关于小型车混合动力装置的开发设计
通过动力装置电气化改善车辆燃油经济性，是满足严格的燃油经济性法规的1项关键技术。但是，仅有少量的诸如b级小型车辆采用了电动装置，这是因为燃油经济性的提高相对于成本增加十分有限，而且还需额外增加电动装置的安装空间。研究了适合于小型车辆的强混合系统的最佳解决方案。首先，从能量效率最大化方面，比较了不同驱动模式中发动机效率和变速器效率分配，并为小型车辆选择了合适的自动变速器。比较混合动力系统功能时，确定了电动发电机连接方式，以及为同时满足燃油经济性和驾驶性能的电动机输出功率。此外，为实现换档过程中扭矩无中断和相对传统手动变速器较短的轴长，设计了电动发电机和变速器档位布置。开发了机械自动变速混合系统原型机和试验用车。最后介绍了能够实现扭矩无中断、灵活驾驶性能的换档顺序，及其在车辆上应用的评估结果。
近些年，由于全球变暖和能源消耗问题，燃油经济性法规变得更为严格。电动动力装置可有效改善燃油经济性，以此为基础开发了几种混合动力装置。然而，仅有少量的小型车辆采用了如强混合系统的电动动力装置。原因是燃油经济性的提高相对于成本增加十分有限，而且还需额外增加的电动装置的安装空间。
本研究中，日本爱信精机公司介绍了1种适合于小型车辆的混合动力系统及其机械自动变速器(hv-amt)的验证结果。
1混合系统选择
电动力装置通常基于电气化程度和功能进行分类(图1)。考虑到未来严格的燃油经济性法规，本文侧重研究强混合动力。为选择系统类型/结构，能量效率综合了发动机效率和变速器效率，并作为改善燃油经济性的1种方法。
为提高发动机效率，使发动机集中运行在高效区域(优化运行工况点)。无级变速器(cvt)可以实现此功能。图2为1．0 l发动机车辆在la 4号模式运行期间的工况模拟结果。
图1 电气化程度和功能
图2 la 4号模式运行期间发动机工况点
从图2可知，小型车辆通常采用发动机高效区域，即使在认证驱动模式期间，如la 4号。对小型车辆而言，cvt较有级变速器稍有优势。
表1示出典型变速器的传动效率特性。运行中仅在换档情况下使用液压压力的机械自动变速器(amt)和双离合器自动变速器(dct)，传动效率最高，而利用液力变矩器保持传动比的自动变速器(at)传递效率次之;通过滑轮和钢制皮带摩擦传递扭矩的cvt，效率最低。
表1 典型变速器特性
注:［0］参照;［+］优势;［－］劣势;［－－］极大劣势
就成本和外形尺寸而言，amt最为合适。但是，atm因换档期间扭矩中断，会产生换档冲击，其他变速器则不会。
根据以上内容，图3示出了1．0 l发动机车辆的能量效率(发动机效率×变速器效率)的模拟结果。
图3 能量效率模拟结果
如图3所示，amt、dct和cvt的能量效率最高。at的发动机效率较amt和dct更佳。因为at的变矩器的传动比设置的大。
依据以上结果，amt相对其他变速器，具有能效高，成本低的优点，因此被选作混合系统的基型变速器，以实现小型车辆最大燃油经济性。为消除amt造成的换档冲击，在换档过程中，通过电机作为辅助动力。
2设计理念
2.1 电动机/发电机连接点高
在确定驱动装置结构时，研究了各种电动机/发电机(m/g)连接点能够实现的功能，各种连接点对比如图4所示。
输入轴连接指m/g在发动机和变速器之间，发动机可通过离合器断开。输出轴连接指m/g位于变速器输出轴。输入轴和输出轴连接指m/g放置于第三轴，2个离合器可从输入或输出轴断开。后轮连接指m/g安装在后驱动轴上。
如上所述，hv-amt换档期间需提供辅助动力。此外，选择了具有最佳混合功能的“输入轴和输出轴连接”。
图4 m/g连接点比较
2.2 m/g 驱动性能高
为确定持续的m/g输出，研究了混合动力车辆的回收特性和ev驱动区域。为确定用户要求的最大车辆速度，考虑了道路平面到山上的坡度变化。在城市行驶工况期间，发动机频繁起动停机为不理想状态。在3%坡度的路况、满载条件下车速达到60 km/h，持续m/g功率设置为10 kw。为了在减速工况下回收足够的能量，应确定最大的m/g功率。在认证驱动模式，以及高速上车辆从100 km/h开始以0．1 g的减速度减速期间，设置最大功率30 kw回收100%能量(图5)。
图5 ev所需的驱动力
为扩大电驱动工作区域，选择了双速电动机装置(图6)。mt自由传动比，m/g最大扭矩减小使m/g尺寸减小，能够使其安装于较小空间。
2.3 amt 设计高
amt变速器具有良好的传动效率，但是为了提高变速器效率，测试了额外损失的降低。amt具有同步装置阻力损失、搅动损失和其他阻力损失(图7)。即使增加昂贵的设备，仍不可能消除变速器中的搅动损失和其他阻力损失。因此，选择去掉同步装置，最大可能地提高变速器效率。
