張安偉，祁宏鐘，趙江靈,2，張鵬，朱永明，周文太

(1.廣州汽車集團(tuán)股份有限公司汽車工程研究院，廣東廣州 511434；2.北京航空航天大學(xué)交通科學(xué)與工程學(xué)院，北京 100191；3.中汽檢測(cè)技術(shù)有限公司，廣東廣州 510535)

0 引言

伴隨著新能源汽車市場(chǎng)的快速發(fā)展，混合動(dòng)力機(jī)電耦合系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)也得到了快速的發(fā)展。各汽車企業(yè)都推出了各具特色的混合動(dòng)力機(jī)電耦合產(chǎn)品,如豐田的THS系統(tǒng)、本田的i-MMD系統(tǒng)、通用的Voltec系統(tǒng)、上汽的EDU系統(tǒng)、廣汽的G-MC系統(tǒng)、科力遠(yuǎn)的CHS混動(dòng)系統(tǒng)等。

隨著油耗法規(guī)、排放法規(guī)的日趨加嚴(yán)，各類混合動(dòng)力系統(tǒng)也在不斷地升級(jí)優(yōu)化。豐田的THS系統(tǒng)已發(fā)展四代，主要是通過優(yōu)化構(gòu)型及零部件的效率去優(yōu)化系統(tǒng)的效率，提升整車的經(jīng)濟(jì)性能[1-6]。本田從第一代發(fā)展到第三代，系統(tǒng)構(gòu)型原理一直未變化，都是通過優(yōu)化零部件的效率和控制來提高系統(tǒng)的效率，進(jìn)而改善整車的經(jīng)濟(jì)性能。通用在效率優(yōu)化方面同樣也做了很多工作，主要是優(yōu)化構(gòu)型和零部件的效率，如發(fā)動(dòng)機(jī)、電池、電機(jī)控制器、傳動(dòng)系統(tǒng)、附件消耗和整車阻力等來提升整車的經(jīng)濟(jì)性能。

開發(fā)一套先進(jìn)的混合動(dòng)力機(jī)電耦合系統(tǒng)，滿足國(guó)家油耗法規(guī)的同時(shí)，優(yōu)異的動(dòng)力性能與經(jīng)濟(jì)性能、低廉的成本、高效的傳動(dòng)效率、平臺(tái)化的搭載應(yīng)用，從而提高產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)力、實(shí)現(xiàn)更高的市場(chǎng)占有率，這已成為了各車企的共同目標(biāo)。

本文作者針對(duì)開發(fā)中的某機(jī)電耦合系統(tǒng)，通過拖曳損耗測(cè)試，找到影響機(jī)電耦合系統(tǒng)的關(guān)鍵因素，提出了液壓系統(tǒng)效率優(yōu)化、傳動(dòng)系統(tǒng)效率優(yōu)化、加油量?jī)?yōu)化、制動(dòng)器拖曳扭矩優(yōu)化、潤(rùn)滑油黏度的效率優(yōu)化的措施，通過這些改善，可以有效提高機(jī)電耦合系統(tǒng)的效率。

1 豐田THS系統(tǒng)優(yōu)化方法分析

根據(jù)THS系統(tǒng)分析得知，想要大幅度提升整車的效率和經(jīng)濟(jì)性，必須從整車角度對(duì)相關(guān)零部件進(jìn)行整體優(yōu)化。

圖1是豐田的THS系統(tǒng)從第三代到第四代，各零部件對(duì)改善經(jīng)濟(jì)性的貢獻(xiàn)率[7～11]。主要優(yōu)化的因素有：整車的阻力曲線、發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率、驅(qū)動(dòng)橋、電機(jī)、電機(jī)控制器及電池系統(tǒng)。

圖1 豐田THS系統(tǒng)效率優(yōu)化改善效果

豐田THS系統(tǒng)主要采用以下途徑：

(1)通過優(yōu)化減速機(jī)構(gòu)(增大驅(qū)動(dòng)電機(jī)到輪端的速比)，來改善電機(jī)的需求(降低電機(jī)扭矩需求，提高轉(zhuǎn)速需求)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)小型、輕量化；

