摘要:新能源汽車是全球汽車產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級、綠色發(fā)展的主要方向,也是我國汽車產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的戰(zhàn)略選擇[1],由工信部指導(dǎo)發(fā)布的《節(jié)能與新能源汽車路線圖2.0》,期望2035年混動新車占傳統(tǒng)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(shù)路線。為最大實現(xiàn)最優(yōu)化運行策略,需要測試各模式下系統(tǒng)效率,以制定扭矩分配策略,實現(xiàn)最低油耗?;诖耍饕榻B一款P1+P3兩擋混動專用變速箱(DHT)的系統(tǒng)效率測試工況的制定及測試方法,指導(dǎo)整車制定扭矩分配策略,實現(xiàn)最佳油耗。
關(guān)鍵詞:混動專用變速箱;系統(tǒng)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(xiàn)不同混動驅(qū)動模式,先進高效的機電耦合系統(tǒng)對提升混合動力汽車的競爭力至關(guān)重要。
其中,日本企業(yè)的混動變速箱系統(tǒng)已量產(chǎn)了20多年,如豐田的功率分流系統(tǒng),當前已開發(fā)到第4代,簡稱THS-IV[2];本田開發(fā)的P1+P3單擋變速箱,簡稱I-MMD系統(tǒng)[3]。歐洲開發(fā)的混動變速箱大部分都是基于傳統(tǒng)變速箱平臺化設(shè)計,大部分只能實現(xiàn)并聯(lián)驅(qū)動,無法結(jié)合串聯(lián)和并聯(lián)的優(yōu)勢,如寶馬和大眾都采用P2 AT變速箱結(jié)構(gòu)。國內(nèi)主流的比如比亞迪的DMI系統(tǒng)(P1+P3單擋)、廣汽的GMC 2.0混動系統(tǒng)(P1+P3 2擋)、吉利的雷神動力系統(tǒng)(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(tǒng)效率測試方法,通過臺架實測獲取變速箱的系統(tǒng)效率數(shù)據(jù),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(gòu)介紹
本文研究的2DHT混動專用變速箱動力傳動結(jié)構(gòu)見圖1,傳動系統(tǒng)主要由發(fā)電機、濕式離合器總成、驅(qū)動電機、齒軸等構(gòu)成,其中發(fā)動機和發(fā)電機通過一對齒輪固定連接,同時發(fā)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(qū)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(fā)動機出正扭矩而發(fā)電機為負扭矩,進入P1發(fā)電模式;同時P3電機可以驅(qū)動輪端進入電驅(qū)模式。當離合器閉合時,發(fā)動機可以通過離合器直接將動力傳給輪端,實現(xiàn)發(fā)動機直驅(qū)但兩個電機進入0扭矩空轉(zhuǎn);如果P3電機出正扭或負扭,則能實現(xiàn)發(fā)動機和驅(qū)動電機的并聯(lián)驅(qū)動或并聯(lián)發(fā)電模式。
3 2DHT變速箱系統(tǒng)效率測試
2.1 測試內(nèi)容介紹
2DHT主要的工作模式包含串聯(lián)模式、并聯(lián)模式、純電驅(qū)動。串聯(lián)模式表示發(fā)動機給發(fā)電機發(fā)電,同時驅(qū)動電機驅(qū)動車輛行駛;并聯(lián)模式表示其中一個離合器結(jié)合,發(fā)動機直接驅(qū)動車輛,此時發(fā)動機和驅(qū)動電機可以維持零扭矩空轉(zhuǎn),或者驅(qū)動電機提供扭矩實現(xiàn)并聯(lián)助力或并聯(lián)發(fā)電狀態(tài);純電驅(qū)動與串聯(lián)模式的驅(qū)動電機驅(qū)動工況一致?;谝陨戏治觯?DHT的系統(tǒng)效率測試主要包括以下內(nèi)容:
a.P1發(fā)電系統(tǒng)效率測試。如圖1所示,離合器斷開,輸入軸測功機連發(fā)動機輸入軸,并通過一級齒輪連接發(fā)電機,輸入軸測功機出正扭矩驅(qū)動發(fā)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(zhuǎn)換成電能輸出給臺架電池模擬器。表達式為:
P1發(fā)電系統(tǒng)效率=臺架電池模擬器功率/輸入軸測功機功率
