混合動力機電耦合系統效率優化分析

張安偉，祁宏鐘，趙江靈,2，張鵬，朱永明，周文太

(1.廣州汽車集團股份有限公司汽車工程研究院，廣東廣州 511434；2.北京航空航天大學交通科學與工程學院，北京 100191；3.中汽檢測技術有限公司，廣東廣州 510535)

0 引言

伴隨著新能源汽車市場的快速發展，混合動力機電耦合系統產業也得到了快速的發展。各汽車企業都推出了各具特色的混合動力機電耦合產品,如豐田的THS系統、本田的i-MMD系統、通用的Voltec系統、上汽的EDU系統、廣汽的G-MC系統、科力遠的CHS混動系統等。

隨著油耗法規、排放法規的日趨加嚴，各類混合動力系統也在不斷地升級優化。豐田的THS系統已發展四代，主要是通過優化構型及零部件的效率去優化系統的效率，提升整車的經濟性能[1-6]。本田從第一代發展到第三代，系統構型原理一直未變化，都是通過優化零部件的效率和控制來提高系統的效率，進而改善整車的經濟性能。通用在效率優化方面同樣也做了很多工作，主要是優化構型和零部件的效率，如發動機、電池、電機控制器、傳動系統、附件消耗和整車阻力等來提升整車的經濟性能。

開發一套先進的混合動力機電耦合系統，滿足國家油耗法規的同時，優異的動力性能與經濟性能、低廉的成本、高效的傳動效率、平臺化的搭載應用，從而提高產品的競爭力、實現更高的市場占有率，這已成為了各車企的共同目標。

本文作者針對開發中的某機電耦合系統，通過拖曳損耗測試，找到影響機電耦合系統的關鍵因素，提出了液壓系統效率優化、傳動系統效率優化、加油量優化、制動器拖曳扭矩優化、潤滑油黏度的效率優化的措施，通過這些改善，可以有效提高機電耦合系統的效率。

1 豐田THS系統優化方法分析

根據THS系統分析得知，想要大幅度提升整車的效率和經濟性，必須從整車角度對相關零部件進行整體優化。

圖1是豐田的THS系統從第三代到第四代，各零部件對改善經濟性的貢獻率[7～11]。主要優化的因素有：整車的阻力曲線、發動機的熱效率、驅動橋、電機、電機控制器及電池系統。

圖1 豐田THS系統效率優化改善效果

豐田THS系統主要采用以下途徑：

(1)通過優化減速機構(增大驅動電機到輪端的速比)，來改善電機的需求(降低電機扭矩需求，提高轉速需求)，進而實現小型、輕量化；

(2)通過提高電機冷卻技術水平，優化冷卻性能；

(3)通過提高電機驅動單元的效率，實現低損耗化；

(4)通過電機室油室化，取消密封件結構，減少拖曳損耗；

(5)通過結構設計，整車行駛時，將油積在儲油槽中來降低油位，改善攪油損失；

(6)通過將驅動電機的減速機構，由行星齒輪改為定軸斜齒輪副，來提高傳動效率和改善NVH性能；

(7)通過升壓，降低電機和電機控制器的電流，降低損耗，改善油耗；

(8)通過升壓，降低功率半導體的需求，實現小型化、輕量化和低成本；

(9)改善IGBT的冷卻方式，提高功率半導體的功率密度，來改善控制器的效率。

豐田THS系統原理及結構的改進歷程如圖2和圖3所示，其他改進歷程如表1所示。

圖2 THS系統原理改進歷程

圖3 THS系統結構改進歷程

表1 THS部分系統改進歷程

2 混合動力系統效率影響因素分析

想要達到較優的經濟性，必須從整車層面去優化系統效率，在這方面，豐田、本田和通用已經做了很多的工作，且取得了很好的效果。混合動力整車功率損失圖如圖4所示，對經濟性改善主要包含以下幾個方面[12-14]：

圖4 混合動力整車功率損失圖

(1)整車方面：風阻系數、質量、軸荷比、輪胎選型、阻力曲線等；

(2)動力源方面：發動機效率、電機效率、電池效率等；

(3)傳動系統方面：軸齒傳動效率、軸承效率、油封效率、離合器效率、攪油損失等；

(4)液壓系統方面：機械泵效率、電動泵效率、吸濾器效率、油管和油道的壓降等。

根據某車型、某構型對一些因素進行了初步分析，結果如下所示(不同車型、不同構型、不同的策略的結果可能會略有差別)：

(1)風阻系數減小0.01，可降低0.1 L/100 km油耗；

(2)質量每降低50 kg，可降低0.05 L/100 km油耗；

(3)附件消耗功率降低100 W，可降低0.09 L/100 km油耗；

(4)發電機效率每提升0.5%，可降低0.01 L/100 km油耗；

(5)驅動電機效率每提升0.5%，可降低0.03 L/100 km油耗；

(6)發動機平均提升0.5%熱效，可降低0.05 L/100 km油耗；

(7)機械傳動效率提升0.5%，可降低0.03 L/100 km油耗。

通過以上分析得知，改善整車風阻系數、整車質量、附件功率、電機效率、發動機效率、機械傳動系統效率等因素，都可以降低油耗，改善整車的經濟性。

為了有效地提高機電耦合系統的效率，用魚骨圖對影響效率的因素進行了分析，如圖5所示。

圖5 效率影響因素

3 機電耦合系統拖曳損耗檢測

機電耦合系統樣機開發一般會經歷幾個階段，在開發初期，通過測試機電耦合系統在無負荷狀態，各溫度下的總成內阻以及部分零件拖曳或損耗，可以發現是否存在零部件設計超差，導致機電耦合系統的阻力矩偏大，影響整機的系統效率，在后期開發中優化，以提升系統的效率。

