DM-i超级混动构架限扭器匹配关键技术研究

陈祥祯，田蜀东，武贵洋

(比亚迪汽车工业有限公司 产品规划及汽车新技术研究院，广东 深圳 518118)

0 前言

主流汽车厂和新势力车企都开始大力布局纯电动、混合动力汽车。其中，最新的、主流的混合动力方案是发动机保持在高效区发电，供应电池存储或驱动电机,电机负责整车驱动，降低整车能耗和排放。

比亚迪的DM-i超级混动构架则在该方案的基础上进一步加强，以电为主，围绕大功率电机驱动和大容量动力电池供应，以发动机为辅，组成电混构架。该动力构架可以根据实际工况需求进行纯电、串联、并联和直驱行驶，油耗低能带来纯电般的驾驶体验，同时也能保障强大的动力输出。该动力构架与传统动力相比，最主要的区别是取消了传统动力的离合器，发动机和电混系统(EHS，发电系统与驱动系统集成总成)通过配单质量飞轮和带限扭作用的扭转减振器(以下简称“限扭器”)直接连接，其示意图如图1所示。

图1 DM-i超级混动构架示意图

DM-i超级混动构架中发动机、限扭器、发电机减速器和发电机组成的动力链主要负责发电，提供整车需求电量；在巡航或者大扭矩需求时，发动机可以并联参与驱动；另外，发动机还提供暖机制热等功用。整车使用过程中，发动机频繁启停、怠速暖机、发电或驱动行车，都会带动减速器和发电机大惯量件随之转动，整个传动系的瞬态冲击、稳态敲击和隔振风险都大于传统动力，因此限扭器的匹配就格外重要。尤其是启动到怠速过程，传统动力汽车由于具有离合器分离，只有曲轴飞轮转动，其扭转模态也高，不会被激励起启停过程和怠速过程的低频扭转共振，也不存在齿轮瞬态冲击等。

针对DM-i超级混动构架的特殊性，结合某车型开发过程中遇到的启动和怠速等工况扭振敲击问题，进行限扭器匹配的关键影响因子研究，并提出优化方向。

1 限扭器仿真建模

基于AMESim软件建立该DM-i车型动力传动系仿真模型[1]，主要包括发动机、限扭器、发电机减速器、发电机、驱动电机减速器、驱动电机、动力悬置系统和整车模块。研究限扭器阻尼、刚度和转动惯量等关键参数对整个传动系运行的影响。

首先，在仿真模型中改变限扭器阻尼和刚度，保持其他参数不变，分析整个传动系的发动机启动和稳态发电过程的风险，结果见表1。

表1 限扭器阻尼和刚度对发动机启动和稳态发电过程的风险影响

由表1可以看出：

(1)当刚度一定时，大阻尼对启动瞬态工况效果好，不易发生瞬态冲击，但不利于稳态发电隔振且易引起持续敲击，小阻尼反之。DM-i传动系一阶模态频率为9～14 Hz，发动机启动点火激励频率(半阶次)为10～12 Hz。根据隔振理论[2]，传动系一阶模态在点火激励的共振区，需要大阻尼才能减振；到稳态时转速升高且主要的激励为二阶及以上，频率远离传动系模态，这时需要小阻尼隔振。

(2)当阻尼一定时，整体上刚度越小启动瞬态工况效果越好，某些刚度下总成抖动略大但无齿轮敲击现象。刚度大时启动和稳态隔振都变差，并伴有敲击声。传动系一阶模态可能与动力总成绕整车Y轴转动模态共振，导致抖动；刚度太大传动系模态高，根据隔振原理，其对发动机稳态二阶及以上阶次隔振变差。

因此，为了避免DM-i超级混动构架在发动机启动和稳态发电时，整个传动系冲击或持续敲击风险，限扭器的阻尼和刚度应合理匹配。

其次，在阻尼和刚度不变的情况下，改变模型中限扭器的惯量，分析其影响。发动机启动时刻，惯量对整个传动系冲击的影响没有特定的规律，主要是和整个系统匹配，设计合理的惯量，避免传动系的一阶模态频率与发动机启动半阶次激励、动力总成绕整车Y轴转动的模态接近，引起共振导致整车抖动。发动机稳态发电工况下，惯量越大，整个传动系的扭振敲击风险越小，大惯量可有效抑制发动机传递的扭振波动。整个传动系的扭振敲击用发电机减速器齿轮啮合力评价，限扭器惯量对稳态发电扭振的影响如图2所示。由图2可以看出：啮合力小于0的时刻很少，意味着齿轮很少换向接触，不易产生敲击异响和整车振动。

