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新能源插电式混合动力车用高效多模式变速器

多模式变速器(MMT)或混合动力专用变速器是混合动力变速器的一类新品种,其功能仅仅是将内燃机与一个或多个电机组合起来。在德国经济和能源部推动的一项联合计划中,GKN公司与东威斯特法仑-利普(Ostwestfalen-Lippe)大学共同合作开发出了一种用于插电式混合动力车的高效MMT方案。在已进行的试验台试验基础上,该方案在投入批量生产之前又进行了进一步开发。

1 混合动力变速器的定义 

与常规的混合动力变速器相比,多模式变速器(MMT)的优点除了结构简单之外,还能在整个车速范围内将内燃机与电机通过最优组合从而实现高效行驶,此外还能通过无级变速器(连续可变变速器,CVT)的变速档位使内燃机与电机可实现最优连接以获得最佳的起步加速性能,并能使内燃机在运行效率更高的负荷工况点下运行。

与目前用于插电式混合动力车(PHEV)和电动增程式汽车(REEV)的变速器相比,本文所介绍的由GKN公司与东威斯特法仑-利普(Ostwestfalen-Lippe)大学(HS OWL)共同合作开发的变速器方案,其在改善行驶功率和用户效益的同时提高了效率、紧凑性和行驶里程,MMT以其优点和性能明显优于现有的动力传动方案。

2 方案开发

2013年以来GKN公司批量生产的用于日本三菱公司Outlander(2001年春季生产的SUV汽车品牌名)PHEV的多模式变速器成为新款产品开发的基础。市场上首款Outlander插电式混合动力SUV批量装备了GKN公司提供的单速比多模式变速器,这种动力传动系统最初由前桥上的传动单元组成,其由87 kW的内燃机、60 kW的电机以及75kW的发电机组合而成,后来该车又装备了由另一台60 kW电机驱动的后桥,两台电机由同一个容量为12 kW·h的常规蓄电池供电。

目前该项目的目标是开发一个前置变速器,其以相同的电驱动功率为最终用户提供更好的行驶动力性能而无需附加额外的发电机组,因此考虑采用一台功率为120 kW的电机用于实现电驱,从而与对比车辆(比较基准)的电功率相匹配。这种电机在CVT模式下,即使在行驶期间也能用于为蓄电池充电,这样就能省掉一个附加发电机。尽管必须对目标车辆的效率和行驶功率提出更高的要求,但是还要满足设计任务书的主要需求:

(1)内燃机驱动模式下的行驶最高车速至少为170 km/h;

(2)在坡度为12%的坡道上行驶,同时进行最高负荷充电和牵引挂车时,行驶车速至少为50 km/h(即使在蓄电池亏空情况下);

(3)设计时同样要考虑到一些特殊情况,例如在街道边石边棱上起步、倒车或在停车场进入空车位等情况下。

图1示出了这种变速器的最终方案。这种方案基本上由两个行星齿轮组组成,由第一个行星齿轮组形成内燃机与电机之间的CVT连接,接着由第二个行星齿轮组实现两档换挡功能。通过这种换挡方式分两次实施即可提供所有的行驶模式,在该类变速器中采用常规液压操纵的爪齿离合器和片式离合器作为换挡器件。图2示出了上述所介绍的组成部分,这种变速器零部件的设计和布置也适合于所有其他车型等级和结构空间。

图1 MMT变速器方案及其换挡图

图1 MMT变速器方案及其换挡图

图2 MMT变速器剖视图

图2 MMT变速器剖视图

CVT级由一个可用液压操纵的爪齿离合器锁定的行星齿轮组组成,其可将内燃机与电机进行连接,为此所必需的同步过程通过电机来确保。电动CVT(eCVT)模式下则可由内燃机实现驱动力强大的起步加速过程,从而无需串联运行或单独的起步加速离合器。

此外,两种电动CVT(eCVT)模式在较低车速范围内提供了这两种可能性:使电机以发电机方式运行为蓄电池充电;或者在整个行驶速度范围内可提供助力功能。锁定eCVT行星齿轮组,从不断开CVT模式进行换挡到并联运行模式。除了电助力、发电机方式运行可为蓄电池充电和回收制动能量之外,在这个模式运行中还能通过调整运行工况点使内燃机以更高效率运行。

这种变速器的档位变换由另一组行星齿轮组实现两档分别为2.0和1.0的两种传动比,这样的档级跨度是围绕优化燃油耗进行广泛模拟试验而得到的结果,并且能通过上述档级行星齿轮的设计以获得最佳的运行效果。如果容许差别不大的档级跨度及其对最高效率带来的轻微损失的话,那么换档也能采用成本较为低廉的行星齿轮组来实现。

为了变换两个档位从而应用了2个通过常规液压操纵的摩擦片组,其中用于第一档的被设计成制动器,而用于第二档的则被设计成离合器。传动过程以常规的方式由1个开放式差速器来实施。总体而言,为了整个系统(包括位于内燃机与电机之间的起步加速离合器在内的装置系统)的有效运行,需配备3个离合器和1个制动器。以下的运行模式可供选择使用:

(1)CVT 1:起步加速,在蓄电池亏空以及发电机模式运行直至约26 km/h时;

(2)CVT 2:以发电机模式运行至53 km/h以及助力至约Vmax=220 km/h;

(3)EV 1:起步加速以及Vmax=140 km/h;

(4)EV 2:高效电动车(EV)运行直至Vmax=205 km/h;

(5)并联运行 1:以内燃机模式行驶并通过电驱系统助力使车速达到约90 km/h;

