ISG型AMT混聯(lián)混合動(dòng)力汽車換擋過程分析

黃隆烽，付景順，孫志強(qiáng)

ISG型AMT混聯(lián)混合動(dòng)力汽車換擋過程分析

黃隆烽，付景順*，孫志強(qiáng)

（沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110000）

隨著世界各國(guó)環(huán)境保護(hù)意識(shí)的日益提高，新能源汽車的研究逐漸成為了汽車公司的研究焦點(diǎn)。得益于良好的燃油經(jīng)濟(jì)性，混合動(dòng)力汽車能達(dá)到節(jié)能減排的效果。文章簡(jiǎn)要介紹了混合動(dòng)力汽車的分類，并提出了一種AMT混聯(lián)混合動(dòng)力汽車動(dòng)力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。重點(diǎn)介紹了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、換擋工作原理，詳細(xì)分析了該結(jié)構(gòu)在換擋時(shí)的具體控制，總結(jié)了該AMT系統(tǒng)結(jié)構(gòu)對(duì)換擋品質(zhì)的提升。

混合動(dòng)力汽車；AMT；換擋控制

前言

隨著汽車行業(yè)的快速發(fā)展，全球汽車產(chǎn)量得到大幅提高，根據(jù)世界四大會(huì)計(jì)事務(wù)所德勤的數(shù)據(jù)顯示，2014年世界汽車保有量已經(jīng)突破了14億輛，2025年我國(guó)汽車保有量也將超越美國(guó)成為世界第一。汽車使生活愈加便利的同時(shí)也伴隨著環(huán)境與能源問題的產(chǎn)生，石油等不可再生資源的燃燒產(chǎn)生了大量的氮氧化物與二氧化碳，進(jìn)而造成了溫室效應(yīng)。為了應(yīng)對(duì)這些問題，各國(guó)政府相繼推出了更加嚴(yán)苛的法規(guī)政策來降低排放標(biāo)準(zhǔn)。受大環(huán)境的驅(qū)使以及政策的導(dǎo)向，生產(chǎn)更加節(jié)能與環(huán)保的汽車成為了各大汽車廠商的目標(biāo)，因此積極投入對(duì)于新能源汽車的研發(fā)。

1 新能源汽車

新能源汽車主要有以下幾類：純電動(dòng)汽車、燃料電池汽車以及混合動(dòng)力汽車。純電動(dòng)汽車的動(dòng)力源不再是傳統(tǒng)汽車所用的內(nèi)燃機(jī)，而是驅(qū)動(dòng)電機(jī)。車輛在行駛過程中不排放尾氣，不會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染，但由于受限于電池材料等技術(shù)，純電動(dòng)汽車無法實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)續(xù)航。以特斯拉Model 3為例，工信部所測(cè)其標(biāo)準(zhǔn)版續(xù)航里程為480 km，因此純電動(dòng)汽車大多用于市區(qū)內(nèi)的通勤。燃料電池汽車常以“氫燃料電池”來替代純電動(dòng)汽車中的化學(xué)電池，氫氣資源豐富且能量轉(zhuǎn)換效率高，燃燒后產(chǎn)生的水也不會(huì)對(duì)環(huán)境造成破壞，因此氫氣也被稱為最清潔的能源。但是大規(guī)模制氫的成本較高且不易儲(chǔ)存，目前還無法實(shí)現(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用。混合動(dòng)力汽車擁有內(nèi)燃機(jī)以及驅(qū)動(dòng)電機(jī)兩種動(dòng)力源，通過協(xié)調(diào)兩者之間的工作關(guān)系使車輛在高效的工況下運(yùn)行，從而達(dá)到節(jié)能減排的目的。根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)與電機(jī)之間動(dòng)力的布置方式，混合動(dòng)力汽車分為串聯(lián)、并聯(lián)以及混聯(lián)。

