輕度混合動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的未來(lái)

0 前言

如果高科技超高效混合動(dòng)力和電動(dòng)車輛僅占道路車輛的一小部分，那么大幅減少全球車輛CO2排放的目標(biāo)就無(wú)法實(shí)現(xiàn)。要使地球環(huán)境得以改善，CO2減排技術(shù)必須通過(guò)提供附加值特性在更多車輛上得以應(yīng)用，增加其在所有市場(chǎng)領(lǐng)域的銷量，尤其是保有量大且快速增長(zhǎng)的A級(jí)車領(lǐng)域。

盡管現(xiàn)在投放市場(chǎng)的先進(jìn)混合動(dòng)力和電動(dòng)車輛技術(shù)已具有一定的廣度和深度，但是，市場(chǎng)采用的最新混合動(dòng)力和電動(dòng)車輛技術(shù)大多仍處于嘗試階段，在全球輕型車輛銷量中僅占有很小比例，甚至已經(jīng)應(yīng)用了十幾年的自動(dòng)起停系統(tǒng)在全球車輛銷量中的比例也僅增加了30%。根據(jù)預(yù)測(cè)，配備自動(dòng)起停系統(tǒng)的車輛在全球車輛銷量中的占比如要達(dá)到50%，還將需要5年的時(shí)間。

自動(dòng)起停技術(shù)在新歐洲行駛循環(huán)(NEDC)工況下獲得的循環(huán)CO2排放減少量約為5.0%，但在全球統(tǒng)一輕型車輛排放測(cè)試規(guī)程(WLTP)工況下的CO2排放減少量?jī)H為2.5%[1]。諸如制動(dòng)能量回收和滑行控制等進(jìn)一步混合動(dòng)力特性還可使CO2排放減少10%～15%[1-3]。當(dāng)2020年排放限值目標(biāo)日益臨近時(shí)，制造商們面臨的挑戰(zhàn)是如何在整車上更快、更大范圍地推廣這些策略和技術(shù)。

12 V混合動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)的理想方式，且不會(huì)大幅增加高壓電氣系統(tǒng)的附加成本(圖1)。這對(duì)于快速增長(zhǎng)的大型汽車市場(chǎng)尤為重要，例如印度和中國(guó)。此外，48 V電機(jī)為構(gòu)成這些領(lǐng)域大多數(shù)銷量的輕型車輛帶來(lái)的邊際效應(yīng)要小得多。

圖1 混合動(dòng)力CO2減排量與邊際成本的關(guān)系

由于絕大多數(shù)工況制動(dòng)減速恰好處于12 V電機(jī)的功率范圍內(nèi)，因此12 V系統(tǒng)具有更高的全混合動(dòng)力循環(huán)減排潛力，尤其適用于微型車和A級(jí)車。

為了模擬車輛在完整駕駛循環(huán)上的慣性能量及主要能量損失源(例如傳動(dòng)阻力、發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)械損失阻力、氣動(dòng)阻力，以及滾動(dòng)阻力損失等)，建立了MATLAB模型。針對(duì)小型A級(jí)車和大型D級(jí)車，利用該模型對(duì)12 V和48 V電機(jī)進(jìn)行了模擬。圖2所示的結(jié)果表明，通過(guò)采用昂貴且復(fù)雜的全混合動(dòng)力系統(tǒng)，小型車上的12 V電機(jī)可實(shí)現(xiàn)60%以上的能量回收率。該復(fù)雜系統(tǒng)在更大型、更豪華的車型上能夠獲得相對(duì)更具優(yōu)勢(shì)的能量回收，但是附加成本很高。制動(dòng)回收能量的多少直接影響到CO2排放量，因?yàn)樵摬糠帜芰吭诩铀俟r下能夠提供給車輛以實(shí)現(xiàn)再次使用。