(6)并联运行 2:以内燃机模式行驶并通过电驱系统助力使车速达到约170 km/h。

作为方案设计阶段的结果,图3(a)牵引力曲线图示出了所有行驶模式可供使用的驱动轴所能提供的最大牵引力以及可能的行驶速度范围,其中全面满足了项目中所提出的要求。为了显示出比基准车辆更好的行驶功率,从图3(b)中可看到装备量产变速器和新开发变速器方案的MMT/PHEVplus基准车辆各自具备的最大牵引力曲线,可观测到牵引力得以显著提高,因此在行驶时可察觉到其加速能力已得以大幅改善,并且其最高车速能从目前的170 km/h提高到220 km/h。

图3 PHEVplus变速器牵引力曲线图(a)与基准车辆(b)的比较

图3 PHEVplus变速器牵引力曲线图(a)与基准车辆(b)的比较

3 实施和试验

在该项目中,不但行驶功率有所提高,还附加降低了约10%的燃油耗,该数据目前已在计算机上进行过模拟试验。为了验证项目效果,在3个发动机试验台上分别在40 ℃和80 ℃变速器油温度(在油池中测量)下进行了相应的效率试验,其中3个试验台电机模拟、电机和差速器输出端驱动轴如图4所示。

图4 具有差速器、电动机和内燃机等电模拟部件和变速器试验件的试验台布置状况

图4 具有差速器、电动机和内燃机等电模拟部件和变速器试验件的试验台布置状况

效率试验的结果是由东威斯特法仑-利普大学(HS OWL)在整个系统的计算机模拟过程中得到的,并考虑进一步优化的运行策略。因为必须开发用于各类行驶状况的运行策略,因此首先确定了更加切合实际的行驶谱,并且已由一辆(类似的)汽车开始行驶拟定,并尽可能可将行驶谱记录下来,在长约190 km的整个行驶路线中用该辆测量车查明用于负荷谱的各类所需数据,紧接着将这些数据应用于模拟开发各种不同的运行策略,查明其各自所产生的燃油耗,再用所获得的数据指标进行新一轮的开发工作。

为了保持对标性,不仅为基准车辆而且也为PHEVplus车辆模拟不同的行驶循环,并用这些运行策略根据基本类似的规律性行驶。除了设想的不同档位的正常负荷和不考虑节油的负荷之外,负荷谱成为设计和确定变速器构件尺寸的基础。

4 试验结果

由于可供使用的行驶模式各不相同,试验结果不能直接与基准车辆进行一对一的比较。对比车辆总共具有3种运行状态:EV运行模式、并联运行模式和串联运行模式。在串联运行模式中内燃机仅驱动发电机,因此其所发出的电不仅可用于驱动汽车而且为蓄电池充电。串联运行模式虽然一方面可提供不依赖于外部充电的技术可能性,但是另一方面也随之降低了效率。

为了PHEVplus变速器与对比车辆之间能直接进行运行模式的比较,为此仅考虑EV和并联运行模式。该两类运行模式下的最高效率几乎是一样的,其中在基准车辆上其最小值与最大值之间的差距较大,而在PHEVplus车辆上虽然最大值略有降低,但是在所有运行工况点上均已达到了较高的效率。

为了进行系统间的比较,除了实际使用的变速器之外,还必须一并考虑其各自的运行策略,同时使开发能量效率尽可能高的运行策略也是该项目研究的重点目标。基本上应用了2种普通的运行策略,其中第一种所谓的“最佳”运行策略总是选择在行驶循环每个阶段变速器动力学模式处于效率最高的运行状态下。

第二种“以调节为基础的”运行策略能使变速器模式以令人满意的调节来运行,在这种情况下更为重要的是试验需要多长时间在电驱模式下行驶直至蓄电池充电已达到某个阈值为止,然后车辆根据车速以最优的并联模式或以CVT行驶方式运行。

图5和图6所示的最终燃油耗计算结果与WLTP行驶循环有关,其是由采用真正“以调节为基础的”运行策略的基准车辆和采用该项目所开发的“最佳”运行策略的PHEVplus车辆模拟所计算出来的,其中已查明在考虑到变速器损失的情况下能实现节油达11.6%,因此超额完成了项目目标。虽然知道其中“最佳”运行策略肯定尚无法成为在一辆可能的试验车辆上最终决定的运行策略,但是其是在目前项目状态下能表明新开发变速器可获得最优潜力的运行策略。

图5 PHEVplus变速器(有损耗)与Otelander变速器(理想)WLTP行驶循环燃油耗比较(模拟结果)

图5 PHEVplus变速器(有损耗)与Otelander变速器(理想)WLTP行驶循环燃油耗比较(模拟结果)

图6 PHEVplus变速器与Outlander变速器在

图6 PHEVplus变速器与Outlander变速器在WLTP行驶循环中有损耗的和理想的燃油耗比较(模拟结果)

5 结论和展望

该项目在国内外的各种不同国际性会议和博览会上公开介绍以后,已引起了多家汽车制造商的关注,而对新款变速器方案中的功能结构组件的持续调整又确保了其在与用户车型匹配时具有更高的灵活性。

即使由于增添了附加功能而相对于量产变速器增加了变速器的复杂性和成本,但是通过取消发电机已明显节省了传动装置的成本和质量。目前各大厂商对通常称之为混合动力专用变速器(DHT)和新开发的GKN多模式变速器方案的关注度也在日益提升,目前可期盼其不久即能投放市场。

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