一種基于傳統變速箱的48V P3并聯式混動傳動系統

杜新樂 王全任 陳 凱

(泛亞汽車技術中心有限公司，上海 201201)

0 前言

隨著國家油耗要求越來越高，整車企業實施混合動力策略、布局混合動力產品已是大勢所趨。對傳統車企而言，既要擁抱新能源帶來的變革又要保持現有傳統產品的轉型升級，基于傳統車型的混合動力策略是傳統車企戰略需求。48V P0微混系統是最早在傳統車型上實施的經濟混動方案，性價比較高，各大車企尤其是歐洲車企在2018年開始陸續配置量產，據HIS預測如圖1，到2025年全球48V微混車輛將超過1,200萬。隨著48V微混平臺的成熟以及國家排放法規的進一步提高，48V P0混動系統面臨更新換代的需求，需要提前尋找潛在的性能改進優化方案。

注：數據來源HIS

1 混動結構選型

第一代48V系統采用P0混動構型，和其它節油技術相比，具有高性價比、高安全性和高適用性等特點，但是P0系統處于發動機前端，電機功率和傳動效率較低且無法單獨驅動車輛運行。

圖2 不同構型下電機位置示意圖

48V混動系統為了追求更高的油耗性能，需要提高電機功率，按照48V電池瞬時最大電流530A@10s的放電能力，電機最大功率可以做到20 kW～25 kW，并盡量靠近車輪端以獲得更好的電驅效率和能量回收效率。常見的48V混動構型比較見表1，顯然P0/P1系統無法滿足要求。由于P4系統車輛需要新增后驅系統，改動量和成本增加較多，而P3方案相較P2系統有更好的布置空間，綜合比較48V P3系統更適合傳統車輛改動量較小條件下實現。

表1 48V混動構型比較表

P3系統結合傳統變速箱實現較為容易，在主減速齒輪上的電驅耦合也有最廣泛的適用性，適合MT/AMT/CVT/DCT/AT等所有具有主減速結構的傳統變速箱形式。

本文將著重介紹一種基于傳統CVT變速箱集成平行軸式并聯48V P3電機混動方案。

2 基于CVT變速箱的48V P3混動系統

2.1 傳動系統概述

現有48V微混動車型主要具有發動機動力助力、調整發動機行駛工況、怠速和行駛充電、制動能量回收等功能，48V P3車型由于擁有更大功率的電機以及更直接的傳動鏈，可以實現整車純電行駛、電動起步、電動倒車等48V P0系統不具備的功能，另外，在調整發動機行駛工況、怠速和行駛充電、制動能量回收等方面都比48V P0系統有所提高，基于以上的功能分析，CVT變速箱的48V P3混動系統需要具有支持以上整車功能實現的能力，即既支持傳統動力總成的動力傳遞，又具備P3介入后的豐富功能，可以支持實現車輛的純電行駛、混合動力行駛、傳統動力行駛的驅動模式。

為了實現以上目標，本方案將P3電機將通過一套平行軸式的電驅傳動系統與傳統動力在主減速齒輪上進行能量耦合，為了提高驅動和充電效率，電驅動系統將至少擁有一個驅動檔位和一個充電檔位；為了支持電機驅動和充電檔位之間的切換，需要設計一套高效的換擋機構。

表2 P3和傳統48V微混功能對比表

2.2 傳動系統介紹

基于傳統CVT增加P3混動系統的傳動系統如圖3所示，發動機和變速箱的連接以及發動機傳統動力傳遞結構不變，在中間軸上新增一套單向離合器C2，支持在純電行駛等工況下，按照需求斷開傳統動力。

