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重型商用混合动力车自动变速技术综述 重型商用混合动力车自动变速技术综述 时间:2011-02-17 12:17来源:新能源汽车聚焦网 作者:董翔宇等 点击:157 次 分析了在混合动力汽车中运用自动变速技术的必要性及其优势,介绍了各种自动变速技术在混合动力中的应用,阐述了将 AMT 技术应用于 HEV 中的突出优势,最后论述了我国 HEV 自动变速技术的发展。0 0 引言引言 目前,在许多大城市,汽车排放已成为第一污染源,随着国际油价飞涨,人们对环境不断恶化的担忧,新能源汽车的发展已成为大势所趋。混合动力汽车(Hybrid electric vehicle,HEV)正是具有低污染、低油耗特点的新一代清洁能源汽车,目前,国外对 HEV 的研究比较成熟,并早已实现产业化。1997 年,日本丰田汽车公司的普锐斯最先实现了 HEV 的量产,在随后的十几年里,HEV 在世界范围内得到了飞速发展和广泛应用。变速机构是混合动力系统的关键技术,它不仅可以作为混合动力汽车的动力耦合装置,通过设计合理的换挡策略,还可以改善发动机、电机和动力电池的工作条件,延长其使用寿命,进一步提高 HEV 整车的经济性和动力性,有效提高其在复杂路面的通过性。在国外,HEV 中变速技术的发展也经历了由手动到自动,由变速器单独控制到发动机、电机、变速器一体化控制的发展,如丰田普锐斯的行星齿轮汇流结构、伊顿混合动力总成等混合动力系统已经比较成熟;而国内的混合动力系统及自动变速技术还处在研究阶段,亟待发展。1 1 混合动力汽车中运用自动变速技术的必要性及优势混合动力汽车中运用自动变速技术的必要性及优势 目前,我国传统重型商用车多为手动变速,这主要是由两方面原因造成的:一是国内对于自动变速技术核心部分的研究尚不够成熟,不具备自主知识产权;二是重型商用车对舒适性的要求相对较低,并且手动变速器成本较低,机械结构可靠然而,在重型商用混合动力汽车中,自动变速技术具有十分重要的作用,是混合动力系统不可或缺的关键技术,这主要由于:(1)通过制定合适的换挡策略,提高整车的动力性和经济性。对于自动变速器,可以通过设计合理的换挡规律,适时选择最佳传动比来使发动机尽量工作在经济区域附近,提高整车动力性和经济性。并且,在混合动力汽车中,由于增加了新的动力源,换挡策略的制定要考虑发动机、电机、电池等诸多因素,保证两个动力源尽量工作在经济区域,以减少车辆的当量油耗;HEV 中换挡策略的制定还要考虑不同工作模式下最佳换挡点的变化,因此,仅靠驾驶员很难把握合适的换挡时机,进行最优换挡。(2)换挡过程中,通过对发动机、电机进行调速控制,达到减小换挡冲击、缩短动力中断时间和减少摩擦损耗的目的。混合动力汽车有发动机和电机两个动力源,在换挡过程中,不同工作模式下进行动力输出的动力源不同,相应的调速特性也不同;很多混合动力系统在变速器输入端布置了自动离合器、电机等部件,根据离合器的结合状态不同,变速器输入端的转动惯量也不同。所有这些因素使得驾驶员很难对同步过程作出准确判断,通过应用自动变速技术,可以实时监测车辆状态参数,及时控制电控发动机和电机进行调速,缩短同步时间,并且选择最佳换挡时机,从而达到减少摩擦损失、提高摩擦元件寿命和提高整车舒适性的目的。(3)汽车动力传动一体化控制的要求。混合动力汽车中的换挡,需要发动机、电机、变速器、电池等部件的综合协调,通过一体化控制,可以实现不分离离合器换挡,甚至可以实现无同步器换挡,减少离合器和同步器的磨损,缩短动力中断时间,提高换挡品质,简化变速机构,提高汽车的集成度。通过总线将汽车上的各电控单元连接起来,形成一个移动的局域网,通过整车控制器来协调汽车各个部件的工作,提高整车性能。综上所述,在 HEV 中发展自动变速技术具有重要的实际意义,是 HEV 发展的必然趋势。2 2 自动变速技术在 HEV 中的具体应用自动变速技术在 HEV 中的具体应用 由于自动变速技术在 HEV 中的重要作用,目前,多种自动变速技术在混合动力系统中得到了成功运用。2.1 基于行星排的自动变速技术 2.1.1 混联结构行星排自动变速技术 丰田普锐斯的行星齿轮汇流结构是自动变速技术在混联混合动力系统中的成功应用(图 1)。