張 雄，張安偉，段心林

(廣州汽車集團(tuán)股份有限公司 汽車工程研究院， 廣州 511434)

G-MC(GAC mechatronic coupling)是廣汽機(jī)電耦合系統(tǒng)的簡(jiǎn)稱，主要應(yīng)用于插電式或混合動(dòng)力車型。

2014年初，廣汽研究院擬開發(fā)新一代的插電式新能源汽車，如何選擇機(jī)電耦合系統(tǒng)的構(gòu)型成為一個(gè)重點(diǎn)課題。當(dāng)時(shí)市場(chǎng)上的主要構(gòu)型[1-3]有：豐田的THS(Toyota hybrid system)系統(tǒng)、通用的Voltec系統(tǒng)、本田的i-MMD(Intelligent multi mode drive)系統(tǒng)、科力遠(yuǎn)的CHS(Corun hybrid system)系統(tǒng)、上汽的EDU(Electric drive unit)系統(tǒng)等，此外不少汽車企業(yè)也在使用P0～P4的方案。考慮到國(guó)內(nèi)對(duì)行星齒輪加工還不成熟，P0、P1、P4方案的節(jié)油效果不佳，P2、P3方案對(duì)自動(dòng)變速箱的依賴度較高，從性能仿真、成本比較及專利分析等進(jìn)行多輪論證，最終選定了目前的G-MC構(gòu)型。

1 G-MC的系統(tǒng)方案

如圖1所示，一般混合動(dòng)力汽車系統(tǒng)包括發(fā)動(dòng)機(jī)、耦合機(jī)構(gòu)、高壓電池、整車控制器、電機(jī)控制器、耦合控制器等。

圖1 混合動(dòng)力系統(tǒng)方案圖

G-MC的系統(tǒng)原理如圖2所示，G-MC將發(fā)電機(jī)、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、離合器、傳動(dòng)系統(tǒng)、差減速器及液壓系統(tǒng)等集成在高壓鑄造的鋁合金殼體內(nèi)，采用油冷(雙油泵)。

圖2 G-MC系統(tǒng)原理

從構(gòu)型上來(lái)說(shuō)，該耦合系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)4種驅(qū)動(dòng)模式，分別是純電動(dòng)模式、串聯(lián)增程模式、并聯(lián)混動(dòng)模式和發(fā)動(dòng)機(jī)直驅(qū)模式。

當(dāng)離合器分離，發(fā)動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)不提供功率時(shí)，G-MC工作在純電動(dòng)模式。此時(shí)功率流經(jīng)由中間軸、主減速齒輪傳遞至車輪，如圖3所示。

圖3 純電動(dòng)模式功率流

當(dāng)G-MC工作在串聯(lián)發(fā)電模式時(shí)，離合器處于分離狀態(tài)，發(fā)動(dòng)機(jī)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)出電能，一部分用于電池充電，一部分用于給驅(qū)動(dòng)電機(jī)供電，而驅(qū)動(dòng)電機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)整車。該模式主要工作在電池電量低或急加速需求扭矩較大的行駛工況，其功率流如圖4所示。

圖4 串聯(lián)增程模式功率流

在高速大扭矩需求時(shí)，離合器接合，發(fā)動(dòng)機(jī)和驅(qū)動(dòng)電機(jī)共同驅(qū)動(dòng)汽車，模式的功率流如圖5所示。

圖5 并聯(lián)混動(dòng)模式功率流

在高速巡航時(shí)，離合器接合，發(fā)電機(jī)和驅(qū)動(dòng)電機(jī)空轉(zhuǎn)，由發(fā)動(dòng)機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)汽車，該模式的功率流如圖6所示。G-MC外形如圖7所示。

圖6 發(fā)動(dòng)機(jī)直驅(qū)模式功率流

圖7 G-MC系統(tǒng)外形

系統(tǒng)的相關(guān)參數(shù)如表1所示。

表1 G-MC系統(tǒng)參數(shù)

G-MC匹配廣汽專門研發(fā)的1.5ATK(Atkinson cycle)發(fā)動(dòng)機(jī)，采用阿特金森循環(huán)。發(fā)動(dòng)機(jī)的參數(shù)如表2所示，其中1.5TM(Turbo Miller cycle) 是廣汽正在開發(fā)的米靳循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)。

表2 發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)

