混動專用變速箱的系統效率測試方法研究

摘要：新能源汽車是全球汽車產業轉型升級、綠色發展的主要方向，也是我國汽車產業高質量發展的戰略選擇[1]，由工信部指導發布的《節能與新能源汽車路線圖2.0》，期望2035年混動新車占傳統燃油車的比例達到100%，混動乘用車平均油耗達到4 L/100 km，各車企均選擇了混動專用變速箱技術路線。為最大實現最優化運行策略，需要測試各模式下系統效率，以制定扭矩分配策略，實現最低油耗。基于此，主要介紹一款P1+P3兩擋混動專用變速箱（DHT）的系統效率測試工況的制定及測試方法，指導整車制定扭矩分配策略，實現最佳油耗。

關鍵詞：混動專用變速箱；系統效率；油耗

中圖分類號：U467.5 收稿日期：2024-10-20

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2024.12.023

1 前言

混動變速箱是混動動力汽車的核心部件，混動變速箱不同的機電耦合方式可以實現不同混動驅動模式，先進高效的機電耦合系統對提升混合動力汽車的競爭力至關重要。

其中，日本企業的混動變速箱系統已量產了20多年，如豐田的功率分流系統，當前已開發到第4代，簡稱THS-IV[2]；本田開發的P1+P3單擋變速箱，簡稱I-MMD系統[3]。歐洲開發的混動變速箱大部分都是基于傳統變速箱平臺化設計，大部分只能實現并聯驅動，無法結合串聯和并聯的優勢，如寶馬和大眾都采用P2 AT變速箱結構。國內主流的比如比亞迪的DMI系統（P1+P3單擋）、廣汽的GMC 2.0混動系統（P1+P3 2擋）、吉利的雷神動力系統（P1+P2 3AT）。

本文主要研究某P1+P3兩擋混動專用變速箱（電機油冷）的工作模式及各模式下的系統效率測試方法，通過臺架實測獲取變速箱的系統效率數據，以便HCU合理決策2DHT的工作模式并制定合理的能量管理策略。

2 P1+P3 2DHT混動架構介紹

本文研究的2DHT混動專用變速箱動力傳動結構見圖1，傳動系統主要由發電機、濕式離合器總成、驅動電機、齒軸等構成，其中發動機和發電機通過一對齒輪固定連接，同時發動機分別通過一對齒輪連接到濕式離合器的主動端；離合器被動端通過一對減速齒輪連接到差速器輸出端及輪端；驅動電機通過兩對齒輪與差速器輸出端和輪端固定連接。

當離合器打開時，發動機出正扭矩而發電機為負扭矩，進入P1發電模式；同時P3電機可以驅動輪端進入電驅模式。當離合器閉合時，發動機可以通過離合器直接將動力傳給輪端，實現發動機直驅但兩個電機進入0扭矩空轉；如果P3電機出正扭或負扭，則能實現發動機和驅動電機的并聯驅動或并聯發電模式。

3 2DHT變速箱系統效率測試

2.1 測試內容介紹

2DHT主要的工作模式包含串聯模式、并聯模式、純電驅動。串聯模式表示發動機給發電機發電，同時驅動電機驅動車輛行駛；并聯模式表示其中一個離合器結合，發動機直接驅動車輛，此時發動機和驅動電機可以維持零扭矩空轉，或者驅動電機提供扭矩實現并聯助力或并聯發電狀態；純電驅動與串聯模式的驅動電機驅動工況一致。基于以上分析，2DHT的系統效率測試主要包括以下內容：

a.P1發電系統效率測試。如圖1所示，離合器斷開，輸入軸測功機連發動機輸入軸，并通過一級齒輪連接發電機，輸入軸測功機出正扭矩驅動發電機出負扭，并共通過P1電機inverter（電機控制器）將測功機的機械能轉換成電能輸出給臺架電池模擬器。表達式為：

P1發電系統效率=臺架電池模擬器功率/輸入軸測功機功率

b.P3電驅系統效率測試。離合器斷開，電池模擬器通過P3電機inverter給驅動電機輸出電功率，將電池模擬器的電能轉換為驅動電機轉子的機械能，并通過兩級齒輪輸出給輸出軸測功機。表達式為：

P3電驅系統效率=輸入軸測功機功率/臺架電池模擬器功率

c.發動機驅動機械效率測試。斷開發電機轉子、驅動電機轉子與齒輪的連接，基于需要測試的發動機擋位，閉合相應的離合器（只能閉合一個），輸入軸測功機出正扭矩，動力通過一級齒輪副、離合器、主減齒輪副傳遞給輸出軸測功機。表達式為：