图2 限扭器惯量对稳态发电扭振影响

再次，验证了发电机扭矩加载策略的影响，其对限扭器的隔振及整个传动系的运动特性影响很大。发动机启动工况，需要发动机、发电机策略和限扭器的合理匹配才能有好的表现，各关系复杂这里不详细论述。但在限扭器参数不变的情况下，稳态发电工况发电机扭矩越大，系统的扭振风险越小。改变发电机扭矩，发电机减速器齿轮啮合力结果如图3所示。

图3 发电机扭矩对稳态发电扭振影响

2 限扭器实车匹配验证

2.1 阻尼匹配

在该DM-i实车上匹配相同刚度和惯量、不同阻尼的限扭器，连续启动多次，测试动力总成本体振动，结果如图4所示(其中，g为重力加速度)。由图4可以看出：小阻尼易导致启动瞬态冲击，产生抖动和齿轮异响；而大阻尼风险明显降低，与理论分析一致。但小阻尼情况也有好状态，这是因为启动效果还与发动机点火缸压差异有关，缸压越小启动抖动越小。稳态发电工况下大阻尼限扭器对较高频率扭振的减振效果略有变差，但在可接受范围内。

图4 启动工况动力总成本体振动-阻尼影响

2.2 刚度匹配

在DM-i实车上匹配相同阻尼和惯量、不同刚度的限扭器，连续启动多次，测试动力总成本体振动，结果如图5所示。由图5可以看出：大刚度易导致启动瞬态冲击，产生抖动和齿轮异响，小刚度风险则明显降低。进入发动机稳态发电工况中，小刚度的限扭器隔振性能也表现更优。试验和理论分析结果趋势一致，整体上限扭器刚度越小越好，但要注意其引起的传动系模态变化，如果与激励频率或动力总成刚体模态共振，反而会变差。

图5 启动工况动力总成本体振动-刚度影响

2.3 控制策略匹配

DM-i超级混动构架限扭器的阻尼、刚度和惯量设计因受到可靠性、成本等限制，不能完全兼顾启动瞬态和稳态发电工况，需要发电机的控制策略进行辅助优化。发动机启动前，发电机作为主动件拖动发动机到一定转速后取消扭矩，随即发动机点火，这时发电机变为被动件进行发电。启动时发电机加载扭矩较小，导致发动机转速上升慢，转频激励在传动系统一阶共振区间停留时间长，易引起共振；加载扭矩变大后，发动机转速快速通过共振点，共振风险小，不易引起抖动或敲击。发动机启动后进入怠速发电工况，发电机不同扭矩下的动力总成和座椅振动结果如图6所示。

图6 不同扭矩下的振动对比

由图6可以看出：如果发电扭矩较小，容易产生传动系齿轮扭振敲击，动力总成本体及传到车内的振动加大，和前面理论分析一致。所以当DM-i超级混动构架发动机运行时，必须使发电机持续处于一定的发电功率中。但怠速时又不能加载太大的扭矩，因为怠速转速工况发动机不是最佳效率发电点，影响燃油经济性，如果提高转速接近最佳效率点，会导致发动机噪声变大且传递到车舱内。

在极端工况下，电池满电或者电池充电功率很低时(比如在冬天东北地区极寒天气)，发电机不能过载，所以应首要考虑将限扭器的硬件优化到最佳，策略作为补充。

3 结语

通过一维仿真建模理论分析，同时结合实车测试数据和评价，研究了限扭器在DM-i超级混动构架中的匹配关键技术。详细阐述了限扭器阻尼、刚度、惯量和发电机扭矩策略对整个动力传动系启动工况的瞬态冲击和稳态发电工况的扭振敲击影响，并提出了优化方案；限扭器惯量由于设计空间限制和样件制作周期，没有实车验证。该研究可为行业内开发类似混动车型的限扭器匹配提供参考。