2 混合動(dòng)力汽車

2.1 串聯(lián)混合動(dòng)力汽車

串聯(lián)式混合動(dòng)力汽車的結(jié)構(gòu)如圖1所示，由發(fā)動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)、驅(qū)動(dòng)電機(jī)三大動(dòng)力總成串聯(lián)成動(dòng)力系統(tǒng)。車輛在行駛時(shí)，發(fā)電機(jī)由發(fā)動(dòng)機(jī)帶動(dòng)，通過發(fā)電機(jī)工作給蓄電池進(jìn)行充電，蓄電池儲(chǔ)存電能并通過功率轉(zhuǎn)換器將電能輸送給電動(dòng)機(jī)，為車輛運(yùn)行提供驅(qū)動(dòng)力[1]。驅(qū)動(dòng)輪由電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，因此串聯(lián)式混合動(dòng)力汽車適合需要頻繁起步及低速路況較多的城市道路，發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)在高效工作區(qū)時(shí)可以給電動(dòng)機(jī)提供電量的同時(shí)給蓄電池進(jìn)行充電，因此可以降低油耗。但在高速行駛時(shí)，由于動(dòng)力需經(jīng)由兩次傳遞才可達(dá)到驅(qū)動(dòng)輪，能量傳遞過程中存在轉(zhuǎn)換的損耗，導(dǎo)致機(jī)械效率較低，反而增加了油耗。

圖1 串聯(lián)式混合動(dòng)力汽車結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 并聯(lián)式混合動(dòng)力汽車

圖2 并聯(lián)式混合動(dòng)力汽車結(jié)構(gòu)示意圖

并聯(lián)式混合動(dòng)力汽車的結(jié)構(gòu)如圖2所示，在傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車的基礎(chǔ)上，通過并聯(lián)的方式，加裝了一套電能驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。在發(fā)動(dòng)機(jī)或電動(dòng)機(jī)單獨(dú)輸出動(dòng)力的基礎(chǔ)上，車輛在行駛過程中還可以實(shí)現(xiàn)兩者動(dòng)力的疊加輸出。當(dāng)車輛需求轉(zhuǎn)矩較小時(shí)，根據(jù)實(shí)際情況由發(fā)動(dòng)機(jī)或電動(dòng)機(jī)單獨(dú)輸出動(dòng)力，當(dāng)車輛需求轉(zhuǎn)矩較大時(shí)，動(dòng)力由兩者疊加輸出。相對(duì)于串聯(lián)式混合動(dòng)力汽車，并聯(lián)式混合動(dòng)力汽車在結(jié)構(gòu)上更為復(fù)雜，增加了布置難度，但在高速公路下行駛時(shí)有更好的適應(yīng)性[2]。

2.3 混聯(lián)式混合動(dòng)力汽車

混聯(lián)式混合動(dòng)力汽車的結(jié)構(gòu)如圖3所示，其結(jié)構(gòu)綜合了并串聯(lián)式結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，具有串聯(lián)和并聯(lián)兩種工作模式。當(dāng)行駛在需要頻繁起步和低速行駛的城市道路時(shí)，車輛工作在串聯(lián)模式下，當(dāng)行駛在高速路段時(shí)，車輛工作在并聯(lián)模式下。混聯(lián)式混合動(dòng)力汽車擁有串聯(lián)示和并聯(lián)式的優(yōu)點(diǎn)，可以使車輛適應(yīng)不同的行駛工況，因此具有效率高，低排放的特點(diǎn)。但由于其結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜，成本也相應(yīng)增加，對(duì)車輛的控制方法也更加嚴(yán)格[3]。