2 G-MC控制策略

在車輛實(shí)際行駛中，增程模式和混動(dòng)模式占了絕大部分，因此針對(duì)這2種工況做效率最優(yōu)控制。

2.1 增程模式效率最優(yōu)控制

增程模式下，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速與車速解耦，可以實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)最優(yōu)控制。根據(jù)系統(tǒng)效率最優(yōu)計(jì)算增程器不同發(fā)電量的系統(tǒng)效率。選定以10 kW為限，當(dāng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)需求功率小于10 kW時(shí)，為避免發(fā)電機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)工作點(diǎn)效率過(guò)低，發(fā)電機(jī)以10 kW的功率進(jìn)行發(fā)電；而當(dāng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)需求功率大于10 kW時(shí)進(jìn)行瞬時(shí)功率跟隨控制，既可以保證增程器的高效性，又可以避免電池充放電造成的能量損失。

2.2 混動(dòng)模式效率最優(yōu)控制

在混動(dòng)模式下,發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速與車輪轉(zhuǎn)速耦合，盡可能通過(guò)發(fā)電機(jī)調(diào)整發(fā)動(dòng)機(jī)的負(fù)荷在高效區(qū)域。主要考慮以下原則：

1) 整車功率需求在發(fā)動(dòng)機(jī)最經(jīng)濟(jì)曲線之下，SOC適中時(shí)，通過(guò)控制發(fā)電機(jī)的扭矩使發(fā)動(dòng)機(jī)工作在最優(yōu)曲線上。

2) 整車功率需求低于發(fā)動(dòng)機(jī)最經(jīng)濟(jì)工作曲線，但SOC較高時(shí)，此時(shí)通過(guò)調(diào)整發(fā)電機(jī)功率使發(fā)動(dòng)機(jī)工作在克服整車阻力曲線與發(fā)動(dòng)機(jī)最經(jīng)濟(jì)工作曲線之間。

3) 整車功率需求超過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)最經(jīng)濟(jì)工作曲線時(shí)，通過(guò)發(fā)電機(jī)電機(jī)助力彌補(bǔ)部分需求扭矩，使得發(fā)動(dòng)機(jī)工作在最經(jīng)濟(jì)曲線與外特性之間。

4) 當(dāng)整車動(dòng)力需求較大時(shí)，優(yōu)先滿足動(dòng)力性，發(fā)動(dòng)機(jī)工作在上限曲線。

3 結(jié)構(gòu)布置方案

3.1 系統(tǒng)組成元件

G-MC系統(tǒng)的組成元件如圖8所示。

圖8 G-MC系統(tǒng)的組成元件

3.2 液壓系統(tǒng)原理

設(shè)計(jì)全新的液壓系統(tǒng)方案和液壓閥板，滿足離合控制和冷卻回路控制要求。開發(fā)控制單元，監(jiān)控系統(tǒng)流量、油壓和油溫，通過(guò)控制電磁閥實(shí)現(xiàn)離合器的開合控制。液壓系統(tǒng)采用電動(dòng)油泵和機(jī)械油泵的雙油泵方案，滿足各種工況下的冷卻潤(rùn)滑需求。

3.3 電機(jī)冷卻方案

耦合系統(tǒng)內(nèi)部的冷卻方式分為強(qiáng)制潤(rùn)滑與飛濺潤(rùn)滑[4-6]。差速器齒圈的攪動(dòng)，把油液甩到相關(guān)的齒軸位置，形成油膜，提供相應(yīng)的潤(rùn)滑、冷卻。對(duì)無(wú)法飛濺潤(rùn)滑的位置或?qū)鋮s需求較大的位置，如電機(jī)線圈繞組、中間軸軸承等位置，通過(guò)輸油管路和殼體內(nèi)部的管路，強(qiáng)制進(jìn)行冷卻，以避免冷卻潤(rùn)滑不良造成的零部件失效。電機(jī)的冷卻系統(tǒng)如圖9所示。

圖9 電機(jī)冷卻潤(rùn)滑系統(tǒng)

3.4 耦合控制原理

耦合控制器根據(jù)整車控制器的要求，控制離合器的接合與斷開，實(shí)現(xiàn)模式切換。耦合控制器根據(jù)電機(jī)狀態(tài)實(shí)時(shí)控制電動(dòng)油泵的轉(zhuǎn)速，滿足耦合機(jī)構(gòu)內(nèi)部零件不同的冷卻需求。耦合控制原理如圖10所示。

圖10 耦合控制原理示意圖

4 性能表現(xiàn)

