梁穎華，徐向陽(yáng)，趙江靈,，祁宏鐘，朱永明，張安偉，董 鵬*，徐 滎

（1.北京航空航天大學(xué) 交通科學(xué)與工程學(xué)院，北京 102206；2.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）

隨著中國(guó)加入《巴黎協(xié)定》，中國(guó)承諾2030年實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰，2060年實(shí)現(xiàn)碳中和，中國(guó)碳中和之路面臨巨大挑戰(zhàn)，也必將帶動(dòng)整個(gè)能源、工業(yè)領(lǐng)域的產(chǎn)業(yè)變革，中國(guó)汽車產(chǎn)業(yè)更是承諾需要在2028年實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰，這對(duì)中國(guó)汽車產(chǎn)業(yè)提出了嚴(yán)苛的要求。在《節(jié)能與新能源技術(shù)路線圖2.0》規(guī)劃中，混合動(dòng)力新車占比提高，2035年將全面替代傳統(tǒng)能源車型。隨著環(huán)保政策、油耗法規(guī)趨嚴(yán)及節(jié)能路線的規(guī)劃，混合動(dòng)力將是傳統(tǒng)車企必然之路。

開發(fā)混合動(dòng)力汽車已成為國(guó)內(nèi)外各汽車公司的當(dāng)務(wù)之急，而機(jī)電耦合系統(tǒng)又是混合動(dòng)力汽車的核心，開發(fā)出先進(jìn)的機(jī)電耦合系統(tǒng)，對(duì)提高混合動(dòng)力汽車產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)力具有關(guān)鍵作用。目前各個(gè)公司都在開發(fā)專用的混動(dòng)系統(tǒng)，國(guó)外的主要有豐田開發(fā)的THS-Ⅳ系統(tǒng)、本田開發(fā)的i-MMD-Ⅲ系統(tǒng)。國(guó)內(nèi)的各企業(yè)也在開發(fā)專用的混動(dòng)系統(tǒng)：長(zhǎng)城推出了檸檬混合動(dòng)力專用變速器（Dedicated Hybrid Transmission, DHT）混動(dòng)系統(tǒng)，比亞迪推出了DM-i混動(dòng)系統(tǒng)，廣汽推出了G-MC2.0混動(dòng)系統(tǒng)。

新的機(jī)電耦合系統(tǒng)都是混合動(dòng)力專用變速箱，都是將機(jī)械傳動(dòng)、電機(jī)、電機(jī)控制器等部件高度集成，系統(tǒng)的效率得到了進(jìn)一步的提高。目前相關(guān)的效率仿真多集中于常規(guī)變速箱，對(duì)于集成了電機(jī)和電機(jī)控制器的混合動(dòng)力變速箱的效率仿真研究較少。

本文提出了一種新的系統(tǒng)效率仿真方法，即通過(guò)KISSsoft計(jì)算機(jī)械傳動(dòng)部件的效率，再通過(guò)單體臺(tái)架測(cè)試離合器拖曳、機(jī)械泵的損耗、電機(jī)和電機(jī)控制器的損耗，綜合計(jì)算機(jī)電耦合系統(tǒng)各個(gè)模式的效率。然后通過(guò)機(jī)電耦合系統(tǒng)總成的臺(tái)架測(cè)試，以驗(yàn)證仿真的有效性。分析各個(gè)部件的損耗占系統(tǒng)總損耗的比重，找到影響效率的關(guān)鍵因素，有針對(duì)性地提出改善效率的方法，并制定有效措施，以提升系統(tǒng)效率。本文提出了一個(gè)適合混合動(dòng)力機(jī)電耦合系統(tǒng)的效率仿真方法和效率改善措施，對(duì)混合動(dòng)力機(jī)電耦合系統(tǒng)的開發(fā)具有重要的工程應(yīng)用價(jià)值。

1 機(jī)電耦合系統(tǒng)效率仿真

1.1 機(jī)械傳動(dòng)部分效率仿真總體思路

系統(tǒng)的效率仿真主要考慮齒輪的嚙合損耗、齒輪的攪油損耗、軸承的損耗、油封的損耗、離合器拖曳的損耗、油泵的損耗、電機(jī)的損耗、電機(jī)控制器的損耗等。

因?yàn)辇X輪等機(jī)械傳動(dòng)的效率仿真相對(duì)比較準(zhǔn)確，而離合器拖曳的損耗、油泵的損耗、電機(jī)的損耗、電機(jī)控制器的損耗因產(chǎn)品而異，不同產(chǎn)品差別較大。所以，齒輪的嚙合損耗、齒輪的攪油損耗、軸承的損耗、油封的損耗通過(guò)KISSsoft仿真計(jì)算，而離合器拖曳的損耗、油泵的損耗、電機(jī)的損耗、電機(jī)控制器的損耗通過(guò)單體臺(tái)架測(cè)試，查表獲取各工況點(diǎn)的功率損耗。最后根據(jù)不同的零部件的損耗，再計(jì)算系統(tǒng)的效率。機(jī)電耦合系統(tǒng)效率仿真思路如圖1所示。

