混合动力机电耦合系统效率优化分析
2021-11-29张安伟祁宏钟赵江灵张鹏朱永明周文太
张安伟，祁宏钟，赵江灵,2，张鹏，朱永明，周文太
(1.广州汽车集团股份有限公司汽车工程研究院，广东广州 511434；2.北京航空航天大学交通科学与工程学院，北京 100191；3.中汽检测技术有限公司，广东广州 510535)
0 引言
伴随着新能源汽车市场的快速发展，混合动力机电耦合系统产业也得到了快速的发展。各汽车企业都推出了各具特色的混合动力机电耦合产品,如丰田的THS系统、本田的i-MMD系统、通用的Voltec系统、上汽的EDU系统、广汽的G-MC系统、科力远的CHS混动系统等。
随着油耗法规、排放法规的日趋加严，各类混合动力系统也在不断地升级优化。丰田的THS系统已发展四代，主要是通过优化构型及零部件的效率去优化系统的效率，提升整车的经济性能[1-6]。本田从第一代发展到第三代，系统构型原理一直未变化，都是通过优化零部件的效率和控制来提高系统的效率，进而改善整车的经济性能。通用在效率优化方面同样也做了很多工作，主要是优化构型和零部件的效率，如发动机、电池、电机控制器、传动系统、附件消耗和整车阻力等来提升整车的经济性能。
开发一套先进的混合动力机电耦合系统，满足国家油耗法规的同时，优异的动力性能与经济性能、低廉的成本、高效的传动效率、平台化的搭载应用，从而提高产品的竞争力、实现更高的市场占有率，这已成为了各车企的共同目标。
本文作者针对开发中的某机电耦合系统，通过拖曳损耗测试，找到影响机电耦合系统的关键因素，提出了液压系统效率优化、传动系统效率优化、加油量优化、制动器拖曳扭矩优化、润滑油黏度的效率优化的措施，通过这些改善，可以有效提高机电耦合系统的效率。
1 丰田THS系统优化方法分析
根据THS系统分析得知，想要大幅度提升整车的效率和经济性，必须从整车角度对相关零部件进行整体优化。
图1是丰田的THS系统从第三代到第四代，各零部件对改善经济性的贡献率[7～11]。主要优化的因素有：整车的阻力曲线、发动机的热效率、驱动桥、电机、电机控制器及电池系统。
图1 丰田THS系统效率优化改善效果
丰田THS系统主要采用以下途径：
(1)通过优化减速机构(增大驱动电机到轮端的速比)，来改善电机的需求(降低电机扭矩需求，提高转速需求)，进而实现小型、轻量化；
(2)通过提高电机冷却技术水平，优化冷却性能；
(3)通过提高电机驱动单元的效率，实现低损耗化；
(4)通过电机室油室化，取消密封件结构，减少拖曳损耗；
(5)通过结构设计，整车行驶时，将油积在储油槽中来降低油位，改善搅油损失；
(6)通过将驱动电机的减速机构，由行星齿轮改为定轴斜齿轮副，来提高传动效率和改善NVH性能；
(7)通过升压，降低电机和电机控制器的电流，降低损耗，改善油耗；
(8)通过升压，降低功率半导体的需求，实现小型化、轻量化和低成本；
(9)改善IGBT的冷却方式，提高功率半导体的功率密度，来改善控制器的效率。
丰田THS系统原理及结构的改进历程如图2和图3所示，其他改进历程如表1所示。
图2 THS系统原理改进历程
图3 THS系统结构改进历程
表1 THS部分系统改进历程
2 混合动力系统效率影响因素分析
想要达到较优的经济性，必须从整车层面去优化系统效率，在这方面，丰田、本田和通用已经做了很多的工作，且取得了很好的效果。混合动力整车功率损失图如图4所示，对经济性改善主要包含以下几个方面[12-14]：
图4 混合动力整车功率损失图
(1)整车方面：风阻系数、质量、轴荷比、轮胎选型、阻力曲线等；
(2)动力源方面：发动机效率、电机效率、电池效率等；
(3)传动系统方面：轴齿传动效率、轴承效率、油封效率、离合器效率、搅油损失等；
(4)液压系统方面：机械泵效率、电动泵效率、吸滤器效率、油管和油道的压降等。
根据某车型、某构型对一些因素进行了初步分析，结果如下所示(不同车型、不同构型、不同的策略的结果可能会略有差别)：
(1)风阻系数减小0.01，可降低0.1 L/100 km油耗；
(2)质量每降低50 kg，可降低0.05 L/100 km油耗；
(3)附件消耗功率降低100 W，可降低0.09 L/100 km油耗；
(4)发电机效率每提升0.5%，可降低0.01 L/100 km油耗；
(5)驱动电机效率每提升0.5%，可降低0.03 L/100 km油耗；
(6)发动机平均提升0.5%热效，可降低0.05 L/100 km油耗；
(7)机械传动效率提升0.5%，可降低0.03 L/100 km油耗。
通过以上分析得知，改善整车风阻系数、整车质量、附件功率、电机效率、发动机效率、机械传动系统效率等因素，都可以降低油耗，改善整车的经济性。
为了有效地提高机电耦合系统的效率，用鱼骨图对影响效率的因素进行了分析，如图5所示。