圖2 不同電機(jī)尺寸在全球統(tǒng)一輕型車排放測(cè)試工況(WLTC)循環(huán)上的可回收能量

為了建立48 V總線，48 V系統(tǒng)還需要額外添加1套48 V電池和48 V-12 V DC-DC變換器，而12 V系統(tǒng)可以集成到車輛的標(biāo)準(zhǔn)電氣結(jié)構(gòu)中，使其成為一種成本效率更高的解決方案。

1 手動(dòng)變速器的機(jī)遇

與在發(fā)動(dòng)機(jī)上的布置相比，將電機(jī)布置在變速器上會(huì)帶來(lái)很多優(yōu)勢(shì)，有助于促進(jìn)混合動(dòng)力車輛的應(yīng)用，提高發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)功率。

廣泛采用混合動(dòng)力特性的阻礙之一就是手動(dòng)變速器，而手動(dòng)變速器車輛在全球車輛銷量中的占比約為50%。

大多數(shù)混合動(dòng)力特性依賴于決定變速器狀態(tài)的混合動(dòng)力控制器，從而確保混合動(dòng)力策略實(shí)施的一致性。

對(duì)于動(dòng)力裝置來(lái)說(shuō)，將電機(jī)集成到變速器主換檔元件飛輪端具有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：(1)混合動(dòng)力功能不受變速器狀態(tài)的影響，無(wú)需傳動(dòng)系統(tǒng)授權(quán)即可實(shí)施，使其適用于手動(dòng)變速箱。(2)當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)閉時(shí)，電機(jī)仍可產(chǎn)生電功率。(3)電機(jī)可在手動(dòng)換檔或自動(dòng)換檔過(guò)程中提供轉(zhuǎn)矩支持，減弱或消除換檔頓挫感。

2 變速器布置

圖3為自由飛輪混合動(dòng)力概念的一種可能結(jié)構(gòu)。自由飛輪裝置(紅色)安裝在驅(qū)動(dòng)主差動(dòng)齒輪的齒輪上。如果自由飛輪上產(chǎn)生負(fù)轉(zhuǎn)矩，那么自由飛輪就會(huì)斷開。當(dāng)自由飛輪斷開后，變速器和發(fā)動(dòng)機(jī)也從最終傳動(dòng)系統(tǒng)上分離。在這種情況下，發(fā)動(dòng)機(jī)和變速器不會(huì)對(duì)車輛施加任何倒拖力，使車輛處于電動(dòng)緩行、滑行或再生制動(dòng)狀態(tài)。

電機(jī)安裝在自由飛輪下游，采用一個(gè)附加傳動(dòng)比驅(qū)動(dòng)的主差動(dòng)齒輪。這種布置可使電機(jī)不受發(fā)動(dòng)機(jī)或變速器狀態(tài)的影響。

發(fā)動(dòng)機(jī)停機(jī)使發(fā)動(dòng)機(jī)和變速器與飛輪分離，而無(wú)需對(duì)主系統(tǒng)離合器實(shí)施任何主動(dòng)控制。在不對(duì)主起步離合器進(jìn)行控制的情況下，可以利用電機(jī)實(shí)現(xiàn)電動(dòng)緩行功能。

圖3 自由飛輪混合動(dòng)力結(jié)構(gòu)示意圖

該布置包含1個(gè)位于自由飛輪機(jī)構(gòu)上的閉鎖離合器，該離合器主要用于需要采用發(fā)動(dòng)機(jī)制動(dòng)的情況，例如長(zhǎng)距離下坡情況或者車輛運(yùn)動(dòng)模式。還有一種將電機(jī)從飛輪上分離開的斷開裝置，主要用于高速巡航或系統(tǒng)故障情況。這些元件可由低功率電動(dòng)執(zhí)行器驅(qū)動(dòng)，僅當(dāng)該斷開裝置通過(guò)接合自由飛輪離合器或者電機(jī)主動(dòng)控制將裝置兩端設(shè)置成同步轉(zhuǎn)速時(shí)，才需要對(duì)其進(jìn)行接合處理。