其中,变速驱动桥(图 1 中虚线框所示)由发电机 MG1、电动机 MG2、行星齿轮组和差速器齿轮组组成;行星齿轮组(图 2)中,发动机与行星架相连,发电机 MG1 与太阳轮相连,电动机 MG2 与齿圈相连,发动机和电动机 MG2 提供的动力通过齿圈上的动力输出轮输出给差速器齿轮组,最终作用于车轮。根据行星排转速关系原理,通过调节行星排各元件转速,控制驱动桥输出转速的连续变化,实现无级变速。2.1.2 液力机械自动变速器 液力自动变速器,它由液力变矩器、行星齿轮箱和电液控制系统组成。这种自动变速技术在沃尔沃混合动力版垃圾处理车 FE 和日野混合动力大巴 Selega Hybrid(图 3)上有所应用。液力机械自动变速器换挡平稳,操纵容易,在一定范围内有无级变速、变矩的能力,对负载变化有较好适应性;但是其传动效率较低,经济性较差,机构复杂,设计、制造困难,成本较高。2.1.3 并联结构单行星排自动变速 此结构是北京理工大学与波兰华沙工业大学联合研制的,该结构中,发动机通过离合器、制动器、变速器与行星齿轮变速器的太阳轮相连,电机通过一系列部件与齿圈相连,最终通过行星架将转速输出,如图 4 所示。该系统中,发动机、电机为转速耦合,通过调整发动机或电机的转速,可以实现无级变速,不存在换挡动力中断的问题,能实现混合动力的各种工作模式;缺点是发动机或电机单独驱动时,无法利用行星排进行变速。2.2 基于固定轴式变速器的自动变速技术 机械式自动变速器(AMT),是在传统固定轴式变速器的基础上加装电控单元及相应的执行机构构成的。对传统手动变速器改动较小,成本低,能传递较大转矩,传动效率高,冷却、润滑方式简单,油液污染少;但是换挡过程中难以避免会产生冲击和动力中断,控制方法需要进一步改进。装有 AMT 的混合动力系统,根据电机、离合器与变速器的相对位置不同,换挡过程的控制也会有所区别,下面就几种典型结构作一下分析。2.2.1 电机置于 AMT 输入端 这种结构的成功应用是伊顿混合动力系统(图 5 中虚线框所示),属于单轴并联结构,在自动干式离合器的输出和自动变速器的输入之间加入一个电动机/发电机,将电机转子布置在变速器输入轴上,我国玉柴机器股份有限公司就这种结构也申请了自己的专利。这种结构,两套动力系统均可以利用 AMT 进行转速和转矩的调节,通过制定合理的换挡策略保证发动机和电机工作在高效区,提高整车经济性,利用电机的主动同步技术实现不分离离合器换挡,提高换挡品质;缺点是难以避免换挡冲击和动力中断,为提高换挡品质,换挡过程的控制比较复杂。2.2.2 电机置于 AMT 输出端 南车时代的混合动力客车,将电机置于变速器输出端(图 6),换挡过程中,当发动机动力传输中断时,通过电机输出辅助转矩可以避免整车动力中断,提高车辆过渡过程的动力性和平顺性;但是,当车辆以纯电动模式行驶时,无法利用变速器选择合适传动比来优化电机的工作区域。2.2.3 双中间轴式机械自动变速技术 由美国伊顿公司开发的“双独立中间轴变速器混合动力传动系统”,是在传统机械自动变速器的基础上增加一个中间轴,此中间轴与第二原动机(电机)相连(图 7)。两中间轴分别与输出轴不同齿轮相连,第二中间轴对应一挡、二挡齿轮组;第一中间轴对应三到六挡齿轮组;此外,两中间轴可以通过主轴上的过桥齿轮组(图中虚线区域所示)实现结合或分离,从而实现发动机和电机的机械连接。这种变速机构的主要优点是:换挡时,保证输出轴上仍有动力输出,避免了换挡时的动力中断,保证了整车动力性,提高了驾驶平顺性;通过电机的反转可以实现倒车行驶,省去了倒挡轴;省去了传统 AMT 中的主离合器及相应的电控执行机构。这种结构的缺点是:对传统变速器改动较大;电机工作时,要克服两个中间轴及其齿轮的转动惯量,额外负载大;由纯电动模式向发动机驱动模式过渡过程比较复杂。2.2.4 双耦合式机械自动变速技术 双耦合机械自动变速器由东风电动车辆股份有限公司开发,它是在传统汽车传动系统的基础上,将电机集成在变速箱箱体内,电机为双向输出(图 8)。双向输出电机的一端通过第一离合器、第一惰轮与变速器输入轴构成传动耦合链;另一端通过第二离合器、第二惰轮与变速器输出轴构成传动耦合链,整个结构具有较高的集成性和一体性。