ISG型AMT混联混合动力汽车换挡过程分析

黄隆烽，付景顺，孙志强

ISG型AMT混联混合动力汽车换挡过程分析

黄隆烽，付景顺*，孙志强

（沈阳工业大学机械工程学院，辽宁 沈阳 110000）

随着世界各国环境保护意识的日益提高，新能源汽车的研究逐渐成为了汽车公司的研究焦点。得益于良好的燃油经济性，混合动力汽车能达到节能减排的效果。文章简要介绍了混合动力汽车的分类，并提出了一种AMT混联混合动力汽车动力系统的结构。重点介绍了系统结构、换挡工作原理，详细分析了该结构在换挡时的具体控制，总结了该AMT系统结构对换挡品质的提升。

混合动力汽车；AMT；换挡控制

前言

随着汽车行业的快速发展，全球汽车产量得到大幅提高，根据世界四大会计事务所德勤的数据显示，2014年世界汽车保有量已经突破了14亿辆，2025年我国汽车保有量也将超越美国成为世界第一。汽车使生活愈加便利的同时也伴随着环境与能源问题的产生，石油等不可再生资源的燃烧产生了大量的氮氧化物与二氧化碳，进而造成了温室效应。为了应对这些问题，各国政府相继推出了更加严苛的法规政策来降低排放标准。受大环境的驱使以及政策的导向，生产更加节能与环保的汽车成为了各大汽车厂商的目标，因此积极投入对于新能源汽车的研发。

1 新能源汽车

新能源汽车主要有以下几类：纯电动汽车、燃料电池汽车以及混合动力汽车。纯电动汽车的动力源不再是传统汽车所用的内燃机，而是驱动电机。车辆在行驶过程中不排放尾气，不会对环境造成污染，但由于受限于电池材料等技术，纯电动汽车无法实现长续航。以特斯拉Model 3为例，工信部所测其标准版续航里程为480 km，因此纯电动汽车大多用于市区内的通勤。燃料电池汽车常以“氢燃料电池”来替代纯电动汽车中的化学电池，氢气资源丰富且能量转换效率高，燃烧后产生的水也不会对环境造成破坏，因此氢气也被称为最清洁的能源。但是大规模制氢的成本较高且不易储存，目前还无法实现大规模应用。混合动力汽车拥有内燃机以及驱动电机两种动力源，通过协调两者之间的工作关系使车辆在高效的工况下运行，从而达到节能减排的目的。根据发动机与电机之间动力的布置方式，混合动力汽车分为串联、并联以及混联。

2 混合动力汽车

2.1 串联混合动力汽车

串联式混合动力汽车的结构如图1所示，由发动机、发电机、驱动电机三大动力总成串联成动力系统。车辆在行驶时，发电机由发动机带动，通过发电机工作给蓄电池进行充电，蓄电池储存电能并通过功率转换器将电能输送给电动机，为车辆运行提供驱动力[1]。驱动轮由电动机驱动，因此串联式混合动力汽车适合需要频繁起步及低速路况较多的城市道路，发动机运转在高效工作区时可以给电动机提供电量的同时给蓄电池进行充电，因此可以降低油耗。但在高速行驶时，由于动力需经由两次传递才可达到驱动轮，能量传递过程中存在转换的损耗，导致机械效率较低，反而增加了油耗。

图1 串联式混合动力汽车结构示意图

2.2 并联式混合动力汽车

图2 并联式混合动力汽车结构示意图

并联式混合动力汽车的结构如图2所示，在传统内燃机汽车的基础上，通过并联的方式，加装了一套电能驱动系统。在发动机或电动机单独输出动力的基础上，车辆在行驶过程中还可以实现两者动力的叠加输出。当车辆需求转矩较小时，根据实际情况由发动机或电动机单独输出动力，当车辆需求转矩较大时，动力由两者叠加输出。相对于串联式混合动力汽车，并联式混合动力汽车在结构上更为复杂，增加了布置难度，但在高速公路下行驶时有更好的适应性[2]。