與主流的機(jī)電耦合系統(tǒng)相比[7-10]，G-MC具備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、控制難度小、無(wú)換擋沖擊、發(fā)動(dòng)機(jī)介入平順、加工容易、成本較低的特點(diǎn)。詳細(xì)對(duì)比情況如表3所示。

G-MC目前已搭載3個(gè)車型:GA3SPHEV、GS4PHEV、GA6PHEV，同時(shí)也提供給廣汽的合資企業(yè)。GA3SPHEV補(bǔ)貼前售價(jià)16.48萬(wàn)元起，具有一定價(jià)格優(yōu)勢(shì)，整車參數(shù)如表4所示。其中當(dāng)時(shí)在售的同類插電式轎車車型A和B的加速時(shí)間及油耗是對(duì)標(biāo)試驗(yàn)的實(shí)測(cè)值。

表3 主流混動(dòng)變速箱對(duì)比

表4 整車性能參數(shù)

5 開發(fā)歷程及難點(diǎn)

G-MC是廣汽研究院完全獨(dú)立自主的研發(fā)，廣汽乘用車生產(chǎn)裝配。G-MC項(xiàng)目從立項(xiàng)到SOP歷時(shí)近3年。作為正向開發(fā)的G-MC系統(tǒng)經(jīng)過(guò)系統(tǒng)性的臺(tái)架和整車試驗(yàn)驗(yàn)證。量產(chǎn)前，G-MC試制了390臺(tái)，裝車260輛，完成零部件和總成設(shè)計(jì)驗(yàn)證項(xiàng)目超百項(xiàng)，累積臺(tái)架試驗(yàn)小時(shí)數(shù)超過(guò)1萬(wàn)h，累積整車試驗(yàn)當(dāng)量里程超過(guò)400萬(wàn)km。

5.1 開發(fā)難點(diǎn)

具體開發(fā)難點(diǎn)如表5所示。

5.2 開發(fā)遇到的問(wèn)題

與其他全新研發(fā)的機(jī)構(gòu)一樣，G-MC在開發(fā)過(guò)程中有很多難題要攻克，如扭擺減振器異響、電磁閥卡滯等。至2018年5月底，市場(chǎng)上已銷售裝載了G-MC系統(tǒng)的車輛超過(guò)5 000輛，其總體故障率與常規(guī)車相當(dāng)，其中G-MC系統(tǒng)相關(guān)的故障約10例，主要有油泵密封不良、P擋機(jī)構(gòu)控制軟件缺陷等。通過(guò)艱苦的設(shè)計(jì)改進(jìn)、大量的試驗(yàn)驗(yàn)證和更加嚴(yán)格的質(zhì)量控制，這些問(wèn)題和不足都得到了有效解決。

表5 G-MC開發(fā)難點(diǎn)

5.3 G-MC下一步的發(fā)展計(jì)劃

從產(chǎn)品系列方面，G-MC將向2個(gè)型號(hào)發(fā)展：一個(gè)是匹配1.5TM的發(fā)動(dòng)機(jī)，適用于中小型車的混動(dòng)或插電式汽車；另一個(gè)是匹配2.0TM的發(fā)動(dòng)機(jī)，適用于大型車的混合動(dòng)力。如G-MC用于GS8(七座SUV)，初步分析表明其油耗可從現(xiàn)在的9.1 L降低到6.4 L，整車成本增量不超過(guò)2萬(wàn)元。

從技術(shù)角度的改進(jìn)有3個(gè)方向：

1) 更加高效。采用方形導(dǎo)線技術(shù),提升電機(jī)電壓，提高發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速，減小電機(jī)體積。

2) 更加緊湊。把電機(jī)控制器與電機(jī)外殼一體化，進(jìn)一步提升系統(tǒng)集成度。

3) 更加低成本。預(yù)計(jì)新一代的機(jī)電耦合系統(tǒng)(含電機(jī)控制器等)，成本將降低30%左右。

6 結(jié)束語(yǔ)

G-MC是廣汽研究院主導(dǎo)，國(guó)內(nèi)供應(yīng)商配合，獨(dú)立自主開發(fā)的混合動(dòng)力變速箱，在開發(fā)過(guò)程中遇到了很多的難題，經(jīng)過(guò)工程師的反復(fù)研究和攻關(guān)，最終攻克難關(guān)得予上市。對(duì)比同期上市車型，在動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性方面均有明顯的優(yōu)勢(shì)。該系統(tǒng)的成功研制為后續(xù)開發(fā)積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)，打下了良好的基礎(chǔ)。