3 混合動(dòng)力功能

3.1 能量回收與調(diào)配

回收滑行和制動(dòng)階段的慣性能量是混合動(dòng)力系統(tǒng)節(jié)油策略的核心。實(shí)施這項(xiàng)功能的電機(jī)安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)上，需要接受來(lái)自車輛傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和發(fā)動(dòng)機(jī)的所有阻力和摩擦損失。

即使在低轉(zhuǎn)速下，發(fā)動(dòng)機(jī)和變速器摩擦也存在部分的功率損失，因此，將電機(jī)布置在變速器換檔元件的下游可增大能量回收的潛力(圖4)。

圖4 A級(jí)車在WLTC循環(huán)上的可回收能量(發(fā)動(dòng)機(jī)安裝帶式驅(qū)動(dòng)起動(dòng)發(fā)電機(jī)(BSG)系統(tǒng))

3.2 滑行功能

一些整車制造商已經(jīng)制造出了具有“滑行”功能的自動(dòng)變速器和雙離合變速器傳動(dòng)系統(tǒng)的車輛，當(dāng)駕駛員斷開加速踏板時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)減速至怠速或直接停機(jī)。試驗(yàn)結(jié)果表明，與采用閉鎖離合器策略的發(fā)動(dòng)機(jī)相比，“滑行”策略可節(jié)約燃油3%～5%，即可減少CO2排放達(dá)3%～5%[1-3]。

將電機(jī)布置在變速器輸出端，自由飛輪布置在變速器上，在無(wú)需對(duì)變速器進(jìn)行任何控制操作的條件下就可實(shí)現(xiàn)怠速-滑行功能。一旦轉(zhuǎn)矩為負(fù)，自由飛輪斷開，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速下降至怠速或零。如有需要，位于自由飛輪端的電機(jī)能夠模擬發(fā)動(dòng)機(jī)制動(dòng)并且回收以熱量形式浪費(fèi)掉的能量(圖5)。

對(duì)于換檔，在滑行過(guò)程中，電機(jī)能夠提供響應(yīng)踏板命令的即時(shí)轉(zhuǎn)矩，因此，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)重起或在同步過(guò)程中，幾乎感覺(jué)不到延遲。

而BSG電機(jī)無(wú)法實(shí)現(xiàn)前述功能，因?yàn)樵撾姍C(jī)會(huì)一直與飛輪保持?jǐn)嚅_狀態(tài)，直至發(fā)動(dòng)機(jī)重新與傳動(dòng)機(jī)構(gòu)接合。

圖5 發(fā)動(dòng)機(jī)怠速滑行過(guò)程中的能量流動(dòng)

3.3 其他特性

變速器安裝小型12 V電機(jī)產(chǎn)生的功率足夠在交通擁堵情況下用于發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)閉緩行模式的使用(圖5)。交通擁堵是在大城市行駛中極為常見(jiàn)的狀態(tài)，尤其在印度和中國(guó)。發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)閉緩行模式將極大減少人口密集城市的CO2和其他廢氣排放。

發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)閉緩行模式適用于行駛輔助。例如自動(dòng)泊車。之前僅有自動(dòng)變速傳動(dòng)系統(tǒng)具有這種功能。此外，如果用戶在日常使用過(guò)程中大量采用這種駕駛模式，那么該模式幾乎不需要考慮法規(guī)限制。在擁堵城市行駛工況下，實(shí)際CO2排放減少量要多于法規(guī)駕駛循環(huán)模擬的結(jié)果。

輸出端安裝電機(jī)還具有斜坡輔助特性，該特性也適用于自動(dòng)變速傳動(dòng)和雙離合器系統(tǒng)，坡道起步和坡道駐車都將是離合器系統(tǒng)的熱門關(guān)注問(wèn)題。

4 電機(jī)需求

由于電機(jī)不具備根據(jù)車速匹配主傳動(dòng)齒輪轉(zhuǎn)速的功能，因此，需要電機(jī)具備寬廣的工作轉(zhuǎn)速范圍，并且必須能在該轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)輸出可接受工作效率狀態(tài)下的額定功率。