(2)通過提高電機(jī)冷卻技術(shù)水平，優(yōu)化冷卻性能；

(3)通過提高電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元的效率，實(shí)現(xiàn)低損耗化；

(4)通過電機(jī)室油室化，取消密封件結(jié)構(gòu)，減少拖曳損耗；

(5)通過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，整車行駛時(shí)，將油積在儲(chǔ)油槽中來降低油位，改善攪油損失；

(6)通過將驅(qū)動(dòng)電機(jī)的減速機(jī)構(gòu)，由行星齒輪改為定軸斜齒輪副，來提高傳動(dòng)效率和改善NVH性能；

(7)通過升壓，降低電機(jī)和電機(jī)控制器的電流，降低損耗，改善油耗；

(8)通過升壓，降低功率半導(dǎo)體的需求，實(shí)現(xiàn)小型化、輕量化和低成本；

(9)改善IGBT的冷卻方式，提高功率半導(dǎo)體的功率密度，來改善控制器的效率。

豐田THS系統(tǒng)原理及結(jié)構(gòu)的改進(jìn)歷程如圖2和圖3所示，其他改進(jìn)歷程如表1所示。

圖2 THS系統(tǒng)原理改進(jìn)歷程

圖3 THS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)改進(jìn)歷程

表1 THS部分系統(tǒng)改進(jìn)歷程

2 混合動(dòng)力系統(tǒng)效率影響因素分析

想要達(dá)到較優(yōu)的經(jīng)濟(jì)性，必須從整車層面去優(yōu)化系統(tǒng)效率，在這方面，豐田、本田和通用已經(jīng)做了很多的工作，且取得了很好的效果?；旌蟿?dòng)力整車功率損失圖如圖4所示，對(duì)經(jīng)濟(jì)性改善主要包含以下幾個(gè)方面[12-14]：

圖4 混合動(dòng)力整車功率損失圖

(1)整車方面：風(fēng)阻系數(shù)、質(zhì)量、軸荷比、輪胎選型、阻力曲線等；

(2)動(dòng)力源方面：發(fā)動(dòng)機(jī)效率、電機(jī)效率、電池效率等；

(3)傳動(dòng)系統(tǒng)方面：軸齒傳動(dòng)效率、軸承效率、油封效率、離合器效率、攪油損失等；

(4)液壓系統(tǒng)方面：機(jī)械泵效率、電動(dòng)泵效率、吸濾器效率、油管和油道的壓降等。

根據(jù)某車型、某構(gòu)型對(duì)一些因素進(jìn)行了初步分析，結(jié)果如下所示(不同車型、不同構(gòu)型、不同的策略的結(jié)果可能會(huì)略有差別)：

(1)風(fēng)阻系數(shù)減小0.01，可降低0.1 L/100 km油耗；

(2)質(zhì)量每降低50 kg，可降低0.05 L/100 km油耗；

(3)附件消耗功率降低100 W，可降低0.09 L/100 km油耗；

(4)發(fā)電機(jī)效率每提升0.5%，可降低0.01 L/100 km油耗；

(5)驅(qū)動(dòng)電機(jī)效率每提升0.5%，可降低0.03 L/100 km油耗；

(6)發(fā)動(dòng)機(jī)平均提升0.5%熱效，可降低0.05 L/100 km油耗；

(7)機(jī)械傳動(dòng)效率提升0.5%，可降低0.03 L/100 km油耗。

通過以上分析得知，改善整車風(fēng)阻系數(shù)、整車質(zhì)量、附件功率、電機(jī)效率、發(fā)動(dòng)機(jī)效率、機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)效率等因素，都可以降低油耗，改善整車的經(jīng)濟(jì)性。

為了有效地提高機(jī)電耦合系統(tǒng)的效率，用魚骨圖對(duì)影響效率的因素進(jìn)行了分析，如圖5所示。

圖5 效率影響因素

3 機(jī)電耦合系統(tǒng)拖曳損耗檢測(cè)