圖3 基于傳統CVT增加P3混動系統的傳動系統圖

新增一套二軸式平行軸電驅傳動機構，驅動電機與電機驅動軸1共軸連接，驅動軸上裝有齒輪2和齒輪3，齒輪2和電驅軸1固定連接，齒輪3和中間軸上的齒輪1常結合，齒輪3旁設同步器S1′，通過S1′可以實現齒輪3和電驅軸的接合或斷開。齒輪4和齒輪5布置在電驅軸2上，齒輪4旁設同步器S1，齒輪5與電驅軸2固定連接。除驅動電機外，所有傳統CVT傳動機構和P3電機驅動機構都包裹在殼體內，集成度更高且更容易實現高效潤滑。

2.3 動力切換結構介紹

平行軸式的電動傳動機構設有二個同步器機構，每個同步器機構負責一個齒輪的動力結合和斷開，為了更緊湊的實現動力切換，設計兩個撥叉聯動設計，使用為同一個P3液壓缸控制，銷連接實現聯動。如附圖4，兩端設置機械限位，僅驅動和充電兩檔，不設空擋，控制簡單。優點是液壓缸一側為液壓推動，一側為彈簧回位實現電機驅動檔，降低整個系統能耗；成本低，結構緊湊，節省變速箱空間。

圖4 高效的P3系統動力切換機構示意圖

2.4 電機集成方案和布置

P3電機推薦使用直流永磁同步電機，將電機整體地安裝在電驅動軸上，和電動驅動系統形成整體電驅系統。永磁同步電機和電機控制逆變器集成一起，冷卻方式采用水冷冷卻方式。

永磁同步電機的優點如下[1-2]：

(1)永磁同步電機本身的功率效率高以及功率因數高；

(2)永磁同步電機發熱小，因此電機冷卻系統結構簡單、體積小、噪聲小；

(3)電機和逆變器采用一體式設計結構，集成度高，空間優化且性能有保證；

(4)永磁同步電機允許的過載電流大，可靠性顯著提高；

(5)整個傳動系統重量輕，單位重量功率大；

(6)由于齒輪傳動系統和CVT一體設計，P3傳動系統集成度高，可對轉向架系統隨意設計：如柔式轉向架、單軸轉向架，使列車動力性能大大提高。

(7)由于采用了永磁材料磁極，特別是采用了稀土金屬永磁體(如釹鐵硼等)，其磁能積高，可得到較高的氣隙磁通密度，因此在容量相同時，電機的體積小、重量輕。

(8)轉子沒有銅損和鐵損，也沒有集電環和電刷的摩擦損耗，運行效率高。

(9)轉動慣量小，允許的脈沖轉矩大，可獲得較高加速度，動態性能好，結構緊湊，運行可靠。

綜上所述，永磁同步電機集成逆變器的設計，更能發揮P3電機的優勢。

2.5 動力傳動模式的實現

通過C2離合器和S1、S1′的動作，實現動力流的多模式切換，不同檔位的結合可以控制P3電機有無扭矩需求，也可以實現P3電機在合適工況或者電池饋電條件下，通過扭矩控制實現電機在行駛中發電功能，優化傳動效率，同時支持整車的行駛功能及實現充電模式和能量回收，如表3所示：

表3 混動傳動功能模式表

(1)通過C2離合器結合，S1斷開，S1′聯動同步器斷開，可以實現傳統動力驅動車輛；

(2)純電起步和行駛模式下，C2離合器斷開，S1結合，電機驅動電驅軸1和齒輪2，通過齒輪4進而通過S1傳遞到電驅軸2，通過齒輪5最終傳遞到主減速齒輪，實現電驅動力朝車輪方向傳輸；

(3)混動模式下，C2離合器結合，S1結合，則發動機和P3電機共同驅動車輛，進而獲得更好的車輛加速性能；P3電機可以通過轉速方向切換實現前進和倒擋起步以及行駛的需求；