圖6和圖7為混合驅動模式在30 ℃和90 ℃時零部件功率消耗對比。

圖6 零部件功率損耗對比(30 ℃)

圖7 零部件功率損耗對比(90 ℃)

通過該試驗可以得出：

(1)在120 km/h時，30 ℃系統總損耗為4.7 kW，90 ℃系統總損耗為4 kW；

(2)系統損耗中占比最大的為機械泵與油泵齒輪的損耗，約占總損耗的50%，其中機械油泵是做有用功，而機械油泵齒輪為無用功；

(3)在120 km/h時，制動器的拖曳損耗，30 ℃時為0.46 kW和90 ℃時為0.78 kW，拖曳損耗偏大。

4 機電耦合系統效率優化方法

4.1 液壓系統效率優化

液壓系統的工作示意圖如圖8所示。

圖8 液壓系統損耗分析

針對液壓系統，分析了幾種不同的損耗，并制定了對應的措施：

(1)對于油泵的損失，優化了機械泵的油壓及流量需求，以降低機械泵的能耗，同時優化了機械泵齒輪的布置位置和速比，減少油泵齒輪的攪油損失；

(2)對于冷卻損失，通過整車的環模試驗，降低電機和離合器、軸齒的冷卻潤滑需求，從而降低液壓系統的流量需求，以達到降低冷卻潤滑的損失的目的；

(3)對于溢流損失，優化了主油壓和離合器回路的溢流損失；

(4)對于阻力損失，優化了殼體油道的流阻、控制元件的流阻；

(5)對于泄漏損失，優化了殼體的油道、閥板，以減少泄漏。

4.2 傳動系統效率優化

建立CFD仿真模型，通過攪油仿真分析所有軸承、齒輪、電機等零部件的冷卻潤滑是否足夠，降低冷卻潤滑風險，優化傳動系統的效率，如圖9所示。主要有以下措施：

圖9 攪油仿真分析

(1)通過優化殼體結構和增設導油槽、優化軸系布置結構，在滿足軸齒的冷卻潤滑的需求上，盡量減少噴濺到齒輪的潤滑油，以減小攪油損失；

(2)通過分析不同傾角下，機電耦合系統對潤滑油的需求，以確定最小的加油量，以減小攪油損失；

(3)通過噴油管定向、定點噴油，減少不必要的攪油損失；

(4)通過設置單獨的液壓模塊腔體，使液壓模塊腔體的潤滑油不能參與攪油，可減少攪油損失。

4.3 加油量優化

通過殼體結構的優化，減少系統的加油量，以減少傳動系統的攪油損失，優化前后對比如圖10所示。

圖10 殼體優化前后對比

(1)差速器位置向內部壓縮，減少空腔體積；

(2)吸濾器安裝空腔向內部壓縮，減少空腔體積；

(3)P擋位置移動到中間，原位置腔體收縮，減小殼體內部空腔。

4.4 制動器的優化

通過分析，制動器的油路原理如圖11所示，拖曳扭矩大的原因是排油不暢。通過優化制動器的結構，同時增加徑向甩油槽，來解決制動器的排油不暢，以減小拖曳扭矩，提高系統的效率。

圖11 優化前制動器結構

4.5 潤滑油黏度的優化

潤滑油品的黏度對齒輪傳動系統的效率影響也很明顯。黏度越大，齒輪傳動系統的效率越低。而潤滑油品的黏度隨溫度的變化而變化，對兩款潤滑油品的黏度進行了檢查，結果如圖12所示。機電耦合系統，采用小黏度的油品，進一步改善系統的效率。

圖12 潤滑油油品黏溫曲線

5 系統效率優化測試結果

為此設計了混合動力總成的效率測試臺架，其原理圖和實物圖如圖13和圖14所示。

圖13 效率測試臺架原理

圖14 效率測試臺架實物圖

輸入功率為電機控制器直流端輸入電功率，輸出功率為臺架輪端測功機總機械功率，效率計算公式為

式中：η系統為DHT的系統效率(%)；n輪為輪端測功機轉速(r/min)；T輪為輪端測功機轉矩(N·m)；P直流為電機控制器直流端輸入電功率(kW)。

通過效率優化后的測試，發現所提出的效率優化措施能有效提高系統的效率，測試結果如表2所示。低速低扭段的效率改善最明顯，提高了5.54%。這是由于低速低扭段的輸入總功率較小，降低損耗，對效率提升會更明顯。在高速高扭段，效率也提升了0.76%。通過效率優化，機電耦合系統效率達到了92.69%。

表2 機電耦合系統效率改善效果

6 結論

想要達到較優的經濟性，必須從整車層面去優化系統效率，在這方面，豐田、本田和通用已經做了很多的工作，且取得了很好的效果。

文中針對開發中的某機電耦合系統，通過拖曳損耗測試，找到影響機電耦合系統的關鍵因素，提出了液壓系統效率優化、傳動系統效率優化、加油量優化、制動器拖曳扭矩優化、潤滑油黏度的優化的措施。通過機電耦合系統總成的效率測試，機電耦合系統的各工作點的效率均有所改善。低速低扭段的效率改善最明顯，提高了5.54%。在高速高扭段，效率也提升了0.76%。通過效率優化，機電耦合系統效率達到了92.69%。試驗結果表明，文中所提出的效率優化方法是有效的。