2.4 传动比设计高
为利用hv-amt的高传动效率，在高速行驶时，基于高能量效率设计了5档传动比。然而，考虑到高速爬坡和高速通过时为临界驱动力，将工况点从发动机最大效率区域移向稍低负荷侧。
图6 ev驱动区域扩展和尺寸减小
图7 amt损失
设计4档传动比时，考虑了高速行驶时的加速特性和高能量效率(图8)。
1档传动比要求起动加速性能和爬坡性能。电池剩余电量(soc)低时，为使车辆在无电动发电机驱动的情况下也能满足爬坡性能，对传动比进行设计。
设计2档和3档传动比时，综合考虑车辆的加速性能和换档感受，从低档到高档的传动比比值以相同的速率减小。
图9所示为根据以上研究得到的1～5档的传动比比值。
图8 4档和5档传动比
图9 传动比比值
为获得足够大的起动加速度，对ev1的传动比进行设计。为了避免车辆最大速度时超速造成电动机损坏，对ev2的传动比进行设计。
3系统结构
基于以上设计理念，对hv-amt系统结构进行设计。
hv-amt系统采用3轴结构以减小轴长度。电动机与hv-amt系统连接点齿轮是通用的，以减少齿轮数量。
如图10所示，电动机连接于带减速齿轮的2档和4档，并联安装，使其与传统变速器具有相同的轴长。
hv-amt有3种运行模式(表2)。(1)ev驱动模式:啮合齿轮［2］或［4］，可以选择2种减速传动比并执行ev驱动。如图11所示，发动机处于停机工况。(2)发电模式:仅啮合齿轮［a］，在停车期间发电。(3)混合驱动模式［hv］:啮合齿轮［1］、［2］、［3］、［4］、［5］或者［r］，可以啮合齿轮进行驱动。
通过啮合齿轮［2］或［4］，可以实现m辅助驱动或能量回收。如果发动机第2档或4档驱动，齿轮［a］必须啮合。当5档行驶时，如高速行驶，也可以分离m/g，消除m/g阻力损失。
该结构通过m/g辅助驱动，使hv-amt消除了换档冲击。以下，将2档到3档的换档过程作为1个案例进行描述(图12)。在需要换档时，减小发动机扭矩并分离离合器。同时增加m/g辅助驱动力，避免驱动力中断;分离齿轮［a］，然后啮合［3］;增加发动机扭矩并啮合离合器。降低m/g，辅助驱动力。
图10 hv-amt轮廓图
图11 2档到3档的换档过程
表2 运行模式
注:×为啮合状态。
换档期间，采用该方法使ev1档齿轮持续啮合，避免驱动力中断。
在发动机驱动期间，采用3档，m/g齿轮可从ev1变化到ev2，不会影响驱动力。如此，对于1档到2档和2档到3档换档，通过ev1实现m/g辅助驱动，对于3档到4档和4档到5档换档，通过ev2实现m/g辅助驱动。
图12为hv-amt的截面图和规格，图13为hv-amt总视图和a－a截面图。通过图中所示的变速器齿轮、轴和m/g布置，可以实现曲轴端到变速器箱边缘335 mm的变速器轴长距离。335 mm的变速器轴长小于小型车传统的手动变速器轴长，后者约350 mm，可以安装于小型车辆。实际开发了hv-amt样机，并安装于小型试验用车，进行车辆评估。
图12 hv-amt的截面图和规格
图13 hv-amt原型机总视图
4试验车辆评估
图14为2档换到3档的换档正时图。接收到2档向3档的换档命令后，减小发动机扭矩和离合器下压负荷。增加m/g辅助驱动力，避免驱动力中断。然后［a］分离，使输入轴从输出轴断开。通过发动机将输入轴转速同步到3档转速。同步后，松开离合器并啮合［3］。啮合后，开始增加发动机扭矩并增大离合器下压负荷。同时减小m/g辅助驱动力，换到3档。
图14 2档到3档的换档正时
图15 试验车评估结果
为确定图14所示的换档顺序能够实现扭矩无中断换档，在安装了hv-amt的原型车上对顺序进行评估。图15为车辆换档的评估结果，该方法避免了驱动力中断。
通过标定m/g扭矩，如快速换档(图16)时扭矩快速变化和平稳换档(图17)时扭矩平稳变化，可以对换档感知进行调节控制。
图16 快速换档感知输入轴
图17 平稳换档
5结论
本研究介绍了优化的小型车辆强混合系统的开发结果。通过对装有各种变速器的小型车辆的研究表明，amt、dct和cvt燃油经济性最高。基于本研究和成本原因(优于其他变速器)选择了amt。
m/g“输入和输出连接轴”连接实现了扭矩无中断换档和混合动力功能，如电力驱动，以及停车期间进行发电。
与传统手动变速器相比，hv-amt样机的轴长更短，可以安装在样车内。通过样车试验确定了能够实现扭矩无中断换档，并发现通过电动机扭矩标定可实现灵活驾驶。