这种自动变速器,兼具图 5 和图 6 中两种结构的优点,分离第一离合器、结合第二离合器,可以保证变速器换挡过程中动力输出不中断;结合第一离合器、分离第二离合器,可以利用电机主动同步技术实现不分离离合器换挡。基于双耦合机械自动变速器,系统可以实现并联混合动力的所有工作模式,且系统集成度高,控制策略灵活。这种结构的不足是增加了两套离合器及其控制执行机构。2.3 CVT 无级变速器 CVT 技术在汽车上的广泛应用始于 20 世纪 90 年代,它结构简单、体积小,既没有传统手动变速器的众多齿轮副,也没有液力自动变速器复杂的行星齿轮组。CVT 主要由主动轮组、从动轮组和金属带组成,通过主、从动轮中可动盘的移动来改变主、从动轮与金属带的啮合半径,从而实现变速机构传动比的连续变化,实现无级变速。正因为 CVT 的诸多优点,使它在混合动力汽车上得到了广泛应用,代表车型有日产公司的 TINO、本田公司的 CIVIC 以及 INSIGHT 等。但是由于技术原因,CVT 能够传递的转矩有限,故目前多用在中、小排量的乘用车上。如本田公司的第四代 IMA(Integrated Motor Assist)混合动力系统(图 9),将电动机置于发动机与 CVT 之间,充分利用 CVT 变速器响应迅速的特点,可根据油门变化迅速提供适宜的传动比,真正实现了无级变速。3 3 我国重型商用 HEV 中的自动变速技术我国重型商用 HEV 中的自动变速技术 3.1 各典型变速器特点总结(1)国外最早大规模使用的自动变速器是 AT,但随着近年来世界能源和环境的压力越来越大,AT 传动效率低、油液污染较多的问题日益突出,尽管陆续出现的多挡 AT 可以缓解这一矛盾,但不能从根本上解决问题。(2)CVT 结构简单,可实现无级变速,但其传动比变化范围有限,传动带易于磨损,传动效率低,且不能传递较大转矩,因此适合于传递功率不是太大的乘用车。(3)THS 自动变速原理简单,但对传统车结构改动较大,成本较高,控制复杂。(4)AMT 在汽车上的大量应用晚于 AT,控制策略较 AT 复杂,平顺性略差,但 AMT 机械传动效率高,对手动变速器改动较小,且能传递较大转矩,故在实际车辆中的应用越来越广泛。采用CVT 和AMT 实现自动变速已成为混合动力系统的一个发展趋势。CVT 可以实现无级变速,平顺性好,集成度高,适合中、小型乘用车;AMT 传动比变化范围大,传递转矩高,效率与手动变速器接近,较适合重型商用车,目前,我国一汽、二汽开发的混合动力系统均采用了 AMT 实现自动变速。3.2 AMT 在重型商用 HEV 中的优势 AMT 用于重型混合动力商用车有其特殊优势:(1)混合动力汽车与传统内燃机汽车相比,主要特点就是较高的经济性和较少的污染。AMT 通过齿轮副进行机械传动,相对于 CVT 摩擦传动和 AT 的液力传动,传动效率高、功率损失少,提高了整车的经济性,且其结构简单,油液污染少。(2)通过齿轮副传递转矩,能承载较大力矩,齿轮副结构可靠,结实耐用,尤其适合用于中、重型商用车。(3)AMT 传动比变化范围大,提高了商用车对复杂路况的适应能力,并可以兼顾动力性和经济性,通过设计合理的换挡规律,可以保证发动机、电机尽量工作在高效区域。(4)对于单轴并联混合动力系统,由于电机的调速作用,缩短了换挡过程中的同步时间,从而使 AMT 自身的换挡品质进一步提高。(5)AMT 是在传统轴式齿轮箱上加装了电控单元及换挡执行机构,对传统手动变速器改动较小,易于产业化,比较适合我国国情。(6)AMT 机械结构可靠性高,一旦电控系统出现严重故障,可以强制手动挂挡,保证车辆自主运行驶入维修点。(7)可以通过 AMT 置空挡、分离离合器两种方法切断动力传输,使单轴并联结构“发动机自动启/停控制”功能的实现成为可能,改善发动机启动时的排放,减少怠速油耗。(8)我国对自动变速技术的研究比较落后,但 AMT 方面的差距相对较小,具有自主知识产权;且发展 AMT 较适合我国重型车变速器主要还是手动变速器的具体国情。4 4 总结总结 目前,我国的混合动力技术还不够成熟,所生产的 HEV 中的关键部件主要依靠进口,且由于混合动力车成本较高,我国混合动力技术主要用在公共交通车辆上,因此,效率较高、经济性较好、传递转矩较大的 AMT 技术比较适合我国重型商用混合动力车的发展。