2.3 混联式混合动力汽车

混联式混合动力汽车的结构如图3所示，其结构综合了并串联式结构的优点，具有串联和并联两种工作模式。当行驶在需要频繁起步和低速行驶的城市道路时，车辆工作在串联模式下，当行驶在高速路段时，车辆工作在并联模式下。混联式混合动力汽车拥有串联示和并联式的优点，可以使车辆适应不同的行驶工况，因此具有效率高，低排放的特点。但由于其结构更为复杂，成本也相应增加，对车辆的控制方法也更加严格[3]。

图3 混联式混合动力汽车结构示意图

3 ISG型AMT混联混合动力汽车

3.1 AMT介绍及研究

机械式自动变速箱（AMT）具有传动效率高、燃油经济性好以及可实现自动变速的优点，在混合动力汽车上应用AMT可使发动机及电机工作在高效区间，使车辆发挥出更好的性能，因此具有广阔的应用前景。但由于AMT属于非动力中断换挡，传统AMT换挡时，首先需要打开离合器，切断发动机动力，然后利用同步环的内锥面与待接合齿轮齿圈的外锥面接触产生摩擦，在摩擦力矩的作用下，齿轮与同步环的转速差降低，待两者转速相等时，在换挡执行机构的推力下，接合套先后与同步环齿圈及待接合齿轮的齿圈接合完成换挡。由于切断了动力源，在换挡过程发动机的力矩输出如图4所示，这将造成了扭矩中断。在行驶阻力等的作用下，车速将会发生下降，车速的变化将导致加速度的改变，若加速度产生突变将引起较大的冲击度，影响驾驶的舒适性，因此换挡平稳性不如AT和CVT。其转速的同步仅依靠同步器的滑磨作用也引起换挡时间过长的问题，且在同步之后重新接入发动机动力，由于离合器主、从动盘之间存在转速差也将不可避免地出现换挡冲击。吉林大学的尹倪提出动力换挡式机械变速器，利用超越离合器及摩擦片式离合器的特性，实现了两挡式AMT的无动力中断换挡[4]。董翔宇在并联混合动力汽车上利用电机对AMT输入轴进行主动调速，从而有效地减少了同步器接合冲击以及滑磨功[5]。Jiejunyi Liang等人提出一种双电机输入的纯电动汽车，在换挡过程中利用双电机的扭矩耦合，有效地弥补了扭矩间隙，改善了动力中断问题，减短了换挡时间[6]。

图4 换挡过程发动机的力矩输出示意图

3.2 ISG型AMT混合动力总成简介

提出了一种装配ISG电机的混联式AMT结构，结构简图如图5所示。取消了发动机与变速箱之间的离合器，利用动力耦合装置将发动机输出轴、变速箱输入轴以及ISG电机进行联接。ISG电机作为充电启动一体机，在车辆起步时可以利用电机的快速响应特性，快速拖动发动机至目标转速，然后使发动机点火；在行驶过程可以利用发动机带动ISG电机对电池组进行充电，完成整车的能量调节[7]；当车辆需要换挡时可以利用ISG电机进行快速调速，同步预换挡从动齿轮与输出轴之间的转速，从而实现快速换挡。

图5 ISG型混联AMT结构示意图

3.3 ISG型AMT混合动力换挡工作原理

当车辆的需求功率落在发动机最佳效率区间时，驱动转矩由发动机单独承担，此时ISG电机和驱动电机均不工作。在汽车以低挡位行驶时，动力的传递如图6所示。同步器接合套与抵挡从动齿轮接合，动力经由发动机传至低挡齿轮副，再经由同步器传递至输出轴，经过主减速器后最终通过差速器传递至车轮。

