基于DCT的混合動(dòng)力電驅(qū)變速器的研究及電氣設(shè)計(jì)

陳 岳 殷承良(上海交通大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，上海 200240)

基于DCT的混合動(dòng)力電驅(qū)變速器的研究及電氣設(shè)計(jì)

陳 岳 殷承良
(上海交通大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，上海 200240)

本文以對(duì)基于DCT的混合動(dòng)力電驅(qū)變速器的研究和對(duì)其在整車的電氣設(shè)計(jì)為目標(biāo)，使用AutoCAD Electrical軟件繪制了機(jī)電耦合電驅(qū)變速器替代EDU之后的整車高低壓配電原理圖，設(shè)計(jì)了混動(dòng)系統(tǒng)中主要控制器的外部接口并對(duì)其進(jìn)行相互連接，依據(jù)汽車電系導(dǎo)線線徑和顏色設(shè)計(jì)的基本原則，設(shè)計(jì)連接導(dǎo)線的線徑和顏色，最后從電子泵電機(jī)控制器、TCU和PCU外部線路的接插件選擇和線束長(zhǎng)度兩方面，對(duì)機(jī)電耦合電驅(qū)變速器在整車的線束進(jìn)行了設(shè)計(jì)。

混合動(dòng)力 DCT雙離合變速器 EDU智能電驅(qū)變速器 高低壓配電 線束設(shè)計(jì)

0 引言

環(huán)境污染尤其是大氣污染日益嚴(yán)重、傳統(tǒng)能源儲(chǔ)量日趨緊張的今天，以電動(dòng)汽車為代表的新能源汽車由于其節(jié)能環(huán)保、能量來源廣泛等優(yōu)點(diǎn)越來越受到人們的重視和青睞?；旌蟿?dòng)力作為橋梁連接傳統(tǒng)與未來，機(jī)電耦合的全混合動(dòng)力是節(jié)能的最佳選擇，機(jī)電耦合箱技術(shù)是企業(yè)的戰(zhàn)略制高點(diǎn)。

雙離合變速器DCT除了具有自動(dòng)變速器的舒適性和手動(dòng)變速器的靈活性外，它還能夠提供不間斷的動(dòng)力輸出。DCT360橫置前驅(qū)濕式雙離合器自動(dòng)變速器，代表當(dāng)今最先進(jìn)的變速器技術(shù)。由上海汽車變速器有限公司SAGW、上汽股份有限公司技術(shù)中心SMTC和德國(guó)GIF三方聯(lián)合開發(fā)，上海汽車變速器有限公司SAGW具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)。采用手動(dòng)變速器傳動(dòng)單元，配備雙離合器主體結(jié)構(gòu)，由變速器控制單元TCU作為換擋執(zhí)行單元對(duì)換擋進(jìn)行精確控制[1]。

上汽榮威E550搭載的EDU智能電驅(qū)變速器主要是集成了兩個(gè)電機(jī)、兩個(gè)離合器和一套兩個(gè)擋位的齒輪組，相當(dāng)于是把動(dòng)力單元和傳動(dòng)單元全都集成在了一起，混合動(dòng)力系統(tǒng)當(dāng)中的兩個(gè)電機(jī)即主電機(jī)和輔助電機(jī)全都放置在了這個(gè)變速器當(dāng)中。上汽EDU智能電驅(qū)變速器采用雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)，而單電機(jī)具有空間緊湊和低成本優(yōu)勢(shì)，而且技術(shù)難度相對(duì)較低，性價(jià)比較高[2]。因此最終選擇濕式DCT+單電機(jī)的耦合方案，替代原車的EDU電驅(qū)變速器。將原車中的整車控制器替換成新的HCU，對(duì)原車進(jìn)行機(jī)械結(jié)構(gòu)、電氣系統(tǒng)和控制系統(tǒng)進(jìn)行改制，本文主要針對(duì)整車電氣系統(tǒng)的高低壓配電線路和線束進(jìn)行重新設(shè)計(jì)。新開發(fā)的單電機(jī)驅(qū)動(dòng)的機(jī)電耦合電驅(qū)變速器的示意圖如下：