1.2 機(jī)械傳動(dòng)部分效率仿真分析

1.2.1 齒輪運(yùn)轉(zhuǎn)產(chǎn)生的功率損失

齒輪的損失有兩種，一種是由于嚙合引起的，這是一種載荷損失，根據(jù)ISO 14179標(biāo)準(zhǔn)，齒輪嚙合產(chǎn)生的功率損失為

式中，為嚙合產(chǎn)生的功率損失（kW）；為嚙合齒輪齒面的摩擦因數(shù)；為輸入軸齒輪傳遞的轉(zhuǎn)鏈（Nm）；為輸入齒輪的轉(zhuǎn)速（r/min）；為齒輪的螺旋角；為系數(shù)，表達(dá)式為

式中，為端面壓力角；為嚙合起始點(diǎn)的滑動(dòng)率；為嚙合結(jié)束時(shí)的滑動(dòng)率。

由式（1）可得，齒輪嚙合產(chǎn)生的載荷損失與齒輪的輸入轉(zhuǎn)矩、嚙合齒面的摩擦因數(shù)及輸入轉(zhuǎn)速成正比，與齒面之間的滑動(dòng)率成反比。優(yōu)化齒面參數(shù)、提高齒輪表面粗糙度和減少齒面之間的滑動(dòng)率，對(duì)提高變速器效率是有益的。

齒輪運(yùn)轉(zhuǎn)產(chǎn)生的另外一種損失是運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的風(fēng)阻損失和攪油損失，這種損失可分為齒輪外徑、端面和嚙合齒面產(chǎn)生的損失，分別用式（3）—式（5）計(jì)算。

式中，為風(fēng)阻損失和攪油損失（kW）；為齒輪的浸油系數(shù)；為齒輪的外徑（mm）；為常數(shù)，一般為0.2；為變速器中潤(rùn)滑油運(yùn)動(dòng)粘度；為齒輪轉(zhuǎn)速（r/min）；為長(zhǎng)度（mm）；為齒輸表面粗糙度系數(shù)；為齒面寬度（mm）；為螺旋角（rad）。

1.2.2 軸承的發(fā)熱損失

1.軸承的功率損耗

根據(jù)ISO14179，軸承的功率損失計(jì)算公式如下：

式中，為隨軸承載荷而定的轉(zhuǎn)矩，為隨圓柱滾子軸承的軸向載荷而定的轉(zhuǎn)矩，為軸承轉(zhuǎn)速。

表達(dá)式為

式中，為摩擦系數(shù)，為軸承動(dòng)載荷，為軸承平均直徑。

表達(dá)式為

式中，為與軸承設(shè)計(jì)和潤(rùn)滑劑有關(guān)的系數(shù)，為軸向載荷，為軸承平均直徑。

2.軸承的風(fēng)阻和攪油損耗

每個(gè)軸承的功率損耗可用下式計(jì)算

是與載荷無(wú)關(guān)的摩擦轉(zhuǎn)矩。

式中，為潤(rùn)滑油浸油系數(shù)；為軸承的平均半徑（mm）；為變速器中潤(rùn)滑油運(yùn)動(dòng)粘度；為齒輪轉(zhuǎn)速（r/min）。

為軸承密封的摩擦轉(zhuǎn)矩，表達(dá)式為

式中，，為軸承密封系數(shù)。

1.2.3 油封引起的功率損失

變速器內(nèi)油封引起的損失是一種接觸損失，這種損失是一直存在的，油封的功率損失可以通過(guò)式（11）計(jì)算：

式中，為單個(gè)油封的功率掘失（kW）；為油封傳遞的轉(zhuǎn)矩（Nm）；為軸的轉(zhuǎn)速（r/min）。

本文以純電動(dòng)模式為例，分析DHT的機(jī)械傳動(dòng)效率、DHT本體效率、DHT系統(tǒng)效率。仿真模型如圖2所示。

仿真工況為：電機(jī)轉(zhuǎn)速1 000 r/min～5 000 r/min，步長(zhǎng)為1 000 r/min；電機(jī)的扭矩為50 Nm～250 Nm，步長(zhǎng)為50 Nm。仿真結(jié)果見(jiàn)表1。