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电动力装置通常基于电气化程度和功能进行分类(图1)。考虑到未来严格的燃油经济性法规，本文侧重研究强混合动力。为选择系统类型/结构，能量效率综合了发动机效率和变速器效率，并作为改善燃油经济性的1种方法。
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图2 la 4号模式运行期间发动机工况点
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图3 能量效率模拟结果
如图3所示，amt、dct和cvt的能量效率最高。at的发动机效率较amt和dct更佳。因为at的变矩器的传动比设置的大。
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输入轴连接指m/g在发动机和变速器之间，发动机可通过离合器断开。输出轴连接指m/g位于变速器输出轴。输入轴和输出轴连接指m/g放置于第三轴，2个离合器可从输入或输出轴断开。后轮连接指m/g安装在后驱动轴上。
如上所述，hv-amt换档期间需提供辅助动力。此外，选择了具有最佳混合功能的“输入轴和输出轴连接”。
图4 m/g连接点比较
2.2 m/g 驱动性能高
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为扩大电驱动工作区域，选择了双速电动机装置(图6)。mt自由传动比，m/g最大扭矩减小使m/g尺寸减小，能够使其安装于较小空间。
2.3 amt 设计高
amt变速器具有良好的传动效率，但是为了提高变速器效率，测试了额外损失的降低。amt具有同步装置阻力损失、搅动损失和其他阻力损失(图7)。即使增加昂贵的设备，仍不可能消除变速器中的搅动损失和其他阻力损失。因此，选择去掉同步装置，最大可能地提高变速器效率。
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图8 4档和5档传动比
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为获得足够大的起动加速度，对ev1的传动比进行设计。为了避免车辆最大速度时超速造成电动机损坏，对ev2的传动比进行设计。
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图10 hv-amt轮廓图
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注:×为啮合状态。
换档期间，采用该方法使ev1档齿轮持续啮合，避免驱动力中断。
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图12为hv-amt的截面图和规格，图13为hv-amt总视图和a－a截面图。通过图中所示的变速器齿轮、轴和m/g布置，可以实现曲轴端到变速器箱边缘335 mm的变速器轴长距离。335 mm的变速器轴长小于小型车传统的手动变速器轴长，后者约350 mm，可以安装于小型车辆。实际开发了hv-amt样机，并安装于小型试验用车，进行车辆评估。
图12 hv-amt的截面图和规格
图13 hv-amt原型机总视图
4试验车辆评估
图14为2档换到3档的换档正时图。接收到2档向3档的换档命令后，减小发动机扭矩和离合器下压负荷。增加m/g辅助驱动力，避免驱动力中断。然后［a］分离，使输入轴从输出轴断开。通过发动机将输入轴转速同步到3档转速。同步后，松开离合器并啮合［3］。啮合后，开始增加发动机扭矩并增大离合器下压负荷。同时减小m/g辅助驱动力，换到3档。
图14 2档到3档的换档正时
图15 试验车评估结果
为确定图14所示的换档顺序能够实现扭矩无中断换档，在安装了hv-amt的原型车上对顺序进行评估。图15为车辆换档的评估结果，该方法避免了驱动力中断。
通过标定m/g扭矩，如快速换档(图16)时扭矩快速变化和平稳换档(图17)时扭矩平稳变化，可以对换档感知进行调节控制。
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m/g“输入和输出连接轴”连接实现了扭矩无中断换档和混合动力功能，如电力驱动，以及停车期间进行发电。
与传统手动变速器相比，hv-amt样机的轴长更短，可以安装在样车内。通过样车试验确定了能够实现扭矩无中断换档，并发现通过电动机扭矩标定可实现灵活驾驶。
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