圖1 新開發(fā)的單電機(jī)驅(qū)動(dòng)的電驅(qū)變速器

1 汽車電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)各主要部件的整車布置

原車中的EDU智能電驅(qū)變速器是采用雙電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，而新開發(fā)的機(jī)電耦合電驅(qū)變速器采用單電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，隨之與原車相比，會(huì)產(chǎn)生許多配套的新增件、改制件和沿用件。因此，由此導(dǎo)致的汽車電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的各主要部件在整車的位置布置需要重新進(jìn)行設(shè)計(jì)。

本文主要研究機(jī)電耦合電驅(qū)變速器替換原車EDU智能電驅(qū)變速器后其在整車的電氣設(shè)計(jì)，因此，只需設(shè)計(jì)高壓電源、整車控制器HCU、變速器控制TCU、電機(jī)控制器PCU和電子泵電機(jī)控制器及其所控制部件在整車的布置位置。以盡量保持原車相關(guān)部件布置位置不變和確保所有部件不發(fā)生機(jī)械結(jié)構(gòu)干涉為原則，以上各部件的布置位置如下：高壓電源布置在后行李艙地板下，整車控制器HCU布置在主駕駛座下方，變速器控制器TCU布置在副駕駛座下方，EDU的雙電機(jī)替換為單電機(jī)后在前艙留下空余空間，新設(shè)計(jì)的基于DCT的機(jī)電耦合電驅(qū)變速器布置在該空余空間位置，電機(jī)控制器PCU和電子泵電機(jī)控制器布置在前艙且遠(yuǎn)離發(fā)動(dòng)機(jī)處，盡量靠近電驅(qū)變速器。

2 電氣原理圖及整車主要部件的高低壓配電設(shè)計(jì)

2.1 汽車的高壓主回路

汽車的高壓主回路是由動(dòng)力電池、正極和負(fù)極接觸器、高壓負(fù)載和預(yù)充電回路組成。預(yù)充電回路由預(yù)充電接觸器和預(yù)充電阻連接而成，高壓負(fù)載主要是指高壓器件和電機(jī)控制器。[3]由于一些高壓用電設(shè)備和電機(jī)控制器內(nèi)部含有比較大的電容電路，為了防止發(fā)生高壓電路接通的瞬間發(fā)生用電事故，特別設(shè)計(jì)了預(yù)充電回路?；陔p離合變速器DCT360的混合動(dòng)力機(jī)電耦合電驅(qū)變速器在整車布置后，汽車的高壓主回路如下圖所示：

圖2 汽車的高壓主回路

2.2 控制系統(tǒng)的高低壓配電

混合動(dòng)力汽車所搭載的主電源為336 V高壓電源，主要用于經(jīng)電機(jī)控制器到驅(qū)動(dòng)電機(jī)和經(jīng)電子泵電機(jī)控制器到用于冷卻電驅(qū)變速器的電子泵電機(jī)[4]。另外整車部分低壓電器設(shè)備的電源供給的源頭也都來自于汽車所搭載的高壓電源，因此336 V的高壓電源需要經(jīng)過集成在電機(jī)控制器中的DC/DC轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)變?yōu)椴糠值蛪河秒娖魉枰?2 V低壓。經(jīng)DC/DC轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)變后得到的12 V低壓，首先進(jìn)入整車控制器，再由整車控制器作為配電控制單元向變速器控制器、電子泵電機(jī)控制器和電機(jī)控制器等低壓電器設(shè)備供給電源。配電控制系統(tǒng)原理圖如下圖所示：