圖3 混聯(lián)式混合動(dòng)力汽車結(jié)構(gòu)示意圖

3 ISG型AMT混聯(lián)混合動(dòng)力汽車

3.1 AMT介紹及研究

機(jī)械式自動(dòng)變速箱（AMT）具有傳動(dòng)效率高、燃油經(jīng)濟(jì)性好以及可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)變速的優(yōu)點(diǎn)，在混合動(dòng)力汽車上應(yīng)用AMT可使發(fā)動(dòng)機(jī)及電機(jī)工作在高效區(qū)間，使車輛發(fā)揮出更好的性能，因此具有廣闊的應(yīng)用前景。但由于AMT屬于非動(dòng)力中斷換擋，傳統(tǒng)AMT換擋時(shí)，首先需要打開離合器，切斷發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力，然后利用同步環(huán)的內(nèi)錐面與待接合齒輪齒圈的外錐面接觸產(chǎn)生摩擦，在摩擦力矩的作用下，齒輪與同步環(huán)的轉(zhuǎn)速差降低，待兩者轉(zhuǎn)速相等時(shí)，在換擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)的推力下，接合套先后與同步環(huán)齒圈及待接合齒輪的齒圈接合完成換擋。由于切斷了動(dòng)力源，在換擋過程發(fā)動(dòng)機(jī)的力矩輸出如圖4所示，這將造成了扭矩中斷。在行駛阻力等的作用下，車速將會(huì)發(fā)生下降，車速的變化將導(dǎo)致加速度的改變，若加速度產(chǎn)生突變將引起較大的沖擊度，影響駕駛的舒適性，因此換擋平穩(wěn)性不如AT和CVT。其轉(zhuǎn)速的同步僅依靠同步器的滑磨作用也引起換擋時(shí)間過長(zhǎng)的問題，且在同步之后重新接入發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力，由于離合器主、從動(dòng)盤之間存在轉(zhuǎn)速差也將不可避免地出現(xiàn)換擋沖擊。吉林大學(xué)的尹倪提出動(dòng)力換擋式機(jī)械變速器，利用超越離合器及摩擦片式離合器的特性，實(shí)現(xiàn)了兩擋式AMT的無動(dòng)力中斷換擋[4]。董翔宇在并聯(lián)混合動(dòng)力汽車上利用電機(jī)對(duì)AMT輸入軸進(jìn)行主動(dòng)調(diào)速，從而有效地減少了同步器接合沖擊以及滑磨功[5]。Jiejunyi Liang等人提出一種雙電機(jī)輸入的純電動(dòng)汽車，在換擋過程中利用雙電機(jī)的扭矩耦合，有效地彌補(bǔ)了扭矩間隙，改善了動(dòng)力中斷問題，減短了換擋時(shí)間[6]。

圖4 換擋過程發(fā)動(dòng)機(jī)的力矩輸出示意圖

3.2 ISG型AMT混合動(dòng)力總成簡(jiǎn)介

提出了一種裝配ISG電機(jī)的混聯(lián)式AMT結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖5所示。取消了發(fā)動(dòng)機(jī)與變速箱之間的離合器，利用動(dòng)力耦合裝置將發(fā)動(dòng)機(jī)輸出軸、變速箱輸入軸以及ISG電機(jī)進(jìn)行聯(lián)接。ISG電機(jī)作為充電啟動(dòng)一體機(jī)，在車輛起步時(shí)可以利用電機(jī)的快速響應(yīng)特性，快速拖動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)至目標(biāo)轉(zhuǎn)速，然后使發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火；在行駛過程可以利用發(fā)動(dòng)機(jī)帶動(dòng)ISG電機(jī)對(duì)電池組進(jìn)行充電，完成整車的能量調(diào)節(jié)[7]；當(dāng)車輛需要換擋時(shí)可以利用ISG電機(jī)進(jìn)行快速調(diào)速，同步預(yù)換擋從動(dòng)齒輪與輸出軸之間的轉(zhuǎn)速，從而實(shí)現(xiàn)快速換擋。

圖5 ISG型混聯(lián)AMT結(jié)構(gòu)示意圖

3.3 ISG型AMT混合動(dòng)力換擋工作原理

當(dāng)車輛的需求功率落在發(fā)動(dòng)機(jī)最佳效率區(qū)間時(shí)，驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩由發(fā)動(dòng)機(jī)單獨(dú)承擔(dān)，此時(shí)ISG電機(jī)和驅(qū)動(dòng)電機(jī)均不工作。在汽車以低擋位行駛時(shí)，動(dòng)力的傳遞如圖6所示。同步器接合套與抵擋從動(dòng)齒輪接合，動(dòng)力經(jīng)由發(fā)動(dòng)機(jī)傳至低擋齒輪副，再經(jīng)由同步器傳遞至輸出軸，經(jīng)過主減速器后最終通過差速器傳遞至車輪。

