DM-i超級混動構架限扭器匹配關鍵技術研究

陳祥禎，田蜀東，武貴洋

(比亞迪汽車工業有限公司 產品規劃及汽車新技術研究院，廣東 深圳 518118)

0 前言

主流汽車廠和新勢力車企都開始大力布局純電動、混合動力汽車。其中，最新的、主流的混合動力方案是發動機保持在高效區發電，供應電池存儲或驅動電機,電機負責整車驅動，降低整車能耗和排放。

比亞迪的DM-i超級混動構架則在該方案的基礎上進一步加強，以電為主，圍繞大功率電機驅動和大容量動力電池供應，以發動機為輔，組成電混構架。該動力構架可以根據實際工況需求進行純電、串聯、并聯和直驅行駛，油耗低能帶來純電般的駕駛體驗，同時也能保障強大的動力輸出。該動力構架與傳統動力相比，最主要的區別是取消了傳統動力的離合器，發動機和電混系統(EHS，發電系統與驅動系統集成總成)通過配單質量飛輪和帶限扭作用的扭轉減振器(以下簡稱“限扭器”)直接連接，其示意圖如圖1所示。

圖1 DM-i超級混動構架示意圖

DM-i超級混動構架中發動機、限扭器、發電機減速器和發電機組成的動力鏈主要負責發電，提供整車需求電量；在巡航或者大扭矩需求時，發動機可以并聯參與驅動；另外，發動機還提供暖機制熱等功用。整車使用過程中，發動機頻繁啟停、怠速暖機、發電或驅動行車，都會帶動減速器和發電機大慣量件隨之轉動，整個傳動系的瞬態沖擊、穩態敲擊和隔振風險都大于傳統動力，因此限扭器的匹配就格外重要。尤其是啟動到怠速過程，傳統動力汽車由于具有離合器分離，只有曲軸飛輪轉動，其扭轉模態也高，不會被激勵起啟停過程和怠速過程的低頻扭轉共振，也不存在齒輪瞬態沖擊等。

針對DM-i超級混動構架的特殊性，結合某車型開發過程中遇到的啟動和怠速等工況扭振敲擊問題，進行限扭器匹配的關鍵影響因子研究，并提出優化方向。

1 限扭器仿真建模

基于AMESim軟件建立該DM-i車型動力傳動系仿真模型[1]，主要包括發動機、限扭器、發電機減速器、發電機、驅動電機減速器、驅動電機、動力懸置系統和整車模塊。研究限扭器阻尼、剛度和轉動慣量等關鍵參數對整個傳動系運行的影響。

首先，在仿真模型中改變限扭器阻尼和剛度，保持其他參數不變，分析整個傳動系的發動機啟動和穩態發電過程的風險，結果見表1。

表1 限扭器阻尼和剛度對發動機啟動和穩態發電過程的風險影響

由表1可以看出：

(1)當剛度一定時，大阻尼對啟動瞬態工況效果好，不易發生瞬態沖擊，但不利于穩態發電隔振且易引起持續敲擊，小阻尼反之。DM-i傳動系一階模態頻率為9～14 Hz，發動機啟動點火激勵頻率(半階次)為10～12 Hz。根據隔振理論[2]，傳動系一階模態在點火激勵的共振區，需要大阻尼才能減振；到穩態時轉速升高且主要的激勵為二階及以上，頻率遠離傳動系模態，這時需要小阻尼隔振。

(2)當阻尼一定時，整體上剛度越小啟動瞬態工況效果越好，某些剛度下總成抖動略大但無齒輪敲擊現象。剛度大時啟動和穩態隔振都變差，并伴有敲擊聲。傳動系一階模態可能與動力總成繞整車Y軸轉動模態共振，導致抖動；剛度太大傳動系模態高，根據隔振原理，其對發動機穩態二階及以上階次隔振變差。

因此，為了避免DM-i超級混動構架在發動機啟動和穩態發電時，整個傳動系沖擊或持續敲擊風險，限扭器的阻尼和剛度應合理匹配。

其次，在阻尼和剛度不變的情況下，改變模型中限扭器的慣量，分析其影響。發動機啟動時刻，慣量對整個傳動系沖擊的影響沒有特定的規律，主要是和整個系統匹配，設計合理的慣量，避免傳動系的一階模態頻率與發動機啟動半階次激勵、動力總成繞整車Y軸轉動的模態接近，引起共振導致整車抖動。發動機穩態發電工況下，慣量越大，整個傳動系的扭振敲擊風險越小，大慣量可有效抑制發動機傳遞的扭振波動。整個傳動系的扭振敲擊用發電機減速器齒輪嚙合力評價，限扭器慣量對穩態發電扭振的影響如圖2所示。由圖2可以看出：嚙合力小于0的時刻很少，意味著齒輪很少換向接觸，不易產生敲擊異響和整車振動。