圖3 配電控制系統(tǒng)原理圖圖

3 整車主要控制器的CAN總線連接

本文中CAN總線主要用于整車控制器HCU與DCT雙離合變速器的TCU、電機(jī)控制器PCU及電子泵電機(jī)控制器進(jìn)行信息傳遞。汽車網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)對(duì)于不同類型的節(jié)點(diǎn)是采用多條不同速率的總線分別連接，在實(shí)現(xiàn)整車的網(wǎng)絡(luò)管理和信息共享時(shí)使用的是網(wǎng)關(guān)服務(wù)器[5]。汽車內(nèi)部通信的核心是網(wǎng)關(guān)，通過網(wǎng)關(guān)，各條總線上信息的共享以及實(shí)現(xiàn)汽車內(nèi)部的網(wǎng)絡(luò)管理和故障診斷功能都可以得到實(shí)現(xiàn)。下圖是基于CAN總線的汽車電氣網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖：

圖4 基于CAN總線的汽車電氣網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

發(fā)動(dòng)機(jī)控制器MCU、變速器控制器TCU、電機(jī)控制器PCU等通過高速總線與整車控制器HCU相連，形成可以高速、實(shí)時(shí)控制的高速傳輸網(wǎng)。燈光控制器ECU、電動(dòng)車窗ECU、儀表顯示ECU等通過四速網(wǎng)絡(luò)與整車控制器HCU進(jìn)行信息交互。兩種總線通過集成在整車控制器HCU內(nèi)部的網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)信息共享和網(wǎng)絡(luò)管理[6]。

4 PCU和TCU的外部接口及連接

4.1 電機(jī)控制器PCU和電機(jī)的外部接口與連接

電機(jī)控制器接收來自整車控制器的指令以及來自其它控制器、傳感器的信息，對(duì)電機(jī)進(jìn)行有效控制，保證電機(jī)正常運(yùn)行。電機(jī)控制器的外接線路經(jīng)三組插件向外連接，正負(fù)接口連接高壓電源，三相接口連接機(jī)電耦合電驅(qū)變速器中的驅(qū)動(dòng)電機(jī)，低壓信號(hào)接口分兩組線路接至整車控制器和電機(jī)旋變接口[7]。電機(jī)控制器的外部連接線路如下圖所示：

圖5 電機(jī)控制器的外部連接線路

電機(jī)控制器的外部接線原理如下圖所示：

圖6 電機(jī)控制器的外部接線原理

電機(jī)控制器28 pin低壓信號(hào)接口定義如下[8]：

電機(jī)的外部接線原理如下圖所示：

電機(jī)控制器與電機(jī)之間電機(jī)端低壓旋變信號(hào)接口信息如下[9]：

表1 電機(jī)控制器28 pin低壓信號(hào)接口定義

4.2 變速器控制器TCU和整車控制器HCU相連部分的接口信息

5 機(jī)電耦合電驅(qū)變速器在整車的導(dǎo)線和線束設(shè)計(jì)

5.1 電機(jī)控制器外部低壓信號(hào)導(dǎo)線設(shè)計(jì)

汽車電系的導(dǎo)線可以分為高壓導(dǎo)線和低壓導(dǎo)線兩種，導(dǎo)線截面積選擇的依據(jù)是導(dǎo)線的工作電流。為了方便汽車電系統(tǒng)中眾多的導(dǎo)線的連接和維修，汽車上使用的低壓線的顏色，按照規(guī)定必須要符合國(guó)家有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)導(dǎo)線線徑和顏色設(shè)計(jì)的基本原則，電機(jī)控制器外部低壓信號(hào)導(dǎo)線設(shè)計(jì)情況如下表所示：

圖7 電機(jī)的外部接線原理

表2 電機(jī)端低壓旋變信號(hào)接口定義

表3 變速器控制器TCU和整車控制器HCU相連部分的接口定義

5.2 機(jī)電耦合電驅(qū)變速器在整車的線束設(shè)計(jì)