圖6 車輛低擋行駛時(shí)動(dòng)力傳遞簡(jiǎn)圖

當(dāng)ECU接收到換擋信號(hào)時(shí)，將控制發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩與驅(qū)動(dòng)電機(jī)扭矩之間的轉(zhuǎn)換，發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩逐漸減小，驅(qū)動(dòng)電機(jī)扭矩逐漸增大，整車的動(dòng)力由發(fā)動(dòng)機(jī)過渡至驅(qū)動(dòng)電機(jī)提供。驅(qū)動(dòng)電機(jī)提供車輛的動(dòng)力，保持車速，使車輛不因行駛阻力而發(fā)生加速度上的突變，避免動(dòng)力中斷問題及駕駛頓挫感的產(chǎn)生。ISG電機(jī)啟動(dòng)，快速調(diào)節(jié)高擋從動(dòng)齒輪轉(zhuǎn)速，減少?gòu)膭?dòng)齒輪與輸出軸的轉(zhuǎn)速差，此時(shí)車輛的動(dòng)力輸出如圖7所示。驅(qū)動(dòng)電機(jī)提供的扭矩經(jīng)一對(duì)嚙合齒輪副傳至輸出軸，經(jīng)主減速器后由差速器傳遞至車輪；ISG電機(jī)傳遞的扭矩作用于高擋從動(dòng)齒輪，使其產(chǎn)生加速度從而改變轉(zhuǎn)速。

圖7 換擋過程動(dòng)力輸出簡(jiǎn)圖

當(dāng)ISG電機(jī)完成調(diào)速，高擋從動(dòng)齒輪轉(zhuǎn)速與輸出軸轉(zhuǎn)速相等時(shí)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)推動(dòng)同步器，使接合套與高擋從動(dòng)齒輪接合，完成換擋。換擋結(jié)束后，驅(qū)動(dòng)電機(jī)扭矩逐漸減小，節(jié)氣門開度慢慢變大，發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩逐漸增大，整車的動(dòng)力由驅(qū)動(dòng)電機(jī)過渡至發(fā)動(dòng)機(jī)直至動(dòng)力完全由發(fā)動(dòng)機(jī)提供，如圖8所示。同步器接合套與高擋從動(dòng)齒輪接合，動(dòng)力經(jīng)由發(fā)動(dòng)機(jī)傳至高擋齒輪副，再經(jīng)由同步器傳遞至輸出軸，經(jīng)過主減速器后最終通過差速器傳遞至車輪。

圖8 車輛高擋行駛時(shí)動(dòng)力傳遞簡(jiǎn)圖

4 結(jié)論

ISG型AMT混合動(dòng)力汽車擁有兩個(gè)動(dòng)力源，在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到換擋條件時(shí)，會(huì)預(yù)先將整車動(dòng)力由發(fā)動(dòng)機(jī)提供轉(zhuǎn)換至驅(qū)動(dòng)電機(jī)提供，避免了換擋過程動(dòng)力中斷問題，提高了駕駛的舒適性，并且由于此時(shí)同步器不傳遞力矩至輸出軸，因此可以更好地從當(dāng)前擋位脫出進(jìn)入空擋。對(duì)于同步調(diào)速過程，利用ISG電機(jī)快速響應(yīng)的特性，對(duì)齒輪與軸的同步過程進(jìn)行主動(dòng)調(diào)速，加快了同步過程，縮短了換擋時(shí)間；減少了同步器所產(chǎn)生的滑磨功；使變速箱的耐久性得到了提升。

[1] 舒紅,秦大同,胡建軍.混合動(dòng)力汽車控制策略研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)[J].重慶大學(xué)學(xué)報(bào),2001,24(6):28-31.

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Analysis of Shifting Process for ISG-type AMT Hybrid Electric Vehicles

HUANG Longfeng, FU Jingshun*, SUN Zhiqiang

（School of Mechanical Engineering, Shenyang University of Technology, Liaoning Shenyang 110000）

With the increasing awareness of environmental protection in countries around the world, the research of new energy vehicles has gradually become the focus of automobile companies. Thanks to the good fuel economy, hybrid vehicles can achieve the effect of energy saving and emission reduction. This paper briefly introduces classification of hybrid vehicles and proposes the structure of an AMT Parallel-serial hybrid vehicle power system. Focusing on the system structure, shift working principle, and detailed analysis of the specific control of the structure during the shift. Summarizes the shift quality improvement of this AMT system structure.

Hybrid electric vehicles; AMT; Gear-shifting control

10.16638/j.cnki.1671-7988.2021.021.056

U461.99

B

1671-7988(2021)21-211-04

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黃隆烽，碩士研究生，就讀于沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院。

付景順，博士、教授、車輛工程系主任，就職于沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院。