新能源插电式混合能源车用高效多情势变速器

多情势变速器(MMT)或混合能源公用变速器是混合能源变速器的一类新种类,其功效仅仅是将内燃机与一个或多个电机组合起来。在德国经济和能源部推动的一项结算计划中,GKN公司与东威斯特法仑-利普(Ostwestfalen-Lippe)大学共同合作开拓出了一种用于插电式混合能源车的高效MMT计划。在已停止的试验台试验基础上,该计划在投入批量临盆之前又停止了进一步开拓。

1 混合能源变速器的定义 

与常规的混合能源变速器相比,多情势变速器(MMT)的优点除了布局简略之外,还能在全体车速规模内将内燃机与电机颠末过程最优组合从而实现高效行驶,别的还能颠末过程无级变速器(连续可变变速器,CVT)的变速档位使内燃机与电机可实现最优衔接以获得最佳的起步加快机能,并能使内燃机在运行效力更高的负荷工况点下运行。

与目前用于插电式混合能源车(PHEV)和电动增程式汽车(REEV)的变速器相比,本文所介绍的由GKN公司与东威斯特法仑-利普(Ostwestfalen-Lippe)大学(HS OWL)共同合作开拓的变速器计划,其在改良行驶功率和用户效益的同时提高了效力、紧凑性和行驶里程,MMT以其优点和机能显著优于现有的能源传动计划。

2 计划开拓

2013年以来GKN公司批量临盆的用于日本三菱公司Outlander(2001年春季临盆的SUV汽车品牌名)PHEV的多情势变速器成为新款产品开拓的基础。市场上首款Outlander插电式混合能源SUV批量设备了GKN公司供给的单速比多情势变速器,这种能源传动体末了由前桥上的传动单位构成,其由87 kW的内燃机、60 kW的电机和75kW的发电机组合而成,后来该车又设备了由另外一台60 kW电机驱动的后桥,两台电机由同一个容量为12 kW·h的常规蓄电池供电。

目前该项偏向偏向是开拓一个前置变速器,其以相同的电驱动功率为最终用户供给更好的行驶能源机能而无需附加额外的发电机组,因此考虑采纳一台功率为120 kW的电机用于实现电驱,从而与对比车辆(比较基准)的电功率相匹配。这种电机在CVT情势下,即使外行驶期间也能用于为蓄电池充电,如许就能省掉一个附加发电机。尽管必需对偏向车辆的效力和行驶功率提出更高的请求,但是还要称心设计任务书的重要需要:

(1)内燃机驱动情势下的行驶最高车速至少为170 km/h;

(2)在坡度为12%的坡道上行驶,同时停止最高负荷充电和牵引挂车时,行驶车速至少为50 km/h(即使在蓄电池亏空环境下);

(3)设计时同样要考虑到一些分外环境,例如在街道边石边棱上起步、倒车或在泊车场进入空车位等环境下。

图1示出了这种变速器的最终计划。这种计划基本上由两个行星齿轮组构成,由第一个行星齿轮组构成内燃机与电机之间的CVT衔接,接着由第二个行星齿轮组实现两档换挡功效。颠末过程这种换挡办法分两次履行即可供给统统的行驶情势,在该类变速器中采纳常规液压操纵的爪齿离合器和片式离合器作为换挡器件。图2示出了上述所介绍的构成部分,这种变速器零部件的设计和布置也得当于统统其余车型品级和布局空间。

图1 MMT变速器计划及其换挡图

图1 MMT变速器计划及其换挡图

图2 MMT变速器剖视图

图2 MMT变速器剖视图

CVT级由一个可用液压操纵的爪齿离合器锁定的行星齿轮组构成,其可将内燃机与电机停止衔接,为此所必需的同步过程颠末过程电机来确保。电动CVT(eCVT)情势下则可由内燃机实现驱能源壮大的起步加快过程,从而无需串联运行或单独的起步加快离合器。

别的,两种电动CVT(eCVT)情势在教逑档速规模内供给了这两种可能性:使电机以发电机办法运行为蓄电池充电;或许在全体行驶速率规模内可供给助力功效。锁定eCVT行星齿轮组,从赓续开CVT情势停止换挡到并联运行情势。除了电助力、发电机办法运行可为蓄电池充电和收受接收制动能量之外,在这个情势运行中还能颠末过程调剂运行工况点使内燃机以更高效力运行。

这种变速器的档位变换由另外一组行星齿轮组实现两档分离为2.0和1.0的两种传动比,如许的档级跨度是环抱优化燃油耗停止普遍模拟试验而获得的结果,而且能颠末过程上述档级行星齿轮的设计以获得最佳的运行效果。如果容许差别不大的档级跨燃捌涠宰高效力带来那嵛⑸ナ的话,那么换档也能采纳本钱较为低廉的行星齿轮组来实现。

为了变换两个档位从而应用了2个颠末过程常规液压操纵的摩擦片组,此中用于第一档的被设计成制动器,而用于第二档的则被设计成离合器。传动过程以常规的办法由1个凋谢式差速器来实行。全体而言,为了全体体系(包含位于内燃机与电机之间的起步加快离合器在内的装配体系)的有用运行,需设备3个离合器和1个制动器。如下的运行情势可供抉择应用:

(1)CVT 1:起步加快,在蓄电池亏空和发电机情势运行直至约26 km/h时;

(2)CVT 2:以发电机情势运行至53 km/h和助力至约Vmax=220 km/h;

(3)EV 1:起步加快和Vmax=140 km/h;

(4)EV 2:高效电动车(EV)运行直至Vmax=205 km/h;

(5)并联运行 1:以内燃机情势行驶并颠末过程电驱体系助力使车速到达约90 km/h;