b.P3電驅(qū)系統(tǒng)效率測試。離合器斷開,電池模擬器通過P3電機inverter給驅(qū)動電機輸出電功率,將電池模擬器的電能轉(zhuǎn)換為驅(qū)動電機轉(zhuǎn)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(qū)系統(tǒng)效率=輸入軸測功機功率/臺架電池模擬器功率
c.發(fā)動機驅(qū)動機械效率測試。斷開發(fā)電機轉(zhuǎn)子、驅(qū)動電機轉(zhuǎn)子與齒輪的連接,基于需要測試的發(fā)動機擋位,閉合相應(yīng)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(fā)動機驅(qū)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(tǒng)損耗測試。以P1電機0扭矩系統(tǒng)損耗測試為例,輸入軸測功機轉(zhuǎn)速控,可以將發(fā)電機拉到任意轉(zhuǎn)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(tǒng)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(tǒng)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(xiàn)上文的測試內(nèi)容,需要搭建混動電驅(qū)試驗臺架,并定義好所有的測試工況點、測試邊界及臺架設(shè)備參數(shù),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(qū)試驗臺架。臺架搭建的目的是為了能夠獲取2DHT系統(tǒng)效率結(jié)果的原始數(shù)據(jù),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(jiān)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(dǎo)出2DHT系統(tǒng)效率測試結(jié)果,定義好完整的測試工況點,能有效指導(dǎo)臺架測試工程師完成每一項測試任務(wù),縮短測試時間。測試工況點包含以下幾部分:臺架設(shè)備原始測試數(shù)據(jù),包括電池模擬器的電壓和電流、輸入電機的扭矩和轉(zhuǎn)速、輸出電機的扭矩和轉(zhuǎn)速,這些參數(shù)最終都可以轉(zhuǎn)換成功率用于效率計算被測試變速箱的測試變量,包括發(fā)電機請求扭矩和實際扭矩、驅(qū)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(fā)電機實際轉(zhuǎn)速、驅(qū)動電機實際轉(zhuǎn)速、變速箱油溫、發(fā)電機和驅(qū)動電機的定子溫度、inverter溫度、電子油泵請求轉(zhuǎn)速和實際轉(zhuǎn)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(xiàn),所有的測試變量都可以通過標定設(shè)備和上位機測試獲取。測試邊界及臺架參數(shù)設(shè)置,被測試箱的系統(tǒng)效率的測試邊界,盡可能接近整車環(huán)境。表1示例是P3電驅(qū)動系統(tǒng)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(nèi)部運動零件都要在充分的潤滑環(huán)境下完成一定時間的運轉(zhuǎn),以便獲取更精準的變速箱系統(tǒng)效率。
3.3 測試數(shù)據(jù)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(tǒng)效率=|輸出功率|/|輸入功率|。圖3~圖5是針對2.2所述測試內(nèi)容的系統(tǒng)效率測試結(jié)果。
4 結(jié)語
通過制定合理混動專用變速箱系統(tǒng)效率測試內(nèi)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(tǒng)效率所需的原始測量變量,并轉(zhuǎn)換成各測試內(nèi)容的系統(tǒng)效率值。通過該方法能有效摸索出混動專用變速箱的系統(tǒng)效率結(jié)果,指導(dǎo)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(xiàn)整車最低油耗。
參考文獻:
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作者簡介:
彭超,男,1991年生,工程師,研究方向為混動電驅(qū)總成開發(fā)及TCU軟件控制。