發動機驅動機械效率=輸出軸測功機功率/輸入軸測功機功率

d.P1和P3電機零扭矩系統損耗測試。以P1電機0扭矩系統損耗測試為例，輸入軸測功機轉速控，可以將發電機拉到任意轉速，此時P1電機inverter控制P1電機為0 N·m，但實際該扭矩可能存在偏差±3 N·m，表達式為：

P1零扭矩系統損耗=臺架電池模擬器功率+輸入軸測功機功率

同理：

P3零扭矩系統損耗=臺架電池模擬器功率+輸出軸測功機功率

3.2 測試方法介紹

為了實現上文的測試內容，需要搭建混動電驅試驗臺架，并定義好所有的測試工況點、測試邊界及臺架設備參數，完成所有工況點的測試。具體如下：

a.首先搭建三電機混動電驅試驗臺架。臺架搭建的目的是為了能夠獲取2DHT系統效率結果的原始數據，臺架的傳動系搭建示意圖見圖2，輸入電機1（輸入軸測功機）與被測試變速箱3的輸入軸連接，輸入扭矩儀可實時測量輸入電機1的扭矩。被測試變速箱3的輸出端連接傳動軸6，左右輸出端分別連接負載電機（輸出軸測功機）。此外，還需要在被測試變速箱3的雙電機集成inverter（電機控制器）的高壓直流母線端口安裝高壓線束，高壓線束另一端通過銅鼻子連接到臺架的電池模擬器，以便實時監控inverter直流母線的電壓和電流；同時臺架需要定制尺寸合適冷卻管路，接臺架冷卻液給被測試變速箱的inverter和油冷器進行冷卻或加熱。

b.定義測試工況點。測試工況點能夠推導出2DHT系統效率測試結果，定義好完整的測試工況點，能有效指導臺架測試工程師完成每一項測試任務，縮短測試時間。測試工況點包含以下幾部分：臺架設備原始測試數據，包括電池模擬器的電壓和電流、輸入電機的扭矩和轉速、輸出電機的扭矩和轉速，這些參數最終都可以轉換成功率用于效率計算被測試變速箱的測試變量，包括發電機請求扭矩和實際扭矩、驅動電機請求扭矩和實際扭矩、變速箱請求擋位和實際擋位、發電機實際轉速、驅動電機實際轉速、變速箱油溫、發電機和驅動電機的定子溫度、inverter溫度、電子油泵請求轉速和實際轉速。以上所有的請求變量，都需要通過變速箱標定手段來實現，所有的測試變量都可以通過標定設備和上位機測試獲取。測試邊界及臺架參數設置，被測試箱的系統效率的測試邊界，盡可能接近整車環境。表1示例是P3電驅動系統的測試邊界定義。

c.完成測試。在滿足上述邊界條件下，可以開始對所有的工況點進行測試，并采集測試變量，但在開始測試前需要先完成磨合試驗，所有變速箱內部運動零件都要在充分的潤滑環境下完成一定時間的運轉，以便獲取更精準的變速箱系統效率。

3.3 測試數據分析

基于上文獲取的各工作模式下每個工況點的測試變量，反算出輸出功率和輸入功率，表達式為：系統效率=|輸出功率|/|輸入功率|。圖3～圖5是針對2.2所述測試內容的系統效率測試結果。

4 結語

通過制定合理混動專用變速箱系統效率測試內容及工況點，利用三電機混動臺架和標定測試手段，可以測試出系統效率所需的原始測量變量，并轉換成各測試內容的系統效率值。通過該方法能有效摸索出混動專用變速箱的系統效率結果，指導混動扭矩分配策略的制定，如果混動標定工程師有其它工況點要求，可以增加測試工況，該方法最終有利于實現整車最低油耗。

參考文獻：

[1]新能源汽車是我國汽車產業高質量發展的戰略選擇[EB/OL].（2023-06-21）[2024-10-15].https：/www.gov.co/xin wen/jdzc/202306/content＿6887665.htm.

[2]Nobuyasu S.Development of New Hybrid Transaxle for Mid-Size Sports Utility Vehicles[J].SAE Technical Paper，2020-01-0850.

[3]Machida J.Development of intelligent Power Unit for 2018 Model Year Accord Hybrid[J].SAE Tchincal Paper，2019-01-0592.

[4]Kim N J.Analysis of Transmission Efficiency of a Plug-In Hybrid Vehicle Based on Operating Modes[J].International Journal of Precision Engineering and Manufacturing Green Technology[J]，2021，192：153-162.

作者簡介：

彭超，男，1991年生，工程師，研究方向為混動電驅總成開發及TCU軟件控制。