汽車電路的網(wǎng)絡(luò)主體就是汽車線束，沒有線束汽車電路也就不存在。線束是指在用接插件與電線電纜壓接后，外加再金屬殼體或者外面再塑壓絕緣體等，以線束捆扎形成的用于連接電路的組件。

變速器控制器TCU和整車控制器HCU連接端的接插件型號(hào)為1371218 DELPHI。

圖8 變速器控制器TCU和整車控制器HCU連接端的接插件

電機(jī)控制器接插件：

圖9 電機(jī)控制器的外部連接線路

三相插件：TE/2141783-2(連電機(jī)三相)

母線插件：TE/2141784-2(連直流電源)

低壓信號(hào)插件：28 pin，型號(hào)E/C-1393436-2

基于DCT的電驅(qū)變速器與相關(guān)控制器的線束連接如下圖所示：

圖10 基于DCT的電驅(qū)變速器與相關(guān)控制器的線束連接

根據(jù)新設(shè)計(jì)的基于DCT的電驅(qū)變速器替換原車EDU智能電驅(qū)變速器改制后整車部分部件的布置位置，用軟尺經(jīng)實(shí)際測(cè)量即可得到各線束長(zhǎng)度。

表3 電機(jī)控制器外部低壓信號(hào)導(dǎo)線設(shè)計(jì)

改制后汽車主要部件之間的線束長(zhǎng)度如下：(單位：mm)

高壓電源-電機(jī)控制器：2500

電機(jī)控制器-電機(jī)(高壓)：500

電機(jī)控制器-電機(jī)(低壓)：500

電機(jī)控制器-整車控制器：1000

高壓電源-電子泵電機(jī)控制器：2500

電子泵電機(jī)控制器-電子泵電機(jī)：500

整車控制器-變速器控制器：800

變速器控制器-變速器：1200

整車控制器-電子泵電機(jī)控制器：1200

6 結(jié)論

本文以對(duì)基于DCT的混合動(dòng)力電驅(qū)變速器的研究和對(duì)其在整車的電氣設(shè)計(jì)為目標(biāo)，繪制了機(jī)電耦合電驅(qū)變速器替代EDU之后的整車高低壓配電原理圖，設(shè)計(jì)了混動(dòng)系統(tǒng)中主要控制器的外部接口并對(duì)其進(jìn)行連接，最終對(duì)機(jī)電耦合電驅(qū)變速器在整車的線束進(jìn)行了設(shè)計(jì)。

[1] M.Ehsani,D.Hoelscher,N.Shidore,and P.Asadi,“Impact of Hybrid vehicles on the world’s petroleum and supply”,Society of Autimotive Engineering (SAE)Future Transportation Technology Conference,No.2003-01-2310,2003.

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Research of Hybrid Electric Drive Gearbox Based on DCT and Electrical Design

ChenYueYinChengliang
(SchoolofMechanicalEngineeringofShanghaiJiaoTongUniversity，Shanghai200240)

As the goal by the research of hybrid electric drive gearbox based on DCT and its electrical design in the vehicle, this thesis carries out detailed analysis and research from the aspects of the new energy vehicles、DCT dual clutch transmission and EDU intelligent electric drive gearbox equipped by SAIC Roewe E550 and so on.Using AutoCAD Electrical software, this thesis draws the vehicle high and low voltage power distribution schematic diagram, after electromechanical coupling electric drive gearbox replaces EDU. This thesis designs the external interfaces of the main controllers in the hybrid system and connects them.According to the basic principle of the wire diameter and color design of the automobile electric wire, this thesis designs the wire diameter and color of the connecting wires, and finally designs the wiring harness of the electromechanical coupling electric drive gearbox in the vehicle from the two aspects of connectors selection and wiring harness length of the external lines of electronic pump motor controller, TCU and PCU.

Hybrid vehicles DCT dual clutch transmission EDU intelligent electric drive gearbox high and low voltage distribution wiring harness design

1006-8244(2017)01-018-07

U463.212

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