機(jī)電耦合系統(tǒng)樣機(jī)開發(fā)一般會(huì)經(jīng)歷幾個(gè)階段，在開發(fā)初期，通過測(cè)試機(jī)電耦合系統(tǒng)在無負(fù)荷狀態(tài)，各溫度下的總成內(nèi)阻以及部分零件拖曳或損耗，可以發(fā)現(xiàn)是否存在零部件設(shè)計(jì)超差，導(dǎo)致機(jī)電耦合系統(tǒng)的阻力矩偏大，影響整機(jī)的系統(tǒng)效率，在后期開發(fā)中優(yōu)化，以提升系統(tǒng)的效率。

圖6和圖7為混合驅(qū)動(dòng)模式在30 ℃和90 ℃時(shí)零部件功率消耗對(duì)比。

圖6 零部件功率損耗對(duì)比(30 ℃)

圖7 零部件功率損耗對(duì)比(90 ℃)

通過該試驗(yàn)可以得出：

(1)在120 km/h時(shí)，30 ℃系統(tǒng)總損耗為4.7 kW，90 ℃系統(tǒng)總損耗為4 kW；

(2)系統(tǒng)損耗中占比最大的為機(jī)械泵與油泵齒輪的損耗，約占總損耗的50%，其中機(jī)械油泵是做有用功，而機(jī)械油泵齒輪為無用功；

(3)在120 km/h時(shí)，制動(dòng)器的拖曳損耗，30 ℃時(shí)為0.46 kW和90 ℃時(shí)為0.78 kW，拖曳損耗偏大。

4 機(jī)電耦合系統(tǒng)效率優(yōu)化方法

4.1 液壓系統(tǒng)效率優(yōu)化

液壓系統(tǒng)的工作示意圖如圖8所示。

圖8 液壓系統(tǒng)損耗分析

針對(duì)液壓系統(tǒng)，分析了幾種不同的損耗，并制定了對(duì)應(yīng)的措施：

(1)對(duì)于油泵的損失，優(yōu)化了機(jī)械泵的油壓及流量需求，以降低機(jī)械泵的能耗，同時(shí)優(yōu)化了機(jī)械泵齒輪的布置位置和速比，減少油泵齒輪的攪油損失；

(2)對(duì)于冷卻損失，通過整車的環(huán)模試驗(yàn)，降低電機(jī)和離合器、軸齒的冷卻潤(rùn)滑需求，從而降低液壓系統(tǒng)的流量需求，以達(dá)到降低冷卻潤(rùn)滑的損失的目的；

(3)對(duì)于溢流損失，優(yōu)化了主油壓和離合器回路的溢流損失；

(4)對(duì)于阻力損失，優(yōu)化了殼體油道的流阻、控制元件的流阻；

(5)對(duì)于泄漏損失，優(yōu)化了殼體的油道、閥板，以減少泄漏。

4.2 傳動(dòng)系統(tǒng)效率優(yōu)化

建立CFD仿真模型，通過攪油仿真分析所有軸承、齒輪、電機(jī)等零部件的冷卻潤(rùn)滑是否足夠，降低冷卻潤(rùn)滑風(fēng)險(xiǎn)，優(yōu)化傳動(dòng)系統(tǒng)的效率，如圖9所示。主要有以下措施：

圖9 攪油仿真分析

(1)通過優(yōu)化殼體結(jié)構(gòu)和增設(shè)導(dǎo)油槽、優(yōu)化軸系布置結(jié)構(gòu)，在滿足軸齒的冷卻潤(rùn)滑的需求上，盡量減少噴濺到齒輪的潤(rùn)滑油，以減小攪油損失；

(2)通過分析不同傾角下，機(jī)電耦合系統(tǒng)對(duì)潤(rùn)滑油的需求，以確定最小的加油量，以減小攪油損失；

(3)通過噴油管定向、定點(diǎn)噴油，減少不必要的攪油損失；

(4)通過設(shè)置單獨(dú)的液壓模塊腔體，使液壓模塊腔體的潤(rùn)滑油不能參與攪油，可減少攪油損失。

4.3 加油量?jī)?yōu)化

通過殼體結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，減少系統(tǒng)的加油量，以減少傳動(dòng)系統(tǒng)的攪油損失，優(yōu)化前后對(duì)比如圖10所示。