圖2 限扭器慣量對穩態發電扭振影響

再次，驗證了發電機扭矩加載策略的影響，其對限扭器的隔振及整個傳動系的運動特性影響很大。發動機啟動工況，需要發動機、發電機策略和限扭器的合理匹配才能有好的表現，各關系復雜這里不詳細論述。但在限扭器參數不變的情況下，穩態發電工況發電機扭矩越大，系統的扭振風險越小。改變發電機扭矩，發電機減速器齒輪嚙合力結果如圖3所示。

圖3 發電機扭矩對穩態發電扭振影響

2 限扭器實車匹配驗證

2.1 阻尼匹配

在該DM-i實車上匹配相同剛度和慣量、不同阻尼的限扭器，連續啟動多次，測試動力總成本體振動，結果如圖4所示(其中，g為重力加速度)。由圖4可以看出：小阻尼易導致啟動瞬態沖擊，產生抖動和齒輪異響；而大阻尼風險明顯降低，與理論分析一致。但小阻尼情況也有好狀態，這是因為啟動效果還與發動機點火缸壓差異有關，缸壓越小啟動抖動越小。穩態發電工況下大阻尼限扭器對較高頻率扭振的減振效果略有變差，但在可接受范圍內。

圖4 啟動工況動力總成本體振動-阻尼影響

2.2 剛度匹配

在DM-i實車上匹配相同阻尼和慣量、不同剛度的限扭器，連續啟動多次，測試動力總成本體振動，結果如圖5所示。由圖5可以看出：大剛度易導致啟動瞬態沖擊，產生抖動和齒輪異響，小剛度風險則明顯降低。進入發動機穩態發電工況中，小剛度的限扭器隔振性能也表現更優。試驗和理論分析結果趨勢一致，整體上限扭器剛度越小越好，但要注意其引起的傳動系模態變化，如果與激勵頻率或動力總成剛體模態共振，反而會變差。

圖5 啟動工況動力總成本體振動-剛度影響

2.3 控制策略匹配

DM-i超級混動構架限扭器的阻尼、剛度和慣量設計因受到可靠性、成本等限制，不能完全兼顧啟動瞬態和穩態發電工況，需要發電機的控制策略進行輔助優化。發動機啟動前，發電機作為主動件拖動發動機到一定轉速后取消扭矩，隨即發動機點火，這時發電機變為被動件進行發電。啟動時發電機加載扭矩較小，導致發動機轉速上升慢，轉頻激勵在傳動系統一階共振區間停留時間長，易引起共振；加載扭矩變大后，發動機轉速快速通過共振點，共振風險小，不易引起抖動或敲擊。發動機啟動后進入怠速發電工況，發電機不同扭矩下的動力總成和座椅振動結果如圖6所示。

圖6 不同扭矩下的振動對比

由圖6可以看出：如果發電扭矩較小，容易產生傳動系齒輪扭振敲擊，動力總成本體及傳到車內的振動加大，和前面理論分析一致。所以當DM-i超級混動構架發動機運行時，必須使發電機持續處于一定的發電功率中。但怠速時又不能加載太大的扭矩，因為怠速轉速工況發動機不是最佳效率發電點，影響燃油經濟性，如果提高轉速接近最佳效率點，會導致發動機噪聲變大且傳遞到車艙內。

在極端工況下，電池滿電或者電池充電功率很低時(比如在冬天東北地區極寒天氣)，發電機不能過載，所以應首要考慮將限扭器的硬件優化到最佳，策略作為補充。

3 結語

通過一維仿真建模理論分析，同時結合實車測試數據和評價，研究了限扭器在DM-i超級混動構架中的匹配關鍵技術。詳細闡述了限扭器阻尼、剛度、慣量和發電機扭矩策略對整個動力傳動系啟動工況的瞬態沖擊和穩態發電工況的扭振敲擊影響，并提出了優化方案；限扭器慣量由于設計空間限制和樣件制作周期，沒有實車驗證。該研究可為行業內開發類似混動車型的限扭器匹配提供參考。