(4)怠速充電下，C2離合器脫開，S1′結合，發動機怠速動力由齒輪1傳遞到齒輪3，進而傳遞到電驅軸1，最終傳遞給電機來進行發電；

(5)此系統同時支持行駛中充電，C2、S1和S1′的開關狀態和混動模式的動力行駛相同，通過電機出負向扭矩來實現發動機動力通過P3來發電的功能；

(6)該系統支持剎車制動能量回收，在電機驅動條件下剎車，不改變動力傳遞路徑，通過控制P3電機出負向扭矩來阻止車輛行駛并發電，在傳統發動機驅動車輛或混合動力行駛時，則使用P3電機出負向扭矩，通過主減速齒輪、齒輪1、齒輪3和電驅動軸來實現電機發電充入電池。

2.6 傳動系統布局總覽

通過集成CVT傳統系統、電驅傳動系統、電驅控制系統、集成電機和逆變器的永磁同步電機系統，實現基于CVT的P3混動系統，該系統緊湊高效且便于布置，對傳統車型前倉空間較為有利，在基本不改變現有前倉布局下，在SGM某車型完成布置工作，滿足布置和周邊轉向機、發動機排氣管、發動機、半軸等周邊零件的間隙要求，具備應用條件。

圖5 P3電機與傳統CVT集成示意圖

3 混動系統樣箱建造

為了驗證本文提出的48V P3并聯式混動傳動系統的方案，本司相關技術團隊完成了將上述技術方案實現的混動系統樣箱試制，如圖6。并順利通過下線測試，驗證了C2離合器和P3檔位切換機構的控制初步滿足本文方案的技術假設。

圖6 混動系統樣箱建造

4 混動系統臺架試驗

為了近一步驗證本文提出的48V P3并聯式混動傳動系統的方案，本司相關技術團隊同時完成了混動系統臺架的搭建，并依據臺架近一步完善了控制模型的搭建和測試環境的搭建，對控制系統不停地進行優化和迭代。

圖7 混動系統臺架試驗

4.1 控制模型搭建

將混動模式控制、扭矩分配、扭矩安全、最優速比決策等23個軟件功能分解到57個模塊，如圖8。利用MATLAB/Simulink搭建控制軟件模型，對控制算法進行具體實現。

圖8 控制軟件模型

4.2 測試環境搭建

(1)搭建物理模型及測試環境，對控制軟件模型進行了模型在環測試，對控制軟件模型進行優化；

(2)搭建硬件在環系統，并利用快速原型對控制軟件進行了硬件在環測試，基于實時系統對控制軟件模型進行進一步優化；

圖9 Mil測試環境搭建

圖10 Hil測試環境搭建

通過混動系統臺架對混動系統變速箱進行控制優化以及功能測試，完成了EV/Idle charge/hybrid三個模式之間的切換、三個模式之間的傳動鏈控制以及三個模式之間的策略驗證，最終實現了具體的模式切換功能，如圖11，并將臺架數據帶入仿真模型中，完成基于臺架模擬仿真的油耗分析結果。

圖11 模式切換調試數據

圖12 模擬仿真中的發動機工況點

5 總結

本文闡述了一種基于CVT變速箱的48V P3策略，研究了其功能要求和性能優點，并完成了設計，實現了樣機試制及臺架搭建，最后實現臺架功能測試，并完成了油耗分析。因國內外基于CVT的48V P3并聯式混動系統方案和布置均無量產項目，所以該混動方案處于初期階段。通過在現有車型上的布置研究，可以較為便捷的滿足傳統整車前艙布局要求；搭載20 kW～25 kW的P3永磁同步電機及高效的平行軸式電驅傳動系統，結合高度集成的電驅控制系統，混動系統可以為整車綜合工況節省14%～16%的百公里油耗，以NEDC綜合油耗6.8 L的某中型SUV帶起停系統的傳統車型而言，百公里節約1 L燃油消耗量；該方案相對傳統整車和CVT變速箱改動量不大，簡單容易實現，成本較低。該方案同樣兼容高壓平臺綜合性價比較優，是傳統自動檔變速箱車型尤其是傳統48V P0輕混車型升級的重要技術路線，具有較廣泛的應用前景。