通過動力裝置電氣化改善車輛燃油經濟性，是滿足嚴格的燃油經濟性法規(guī)的1項關鍵技術。但是，僅有少量的諸如B級小型車輛采用了電動裝置，這是因為燃油經濟性的提高相對于成本增加十分有限，而且還需額外增加電動裝置的安裝空間。研究了適合于小型車輛的強混合系統(tǒng)的最佳解決方案。首先，從能量效率最大化方面，比較了不同驅動模式中發(fā)動機效率和變速器效率分配，并為小型車輛選擇了合適的自動變速器。比較混合動力系統(tǒng)功能時，確定了電動發(fā)電機連接方式，以及為同時滿足燃油經濟性和駕駛性能的電動機輸出功率。此外，為實現換檔過程中扭矩無中斷和相對傳統(tǒng)手動變速器較短的軸長，設計了電動發(fā)電機和變速器檔位布置。開發(fā)了機械自動變速混合系統(tǒng)原型機和試驗用車。最后介紹了能夠實現扭矩無中斷、靈活駕駛性能的換檔順序，及其在車輛上應用的評估結果。

近些年，由于全球變暖和能源消耗問題，燃油經濟性法規(guī)變得更為嚴格。電動動力裝置可有效改善燃油經濟性，以此為基礎開發(fā)了幾種混合動力裝置。然而，僅有少量的小型車輛采用了如強混合系統(tǒng)的電動動力裝置。原因是燃油經濟性的提高相對于成本增加十分有限，而且還需額外增加的電動裝置的安裝空間。

本研究中，日本愛信精機公司介紹了1種適合于小型車輛的混合動力系統(tǒng)及其機械自動變速器(HV-AMT)的驗證結果。

1混合系統(tǒng)選擇

電動力裝置通?；陔姎饣潭群凸δ苓M行分類(圖1)?？紤]到未來嚴格的燃油經濟性法規(guī)，本文側重研究強混合動力。為選擇系統(tǒng)類型/結構，能量效率綜合了發(fā)動機效率和變速器效率，并作為改善燃油經濟性的1種方法。

為提高發(fā)動機效率，使發(fā)動機集中運行在高效區(qū)域(優(yōu)化運行工況點)。無級變速器(CVT)可以實現此功能。圖2為1．0 L發(fā)動機車輛在LA 4號模式運行期間的工況模擬結果。

圖1 電氣化程度和功能

圖2 LA 4號模式運行期間發(fā)動機工況點

從圖2可知，小型車輛通常采用發(fā)動機高效區(qū)域，即使在認證驅動模式期間，如LA 4號。對小型車輛而言，CVT較有級變速器稍有優(yōu)勢。

表1示出典型變速器的傳動效率特性。運行中僅在換檔情況下使用液壓壓力的機械自動變速器(AMT)和雙離合器自動變速器(DCT)，傳動效率最高，而利用液力變矩器保持傳動比的自動變速器(AT)傳遞效率次之;通過滑輪和鋼制皮帶摩擦傳遞扭矩的CVT，效率最低。

表1 典型變速器特性

注:［0］參照;［+］優(yōu)勢;［－］劣勢;［－－］極大劣勢

就成本和外形尺寸而言，AMT最為合適。但是，ATM因換檔期間扭矩中斷，會產生換檔沖擊，其他變速器則不會。

根據以上內容，圖3示出了1．0 L發(fā)動機車輛的能量效率(發(fā)動機效率×變速器效率)的模擬結果。

圖3 能量效率模擬結果

如圖3所示，AMT、DCT和CVT的能量效率最高。AT的發(fā)動機效率較AMT和DCT更佳。因為AT的變矩器的傳動比設置的大。

依據以上結果，AMT相對其他變速器，具有能效高，成本低的優(yōu)點，因此被選作混合系統(tǒng)的基型變速器，以實現小型車輛最大燃油經濟性。為消除AMT造成的換檔沖擊，在換檔過程中，通過電機作為輔助動力。

