損失，從而達到較高的總效率。

方案中所包括的諸如換檔執(zhí)行機構(gòu)以及冷卻液和潤滑劑供應(yīng)裝置等外圍部件的設(shè)計，主要關(guān)注其成本效益、降低復(fù)雜性和減少損失等方面。在該邊界條件下力爭采用眾所周知的手動變速器(MT)的通用件，特別是換檔部件E，由于其換檔負荷較小也可采用摩擦離合器，除了能降低總成本之外還能減少運行損失。

為了使電機和內(nèi)燃機可實現(xiàn)分開換檔，用于惰轉(zhuǎn)齒輪的換檔部件被換成單個分段式換檔套筒，并帶有2個電換檔執(zhí)行器,以此可隨著運行工況和檔位變換而采用靈活的換檔策略。由于采用了電控系統(tǒng)，因而能明顯降低液力系統(tǒng)的成本，其中采用了一個緊湊的48 V電動機油泵，即可滿足要求，并確保電機的冷卻和齒輪組的潤滑。機電式換檔部件的控制和潤滑劑的供應(yīng)有助于使整個傳動系統(tǒng)的運行損失降至最低。

齒輪組和附屬的外圍部件被設(shè)計成輕型結(jié)構(gòu)，包括上述部件在內(nèi)的總質(zhì)量(包括電機和單質(zhì)量飛輪)僅為42.1 kg。小于350 mm的較短軸向尺寸和較輕的運行質(zhì)量，展示了包括結(jié)構(gòu)和零部件優(yōu)化在內(nèi)的整個傳動系設(shè)計過程中所顯現(xiàn)出的潛力。

8 電機

針對多用途設(shè)計的電機是混合傳動系統(tǒng)中的核心部件。其外形尺寸受到結(jié)構(gòu)空間、峰值功率、電流密度、效率和持續(xù)功率等方面因素的影響，而且為滿足該類要求所采用的技術(shù)也是多樣化的，這就需要從設(shè)計階段初始就進行仔細分析。為此，應(yīng)用了一種特殊方法(IAV電機合成法[5])來制定系統(tǒng)參數(shù)方案，以便能在一個較大的參數(shù)場中改變電傳動的電性能、幾何學(xué)性能和磁性能。

對于每一種虛擬電機都要進行自動有限元法(FEM)試驗，以便查明其詳細性能，并通過效率分析驗證最佳的電機參數(shù)。圖5示出了用于混合動力模塊的電機配置及其性能概況。為了在有限的軸向結(jié)構(gòu)空間和相電流受限的范圍內(nèi)能實現(xiàn)寬廣的恒定功率，選擇了一種配備有10個線圈繞組的永磁同步電機(PMSM)。

圖5 用于傳動模塊混合動力方案的電機有限元法(FEM)通量優(yōu)化和特性參數(shù)

著眼于降低成本的制造工藝，采用了定子疊片鐵芯作為極鏈系統(tǒng)，為此每個線圈均勻地環(huán)繞定子元件的10個齒進行纏繞，這也包括線圈與整個繞組系統(tǒng)之間的部分連接。按照該方法旋繞定子疊片鐵芯，封閉包括預(yù)裝配繞組在內(nèi)的極鏈。由來自電動機油泵單元的機油進行冷卻。

9 總結(jié)和結(jié)論

IAV汽車工程公司介紹了一種低成本傳動模塊，用于混合動力車和電動車，具有較高結(jié)構(gòu)靈活性的同時，還具有技術(shù)成本低的優(yōu)點。這種模塊最多可在3種行駛速度等級的范圍內(nèi)改變其檔位數(shù)，僅使用一種摩擦離合器即可在牽引運行期間實現(xiàn)按負荷換檔需求。在該研究框架下，已對眾多電機和變速器進行了試驗，由此所得到的結(jié)果表明，通過優(yōu)化內(nèi)燃機、變速器和電機的參數(shù)選擇和結(jié)構(gòu)設(shè)計，在考慮到所需的行駛功率的情況下僅用3個檔位就能實現(xiàn)最低的燃油耗。

DHT方案符合設(shè)計要求，軸向結(jié)構(gòu)長度為349 mm，總質(zhì)量為42.1 kg(包括了電機與單質(zhì)量飛輪)。傳動模塊的混合動力方案包含有一臺48 V永磁同步電機，具有較高的扭矩密度、效率最佳的繞組技術(shù)和低成本的制造工藝。