(6)并联运行 2:以内燃机情势行驶并颠末过程电驱体系助力使车速到达约170 km/h。

作为计划设计阶段的结果,图3(a)牵引力曲线图示出了统统行驶情势可供应用的驱动轴所能供给的最大牵引力和可能的行驶速率规模,此中全面称心了项目中所提出的请求。为了显示出比基准车辆更好的行驶功率,从图3(b)中可看到设备量产变速器和新开拓变速器计划的MMT/PHEVplus基准车辆各自具有的最大牵引力曲线,可观测到牵引力得以显著提高,因此生手驶时可察觉到其加快能力已得以大幅改良,而且其最高车速能从目前的170 km/h提高到220 km/h。

图3 PHEVplus变速器牵引力曲线图(a)与基准车辆(b)的比较

图3 PHEVplus变速器牵引力曲线图(a)与基准车辆(b)的比较

3 履行和试验

在该项目中,不但行驶功率有所提高,还附加低落了约10%的燃油耗,该数据目前已在计算机上停止过模拟试验。为了验证项目效果,在3个发动机试验台上分离在40 ℃和80 ℃变速器油温度(在油池中测量)下停止了相应的效力试验,此中3个试验台电机模拟、电机和差速器输入端驱动轴如图4所示。

图4 具有差速器、电动机和内燃机等电模拟部件和变速器试验件的试验台布置状况

图4 具有差速器、电动机和内燃机等电模拟部件和变速器试验件的试验台布置状况

效力试验的结果是由东威斯特法仑-利普大学(HS OWL)在全体体系的计算机模拟过程中获得的,并考虑进一步优化的运行计谋。因为必需开拓用于各种行驶状况的运行计谋,因此首先确定了加倍切合实际的行驶谱,而且已由一辆(类似的)汽车开端行驶拟定,并尽量可将行驶谱记载下来,在长约190 km的全体行驶路线中用该辆测量车查明用于负荷谱的各种所需数据,紧接着将这些数据应用于模拟开拓各种分歧的运行计谋,查明其各所发生的燃油耗,再用所获得的数据偏向停止新一轮的开拓工作。

为了对峙对标性,不只为基准车辆而且也为PHEVplus车辆模拟分歧的行驶轮回,并用这些运行计谋根据基本类似的规律性行驶。除了设想的分歧档位的正常负荷和不考虑节油的负荷之外,负荷谱成为设计和确定变速器构件尺寸的基础。

4 试验结果

因为可供应用的行驶情势各不相同,试验结果不能间接与基准车辆停止一对一的比较。对比车辆总共具有3种运行状况:EV运行情势、并联运行情势和串联运行情势。在串联运行情势中内燃机仅驱动发电机,因此其所收回的电不只可用于驱动汽车而且为蓄电池充电。串联运行情势虽然一方面可供给不依赖于内部充电的技术可能性,但是另外一方面也随之低落了效力。

为了PHEVplus变速器与对比车辆之间能间接停止运行情势的比较,为此仅考虑EV和并联运行情势。该两类运行情势下的最高效力几乎是一样的,此中在基准车辆上其最小值与最大值之间的差距较大,而在PHEVplus车辆上虽然最大值略有低落,但是在统统运行工况点上均已到达了较高的效力。

为了停止体系间的比较,除了实际应用的变速器之外,还必需一并考虑其各自的运行计谋,同时使开拓能量效力尽量高的运行计谋也是该项目研究的重点偏向。基本上应用了2种通俗的运行计谋,此中第一种所谓的“最佳”运行计谋老是抉择外行驶轮回每个阶段变速器能源学情势处于效力最高的运行状况下。

第二种“以调节为基础的”运行计谋能使变速器情势以令人称心的调节来运行,在这种环境下加倍重要的是试验必要多长光阴在电驱情势下行驶直至蓄电池充电已到达某个阈值为止,然后车辆根据车速以最优的并联情势或以CVT行驶办法运行。

图5和图6所示的最终燃油耗计算结果与WLTP行驶轮回无关,其是由采纳真正“以调节为基础的”运行战略的基准车辆和采纳该项目所开拓的“最佳”运行战略的PHEVplus车辆模拟所计算进去模酥幸巡槊在考虑到变速器丧失的环境下能实现节油达11.6%,因此超额实现为了项目偏向。虽然知道此中“最佳”运行战略确定尚无法成为在一辆可能的试验车辆上最终决定的运行战略,但是其是在目前项目状况下能表明新开拓变速器可获得最优潜力的运行战略。

图5 PHEVplus变速器(有损耗)与Otelander变速器(抱负)WLTP行驶轮回燃油耗比较(模拟结果)

图5 PHEVplus变速器(有损耗)与Otelander变速器(抱负)WLTP行驶轮回燃油耗比较(模拟结果)

图6 PHEVplus变速器与Outlander变速器在

图6 PHEVplus变速器与Outlander变速器在WLTP行驶轮回中有损耗的和抱负的燃油耗比较(模拟结果)

5 结论和瞻望

该项目在国内外的各种分歧国际性集会和展览会上公开介绍以后,已引起了多家汽车制作商的存眷,而对新款变速器计划中的功效布局组件的中剂又确保了其在与用户车型匹配时具有更高的机动性。

即使因为增添了附加功效而相对付量产变速器增长了变速器的复杂性和本钱,但是颠末过程取消发电机已显著节省了传动装配的本钱和品德。目前各大厂商对通常称之为混合能源公用变速器(DHT)和新开拓的GKN多情势变速器计划的存眷度也在日益晋升,目前可期盼其不久即能投放市场。

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