2設計理念

2.1電動機/發(fā)電機連接點高

在確定驅動裝置結構時，研究了各種電動機/發(fā)電機(M/G)連接點能夠實現的功能，各種連接點對比如圖4所示。

輸入軸連接指M/G在發(fā)動機和變速器之間，發(fā)動機可通過離合器斷開。輸出軸連接指M/G位于變速器輸出軸。輸入軸和輸出軸連接指M/G放置于第三軸，2個離合器可從輸入或輸出軸斷開。后輪連接指M/G安裝在后驅動軸上。

如上所述，HV-AMT換檔期間需提供輔助動力。此外，選擇了具有最佳混合功能的“輸入軸和輸出軸連接”。

圖4 M/G連接點比較

2.2M/G 驅動性能高

為確定持續(xù)的M/G輸出，研究了混合動力車輛的回收特性和EV驅動區(qū)域。為確定用戶要求的最大車輛速度，考慮了道路平面到山上的坡度變化。在城市行駛工況期間，發(fā)動機頻繁起動停機為不理想狀態(tài)。在3%坡度的路況、滿載條件下車速達到60 km/h，持續(xù)M/G功率設置為10 kW。為了在減速工況下回收足夠的能量，應確定最大的M/G功率。在認證驅動模式，以及高速上車輛從100 km/h開始以0．1 G的減速度減速期間，設置最大功率30 kW回收100%能量(圖5)。

圖5 EV所需的驅動力

為擴大電驅動工作區(qū)域，選擇了雙速電動機裝置(圖6)。MT自由傳動比，M/G最大扭矩減小使M/G尺寸減小，能夠使其安裝于較小空間。

2.3AMT 設計高

AMT變速器具有良好的傳動效率，但是為了提高變速器效率，測試了額外損失的降低。AMT具有同步裝置阻力損失、攪動損失和其他阻力損失(圖7)。即使增加昂貴的設備，仍不可能消除變速器中的攪動損失和其他阻力損失。因此，選擇去掉同步裝置，最大可能地提高變速器效率。

2.4傳動比設計高

為利用HV-AMT的高傳動效率，在高速行駛時，基于高能量效率設計了5檔傳動比。然而，考慮到高速爬坡和高速通過時為臨界驅動力，將工況點從發(fā)動機最大效率區(qū)域移向稍低負荷側。

圖6 EV驅動區(qū)域擴展和尺寸減小

圖7 AMT損失

設計4檔傳動比時，考慮了高速行駛時的加速特性和高能量效率(圖8)。

1檔傳動比要求起動加速性能和爬坡性能。電池剩余電量(SOC)低時，為使車輛在無電動發(fā)電機驅動的情況下也能滿足爬坡性能，對傳動比進行設計。

設計2檔和3檔傳動比時，綜合考慮車輛的加速性能和換檔感受，從低檔到高檔的傳動比比值以相同的速率減小。

圖9所示為根據以上研究得到的1～5檔的傳動比比值。

圖8 4檔和5檔傳動比

圖9 傳動比比值

為獲得足夠大的起動加速度，對EV1的傳動比進行設計。為了避免車輛最大速度時超速造成電動機損壞，對EV2的傳動比進行設計。

3系統(tǒng)結構

基于以上設計理念，對HV-AMT系統(tǒng)結構進行設計。

HV-AMT系統(tǒng)采用3軸結構以減小軸長度。電動機與HV-AMT系統(tǒng)連接點齒輪是通用的，以減少齒輪數量。

如圖10所示，電動機連接于帶減速齒輪的2檔和4檔，并聯(lián)安裝，使其與傳統(tǒng)變速器具有相同的軸長。

HV-AMT有3種運行模式(表2)。(1)EV驅動模式:嚙合齒輪［2］或［4］，可以選擇2種減速傳動比并執(zhí)行EV驅動。如圖11所示，發(fā)動機處于停機工況。(2)發(fā)電模式:僅嚙合齒輪［A］，在停車期間發(fā)電。(3)混合驅動模式［HV］:嚙合齒輪［1］、［2］、［3］、［4］、［5］或者［R］，可以嚙合齒輪進行驅動。