圖10 殼體優(yōu)化前后對(duì)比

(1)差速器位置向內(nèi)部壓縮，減少空腔體積；

(2)吸濾器安裝空腔向內(nèi)部壓縮，減少空腔體積；

(3)P擋位置移動(dòng)到中間，原位置腔體收縮，減小殼體內(nèi)部空腔。

4.4 制動(dòng)器的優(yōu)化

通過分析，制動(dòng)器的油路原理如圖11所示，拖曳扭矩大的原因是排油不暢。通過優(yōu)化制動(dòng)器的結(jié)構(gòu)，同時(shí)增加徑向甩油槽，來解決制動(dòng)器的排油不暢，以減小拖曳扭矩，提高系統(tǒng)的效率。

圖11 優(yōu)化前制動(dòng)器結(jié)構(gòu)

4.5 潤(rùn)滑油黏度的優(yōu)化

潤(rùn)滑油品的黏度對(duì)齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)的效率影響也很明顯。黏度越大，齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)的效率越低。而潤(rùn)滑油品的黏度隨溫度的變化而變化，對(duì)兩款潤(rùn)滑油品的黏度進(jìn)行了檢查，結(jié)果如圖12所示。機(jī)電耦合系統(tǒng)，采用小黏度的油品，進(jìn)一步改善系統(tǒng)的效率。

圖12 潤(rùn)滑油油品黏溫曲線

5 系統(tǒng)效率優(yōu)化測(cè)試結(jié)果

為此設(shè)計(jì)了混合動(dòng)力總成的效率測(cè)試臺(tái)架，其原理圖和實(shí)物圖如圖13和圖14所示。

圖13 效率測(cè)試臺(tái)架原理

圖14 效率測(cè)試臺(tái)架實(shí)物圖

輸入功率為電機(jī)控制器直流端輸入電功率，輸出功率為臺(tái)架輪端測(cè)功機(jī)總機(jī)械功率，效率計(jì)算公式為

式中：η系統(tǒng)為DHT的系統(tǒng)效率(%)；n輪為輪端測(cè)功機(jī)轉(zhuǎn)速(r/min)；T輪為輪端測(cè)功機(jī)轉(zhuǎn)矩(N·m)；P直流為電機(jī)控制器直流端輸入電功率(kW)。

通過效率優(yōu)化后的測(cè)試，發(fā)現(xiàn)所提出的效率優(yōu)化措施能有效提高系統(tǒng)的效率，測(cè)試結(jié)果如表2所示。低速低扭段的效率改善最明顯，提高了5.54%。這是由于低速低扭段的輸入總功率較小，降低損耗，對(duì)效率提升會(huì)更明顯。在高速高扭段，效率也提升了0.76%。通過效率優(yōu)化，機(jī)電耦合系統(tǒng)效率達(dá)到了92.69%。

表2 機(jī)電耦合系統(tǒng)效率改善效果

6 結(jié)論

想要達(dá)到較優(yōu)的經(jīng)濟(jì)性，必須從整車層面去優(yōu)化系統(tǒng)效率，在這方面，豐田、本田和通用已經(jīng)做了很多的工作，且取得了很好的效果。

文中針對(duì)開發(fā)中的某機(jī)電耦合系統(tǒng)，通過拖曳損耗測(cè)試，找到影響機(jī)電耦合系統(tǒng)的關(guān)鍵因素，提出了液壓系統(tǒng)效率優(yōu)化、傳動(dòng)系統(tǒng)效率優(yōu)化、加油量?jī)?yōu)化、制動(dòng)器拖曳扭矩優(yōu)化、潤(rùn)滑油黏度的優(yōu)化的措施。通過機(jī)電耦合系統(tǒng)總成的效率測(cè)試，機(jī)電耦合系統(tǒng)的各工作點(diǎn)的效率均有所改善。低速低扭段的效率改善最明顯，提高了5.54%。在高速高扭段，效率也提升了0.76%。通過效率優(yōu)化，機(jī)電耦合系統(tǒng)效率達(dá)到了92.69%。試驗(yàn)結(jié)果表明，文中所提出的效率優(yōu)化方法是有效的。