1.3 單體臺(tái)架測(cè)試

1.3.1 離合器拖曳

離合器拖曳轉(zhuǎn)矩由外轂攪油和內(nèi)部拖曳組成，理論計(jì)算公式繁瑣且理論計(jì)算與離合器實(shí)際拖曳相差較大。所以采用單體臺(tái)架測(cè)試離合器的拖曳扭矩曲線，再根據(jù)不同的工況點(diǎn)，查表計(jì)算其離合器的功率損失。

1.3.2 機(jī)械泵單體效率測(cè)試

機(jī)械泵與DHT輸入端通過(guò)齒輪傳動(dòng)連接，為模式切換、潤(rùn)滑、冷卻提供液壓力和潤(rùn)滑油。機(jī)械油泵工作時(shí)的驅(qū)動(dòng)力矩是變速器的阻力矩之一。機(jī)械泵單體效率測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表2。

1.3.3 電機(jī)及電機(jī)控制器的單體效率測(cè)試

電機(jī)效率測(cè)試臺(tái)架原理如圖3所示。電機(jī)系統(tǒng)輸入功率為電機(jī)控制器直流母線輸入的電功率，輸出功率為電機(jī)軸端的機(jī)械功率，在無(wú)功率分析儀時(shí)電動(dòng)工作狀態(tài)下的效率按式（1）求取。

電機(jī)的效率為

電機(jī)控制器的效率為

式中，為電機(jī)效率（%）；為輸入電機(jī)控制器直流母線電壓（V）；為輸入電機(jī)控制器直流母線電流（A）；為電機(jī)控制器直流母線輸出電壓（V）；為電機(jī)控制器直流母線輸出電流（A）；為電機(jī)效率（%）；為電機(jī)轉(zhuǎn)速（r/min）；為電機(jī)軸端轉(zhuǎn)矩（Nm）。

驅(qū)動(dòng)電機(jī)及控制器的單體效率測(cè)試結(jié)果分別見(jiàn)表3、表4。

1.4 DHT效率仿真結(jié)果

1.4.1 DHT機(jī)械傳動(dòng)效率仿真結(jié)果

綜合KISSsoft計(jì)算得到的齒輪的嚙合損耗、齒輪的攪油損耗、軸承的損耗、油封的損耗和單體臺(tái)架得到的離合器拖曳的損耗、油泵的損耗，最后再計(jì)算系統(tǒng)的機(jī)械傳動(dòng)效率，結(jié)果如表5所示。

通過(guò)以上仿真分析和單體臺(tái)架測(cè)試，可以計(jì)算出各個(gè)工況點(diǎn)的機(jī)械傳動(dòng)效率，結(jié)果如表6所示。機(jī)電耦合系統(tǒng)的機(jī)械傳動(dòng)效率隨著電機(jī)轉(zhuǎn)速的升高、電機(jī)扭矩的增加而升高，最高效率可達(dá)97.5%。

1.4.2 DHT本體效率仿真結(jié)果

綜合DHT機(jī)械傳動(dòng)效率和電機(jī)的單體效率測(cè)試結(jié)果，可以計(jì)算出DHT本體的效率，結(jié)果如表7所示。由于電機(jī)的最高效率點(diǎn)并非最高轉(zhuǎn)速、最大扭矩點(diǎn)，所以DHT本體的最高效率點(diǎn)發(fā)生了變化。本機(jī)型的最高效率點(diǎn)為5 000 r/min、150 Nm工況點(diǎn)，最高效率為93.01%。

1.4.3 DHT系統(tǒng)效率仿真結(jié)果

綜合DHT本體效率仿真結(jié)果和電機(jī)控制器的單體測(cè)試結(jié)果，可以計(jì)算出DHT系統(tǒng)的效率，結(jié)果如表8所示。本機(jī)型的機(jī)電耦合系統(tǒng)最高效率為91.07%。

2 機(jī)電耦合系統(tǒng)總成臺(tái)架效率測(cè)試

通過(guò)以上方法，雖然可以計(jì)算出DHT的機(jī)械傳動(dòng)效率、本體效率、系統(tǒng)效率，但是其準(zhǔn)確性需要通過(guò)總成的臺(tái)架進(jìn)行驗(yàn)證。為此設(shè)計(jì)了混合動(dòng)力總成的效率測(cè)試臺(tái)架。

2.1 DHT本體效率測(cè)試

輸入功率為電機(jī)三相輸入電功率，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)算如式（14）所示。

式中，為DHT本體效率（%）；為輪端測(cè)功機(jī)轉(zhuǎn)速（r/min）；為輪端測(cè)功機(jī)轉(zhuǎn)矩（Nm）；為電機(jī)三相電功率（kW）。