图5 效率影响因素
3 机电耦合系统拖曳损耗检测
机电耦合系统样机开发一般会经历几个阶段，在开发初期，通过测试机电耦合系统在无负荷状态，各温度下的总成内阻以及部分零件拖曳或损耗，可以发现是否存在零部件设计超差，导致机电耦合系统的阻力矩偏大，影响整机的系统效率，在后期开发中优化，以提升系统的效率。
图6和图7为混合驱动模式在30 ℃和90 ℃时零部件功率消耗对比。
图6 零部件功率损耗对比(30 ℃)
图7 零部件功率损耗对比(90 ℃)
通过该试验可以得出：
(1)在120 km/h时，30 ℃系统总损耗为4.7 kW，90 ℃系统总损耗为4 kW；
(2)系统损耗中占比最大的为机械泵与油泵齿轮的损耗，约占总损耗的50%，其中机械油泵是做有用功，而机械油泵齿轮为无用功；
(3)在120 km/h时，制动器的拖曳损耗，30 ℃时为0.46 kW和90 ℃时为0.78 kW，拖曳损耗偏大。
4 机电耦合系统效率优化方法
4.1 液压系统效率优化
液压系统的工作示意图如图8所示。
图8 液压系统损耗分析
针对液压系统，分析了几种不同的损耗，并制定了对应的措施：
(1)对于油泵的损失，优化了机械泵的油压及流量需求，以降低机械泵的能耗，同时优化了机械泵齿轮的布置位置和速比，减少油泵齿轮的搅油损失；
(2)对于冷却损失，通过整车的环模试验，降低电机和离合器、轴齿的冷却润滑需求，从而降低液压系统的流量需求，以达到降低冷却润滑的损失的目的；
(3)对于溢流损失，优化了主油压和离合器回路的溢流损失；
(4)对于阻力损失，优化了壳体油道的流阻、控制元件的流阻；
(5)对于泄漏损失，优化了壳体的油道、阀板，以减少泄漏。
4.2 传动系统效率优化
建立CFD仿真模型，通过搅油仿真分析所有轴承、齿轮、电机等零部件的冷却润滑是否足够，降低冷却润滑风险，优化传动系统的效率，如图9所示。主要有以下措施：
图9 搅油仿真分析
(1)通过优化壳体结构和增设导油槽、优化轴系布置结构，在满足轴齿的冷却润滑的需求上，尽量减少喷溅到齿轮的润滑油，以减小搅油损失；
(2)通过分析不同倾角下，机电耦合系统对润滑油的需求，以确定最小的加油量，以减小搅油损失；
(3)通过喷油管定向、定点喷油，减少不必要的搅油损失；
(4)通过设置单独的液压模块腔体，使液压模块腔体的润滑油不能参与搅油，可减少搅油损失。
4.3 加油量优化
通过壳体结构的优化，减少系统的加油量，以减少传动系统的搅油损失，优化前后对比如图10所示。
图10 壳体优化前后对比
(1)差速器位置向内部压缩，减少空腔体积；
(2)吸滤器安装空腔向内部压缩，减少空腔体积；
(3)P挡位置移动到中间，原位置腔体收缩，减小壳体内部空腔。
4.4 制动器的优化
通过分析，制动器的油路原理如图11所示，拖曳扭矩大的原因是排油不畅。通过优化制动器的结构，同时增加径向甩油槽，来解决制动器的排油不畅，以减小拖曳扭矩，提高系统的效率。
图11 优化前制动器结构
4.5 润滑油黏度的优化
润滑油品的黏度对齿轮传动系统的效率影响也很明显。黏度越大，齿轮传动系统的效率越低。而润滑油品的黏度随温度的变化而变化，对两款润滑油品的黏度进行了检查，结果如图12所示。机电耦合系统，采用小黏度的油品，进一步改善系统的效率。
图12 润滑油油品黏温曲线
5 系统效率优化测试结果
为此设计了混合动力总成的效率测试台架，其原理图和实物图如图13和图14所示。
图13 效率测试台架原理
图14 效率测试台架实物图
输入功率为电机控制器直流端输入电功率，输出功率为台架轮端测功机总机械功率，效率计算公式为
式中：η系统为DHT的系统效率(%)；n轮为轮端测功机转速(r/min)；T轮为轮端测功机转矩(N·m)；P直流为电机控制器直流端输入电功率(kW)。
通过效率优化后的测试，发现所提出的效率优化措施能有效提高系统的效率，测试结果如表2所示。低速低扭段的效率改善最明显，提高了5.54%。这是由于低速低扭段的输入总功率较小，降低损耗，对效率提升会更明显。在高速高扭段，效率也提升了0.76%。通过效率优化，机电耦合系统效率达到了92.69%。
表2 机电耦合系统效率改善效果
6 结论
想要达到较优的经济性，必须从整车层面去优化系统效率，在这方面，丰田、本田和通用已经做了很多的工作，且取得了很好的效果。
文中针对开发中的某机电耦合系统，通过拖曳损耗测试，找到影响机电耦合系统的关键因素，提出了液压系统效率优化、传动系统效率优化、加油量优化、制动器拖曳扭矩优化、润滑油黏度的优化的措施。通过机电耦合系统总成的效率测试，机电耦合系统的各工作点的效率均有所改善。低速低扭段的效率改善最明显，提高了5.54%。在高速高扭段，效率也提升了0.76%。通过效率优化，机电耦合系统效率达到了92.69%。试验结果表明，文中所提出的效率优化方法是有效的。