BSG電機(jī)面臨著類似的挑戰(zhàn)，但是，BSG電機(jī)的帶傳動(dòng)比約為3∶1，設(shè)計(jì)的工作轉(zhuǎn)速范圍為0～18 000 r/min，甚至更高。有文獻(xiàn)[4]提出，可以根據(jù)變速器用途對(duì)現(xiàn)有的BSG電機(jī)設(shè)計(jì)進(jìn)行改造，從而節(jié)約開發(fā)成本。尤其需要對(duì)高速電機(jī)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，從而使鐵心損耗最小化。鐵心損耗是由旋轉(zhuǎn)永磁鐵或快速轉(zhuǎn)換電磁線圈產(chǎn)生的高頻交流磁場(chǎng)導(dǎo)致的，還需要使旋轉(zhuǎn)慣量最小化，以確保電機(jī)在車輛加速過(guò)程中產(chǎn)生寄生負(fù)荷。

5 電氣結(jié)構(gòu)

在車輛行駛過(guò)程中，重新起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)通常需要兩個(gè)動(dòng)力源，以確保諸如制動(dòng)和轉(zhuǎn)向系統(tǒng)等安全關(guān)鍵元件在發(fā)動(dòng)機(jī)重起過(guò)程中具有不間斷的動(dòng)力供應(yīng)。傳統(tǒng)的解決方案是當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)上的交流電機(jī)關(guān)閉時(shí)采用兩塊12 V電池。盡管如此，在變速器輸出端布置的另一個(gè)電機(jī)可作為第二動(dòng)力源，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)閉及變速器處于空檔時(shí)使用。

需要利用變速器轉(zhuǎn)矩支持特性的時(shí)間段極短，例如換檔或滑行后的發(fā)動(dòng)機(jī)重起。在上述過(guò)程中，所需的轉(zhuǎn)矩要比12 V系統(tǒng)的額定值大。但是，在超過(guò)額定功率的情況下，電氣系統(tǒng)在極短的時(shí)間內(nèi)仍可繼續(xù)使用，因?yàn)橄拗低ǔＳ上到y(tǒng)的熱容量決定。短暫的高功率階段對(duì)設(shè)計(jì)考慮因素很重要，這是因?yàn)楣β势骷仨毮軌虺惺芨哂陔姍C(jī)額定功率的數(shù)值。

6 總結(jié)

為了實(shí)現(xiàn)CO2減排和燃油耗降低的目標(biāo)，整車制造商們必須加快混合動(dòng)力技術(shù)的研發(fā)步伐。為使混合動(dòng)力技術(shù)獲得更加廣泛的應(yīng)用，必須通過(guò)深入挖掘車輛的功能性使其適用于更大范圍的車型和驗(yàn)證用途。

(1)通過(guò)消除能量回收和調(diào)配產(chǎn)生的寄生阻力，布置在主換檔元件下游的變速器集成12 V電機(jī)，增大安裝電機(jī)的效率。

(2)該電機(jī)的尺寸對(duì)于微型車和A級(jí)車是非常理想的，其功率足以回收減速階段的大部分慣性能量。

(3)混合動(dòng)力策略不受變速器狀態(tài)的影響，無(wú)需對(duì)變速器進(jìn)行控制操作，該策略既適用于手動(dòng)變速器又適用于自動(dòng)變速器。

(4)布置在變速器和電機(jī)之間的自由飛輪裝置還具有其他功能，例如發(fā)動(dòng)機(jī)熄火緩行、自動(dòng)泊車和坡道起步輔助等。

(5)該技術(shù)可實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)怠速或發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)閉狀態(tài)時(shí)的滑行，進(jìn)一步增強(qiáng)了安裝電機(jī)的CO2減排優(yōu)勢(shì)。

(6)通過(guò)在傳動(dòng)比變化過(guò)程中提供轉(zhuǎn)矩支持，有助于促進(jìn)自動(dòng)變速傳動(dòng)系統(tǒng)的廣泛使用。