DHT本體效率（實(shí)測(cè)）結(jié)果如表9所示。

2.2 DHT系統(tǒng)效率測(cè)試

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)算如下

式中，為DHT的系統(tǒng)效率（%）；為輪端測(cè)功機(jī)轉(zhuǎn)速（r/min）；為輪端測(cè)功機(jī)轉(zhuǎn)矩（Nm）；為電機(jī)控制器直流端輸入電功率（kW）。

DHT系統(tǒng)效率（實(shí)測(cè)）結(jié)果如表10所示。

通過(guò)仿真與實(shí)測(cè)對(duì)比，發(fā)現(xiàn)各工況點(diǎn)的仿真效率與實(shí)測(cè)效率比較接近。在低速低扭段的差別較大，達(dá)到了3.46%，在高速高扭段的差值基本相當(dāng)，測(cè)試相差最小為0.07%。低速低扭段差值較大的原因可能是系統(tǒng)的總輸入功率比較小，各部件的損耗占比相對(duì)比較大，系統(tǒng)測(cè)試時(shí)，由于扭矩波動(dòng)的影響，測(cè)試誤差相對(duì)較大。DHT本體與系統(tǒng)仿真與實(shí)測(cè)差值分別如表11、表12所示。

3 機(jī)電耦合系統(tǒng)效率優(yōu)化

3.1 影響效率的關(guān)鍵因素分析

通過(guò)仿真和總成的臺(tái)架測(cè)試，都得到了DHT本體、DHT系統(tǒng)的效率，可以得到各個(gè)部件的損耗及占比，為效率優(yōu)化提供了思路。效率優(yōu)化思路如圖4所示。

通過(guò)以上分析，可以發(fā)現(xiàn)該機(jī)型的軸承平均損耗達(dá)到0.7 kW以上，占比達(dá)到41.21%；齒輪平均損耗達(dá)到0.72 kW以上，占比達(dá)到42.17%；離合器的平均損耗達(dá)到0.17 kW，占比達(dá)到9.87%；機(jī)械泵損耗占比達(dá)到5.19%；攪油損耗達(dá)到1.22%。

3.2 提高DHT效率的方法

根據(jù)仿真計(jì)算和實(shí)際試驗(yàn)結(jié)果，我們找出了影響變速器效率的關(guān)鍵因素：

（1）采用低摩擦軸承。通過(guò)減小軸承的尺寸、減少滾動(dòng)體的數(shù)量、優(yōu)化軸承內(nèi)部結(jié)構(gòu)、減少潤(rùn)滑油的攪油損失等來(lái)減少軸承損失。但減小軸承尺寸、減少滾動(dòng)體的數(shù)量受到軸承壽命的限制，優(yōu)化軸承的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、采用更好的材料、改善熱處理和制造工藝可以減少軸承摩擦損失。

（2）降低液壓系統(tǒng)的損耗。主要措施有降低機(jī)械泵的排量、降低系統(tǒng)主油壓、增加機(jī)械泵的擋油板。

（3）優(yōu)化變速器內(nèi)部潤(rùn)滑結(jié)構(gòu)，盡最大限度減少齒輪高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的攪油損失。

（4）潤(rùn)滑油品的粘度對(duì)齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)的效率影響也很明顯。采用低粘度的潤(rùn)滑油，來(lái)降低變速器中齒輪的攪油損失。

3.3 DHT效率優(yōu)化結(jié)果

采用效率優(yōu)化措施，DHT的本體效率和DHT的系統(tǒng)效率均有所提升。提升效果分別如表13、表14所示。優(yōu)化后DHT的本體最高效率為93.65%，DHT的系統(tǒng)最高效率為92.69%。效率優(yōu)化結(jié)果如表15所示。

4 結(jié)論

本文提出了一種新的系統(tǒng)效率仿真的方法，即通過(guò)KISSsoft計(jì)算機(jī)械傳動(dòng)部件的效率，再通過(guò)單體臺(tái)架測(cè)試離合器拖曳、機(jī)械泵的損耗、電機(jī)和電機(jī)控制器的損耗，綜合計(jì)算機(jī)電耦合系統(tǒng)各個(gè)模式的效率。然后通過(guò)機(jī)電耦合系統(tǒng)總成的臺(tái)架測(cè)測(cè)試，以驗(yàn)證仿真的有效性。通過(guò)效率仿真和總成的臺(tái)架測(cè)試，分析各個(gè)部件的損耗占系統(tǒng)總損耗的比重，找到影響效率的關(guān)鍵因素，有針對(duì)性地提出改善效率的方法，并制定有效措施，以提升系統(tǒng)效率。本文提出了一個(gè)適合混合動(dòng)力機(jī)電耦合系統(tǒng)的效率仿真方法和效率改善措施，對(duì)混合動(dòng)力機(jī)電耦合系統(tǒng)的開發(fā)具有重要工程應(yīng)用價(jià)值。