图6 车辆低挡行驶时动力传递简图

当ECU接收到换挡信号时，将控制发动机扭矩与驱动电机扭矩之间的转换，发动机扭矩逐渐减小，驱动电机扭矩逐渐增大，整车的动力由发动机过渡至驱动电机提供。驱动电机提供车辆的动力，保持车速，使车辆不因行驶阻力而发生加速度上的突变，避免动力中断问题及驾驶顿挫感的产生。ISG电机启动，快速调节高挡从动齿轮转速，减少从动齿轮与输出轴的转速差，此时车辆的动力输出如图7所示。驱动电机提供的扭矩经一对啮合齿轮副传至输出轴，经主减速器后由差速器传递至车轮；ISG电机传递的扭矩作用于高挡从动齿轮，使其产生加速度从而改变转速。

图7 换挡过程动力输出简图

当ISG电机完成调速，高挡从动齿轮转速与输出轴转速相等时，执行机构推动同步器，使接合套与高挡从动齿轮接合，完成换挡。换挡结束后，驱动电机扭矩逐渐减小，节气门开度慢慢变大，发动机扭矩逐渐增大，整车的动力由驱动电机过渡至发动机直至动力完全由发动机提供，如图8所示。同步器接合套与高挡从动齿轮接合，动力经由发动机传至高挡齿轮副，再经由同步器传递至输出轴，经过主减速器后最终通过差速器传递至车轮。

图8 车辆高挡行驶时动力传递简图

4 结论

ISG型AMT混合动力汽车拥有两个动力源，在发动机转速达到换挡条件时，会预先将整车动力由发动机提供转换至驱动电机提供，避免了换挡过程动力中断问题，提高了驾驶的舒适性，并且由于此时同步器不传递力矩至输出轴，因此可以更好地从当前挡位脱出进入空挡。对于同步调速过程，利用ISG电机快速响应的特性，对齿轮与轴的同步过程进行主动调速，加快了同步过程，缩短了换挡时间；减少了同步器所产生的滑磨功；使变速箱的耐久性得到了提升。

[1] 舒红,秦大同,胡建军.混合动力汽车控制策略研究现状及发展趋势[J].重庆大学学报,2001,24(6):28-31.

[2] 钟博浩.并联式混合动力汽车能量分配研究[D].长春:长春工业大学,2017.

[3] 于永涛.混联式混合动力车辆优化设计与控制[D].长春:吉林大学, 2010.

[4] 尹倪.纯电动汽车无动力中断两挡AMT变速箱换挡控制[D].长春:吉林大学,2020.

[5] 董翔宇,席军强,陈慧岩.并联混合动力汽车AMT无离合器换挡同步过程控制[J].汽车工程,2011,33(12):1047-1050.

[6] Liang J,Yang H, Wu J, et al.Shifting and power sharing control of a novel dual input clutchless transmission for electric vehicles[J]. Mechanical Systems and Signal Processing,2018(104):725-743.

[7] 曹竟辉.ISG型混合动力客车动力系统设计及能量管理策略的研究[D].厦门:厦门理工学院,2017.

Analysis of Shifting Process for ISG-type AMT Hybrid Electric Vehicles

HUANG Longfeng, FU Jingshun*, SUN Zhiqiang

（School of Mechanical Engineering, Shenyang University of Technology, Liaoning Shenyang 110000）

With the increasing awareness of environmental protection in countries around the world, the research of new energy vehicles has gradually become the focus of automobile companies. Thanks to the good fuel economy, hybrid vehicles can achieve the effect of energy saving and emission reduction. This paper briefly introduces classification of hybrid vehicles and proposes the structure of an AMT Parallel-serial hybrid vehicle power system. Focusing on the system structure, shift working principle, and detailed analysis of the specific control of the structure during the shift. Summarizes the shift quality improvement of this AMT system structure.

Hybrid electric vehicles; AMT; Gear-shifting control

10.16638/j.cnki.1671-7988.2021.021.056

U461.99

B

1671-7988(2021)21-211-04

U461.99

B

1671-7988(2021)21-211-04

黄隆烽，硕士研究生，就读于沈阳工业大学机械工程学院。

付景顺，博士、教授、车辆工程系主任，就职于沈阳工业大学机械工程学院。