通過嚙合齒輪［2］或［4］，可以實現M輔助驅動或能量回收。如果發(fā)動機第2檔或4檔驅動，齒輪［A］必須嚙合。當5檔行駛時，如高速行駛，也可以分離M/G，消除M/G阻力損失。

該結構通過M/G輔助驅動，使HV-AMT消除了換檔沖擊。以下，將2檔到3檔的換檔過程作為1個案例進行描述(圖12)。在需要換檔時，減小發(fā)動機扭矩并分離離合器。同時增加M/G輔助驅動力，避免驅動力中斷;分離齒輪［A］，然后嚙合［3］;增加發(fā)動機扭矩并嚙合離合器。降低M/G，輔助驅動力。

圖10 HV-AMT輪廓圖

圖11 2檔到3檔的換檔過程

表2 運行模式

注:×為嚙合狀態(tài)。

換檔期間，采用該方法使EV1檔齒輪持續(xù)嚙合，避免驅動力中斷。

在發(fā)動機驅動期間，采用3檔，M/G齒輪可從EV1變化到EV2，不會影響驅動力。如此，對于1檔到2檔和2檔到3檔換檔，通過EV1實現M/G輔助驅動，對于3檔到4檔和4檔到5檔換檔，通過EV2實現M/G輔助驅動。

圖12為HV-AMT的截面圖和規(guī)格，圖13為HV-AMT總視圖和A－A截面圖。通過圖中所示的變速器齒輪、軸和M/G布置，可以實現曲軸端到變速器箱邊緣335 mm的變速器軸長距離。335 mm的變速器軸長小于小型車傳統(tǒng)的手動變速器軸長，后者約350 mm，可以安裝于小型車輛。實際開發(fā)了HV-AMT樣機，并安裝于小型試驗用車，進行車輛評估。

圖12 HV-AMT的截面圖和規(guī)格

圖13 HV-AMT原型機總視圖

4試驗車輛評估

圖14為2檔換到3檔的換檔正時圖。接收到2檔向3檔的換檔命令后，減小發(fā)動機扭矩和離合器下壓負荷。增加M/G輔助驅動力，避免驅動力中斷。然后［A］分離，使輸入軸從輸出軸斷開。通過發(fā)動機將輸入軸轉速同步到3檔轉速。同步后，松開離合器并嚙合［3］。嚙合后，開始增加發(fā)動機扭矩并增大離合器下壓負荷。同時減小M/G輔助驅動力，換到3檔。

圖14 2檔到3檔的換檔正時

圖15 試驗車評估結果

為確定圖14所示的換檔順序能夠實現扭矩無中斷換檔，在安裝了HV-AMT的原型車上對順序進行評估。圖15為車輛換檔的評估結果，該方法避免了驅動力中斷。

通過標定M/G扭矩，如快速換檔(圖16)時扭矩快速變化和平穩(wěn)換檔(圖17)時扭矩平穩(wěn)變化，可以對換檔感知進行調節(jié)控制。

圖16 快速換檔感知輸入軸

圖17 平穩(wěn)換檔

5結論

本研究介紹了優(yōu)化的小型車輛強混合系統(tǒng)的開發(fā)結果。通過對裝有各種變速器的小型車輛的研究表明，AMT、DCT和CVT燃油經濟性最高?；诒狙芯亢统杀驹?優(yōu)于其他變速器)選擇了AMT。

M/G“輸入和輸出連接軸”連接實現了扭矩無中斷換檔和混合動力功能，如電力驅動，以及停車期間進行發(fā)電。

與傳統(tǒng)手動變速器相比，HV-AMT樣機的軸長更短，可以安裝在樣車內。通過樣車試驗確定了能夠實現扭矩無中斷換檔，并發(fā)現通過電動機扭矩標定可實現靈活駕駛。