一种基于双离合变速器的混合动力传动系统

杨冬生，白云辉，孙浩

（比亚迪汽车工业有限公司，深圳 518118）



一种基于双离合变速器的混合动力传动系统

杨冬生，白云辉，孙浩

（比亚迪汽车工业有限公司，深圳 518118）

摘 要：提出一种基于双离合变速器的混合动力传动系统，利用同步器的结合断开实现发动机和电机的动力传递转换，实现多种驱动方式的自由切换。同时，利用电机调速功能，减少换挡时间，提高传动效率。

关键词：混合动力传动系统；双离合；同步器；电动发电机；工况

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.02.019

孙浩，硕士研究生，就职于比亚迪汽车工业有限公司。

CLC NO.: U463.2 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2016)03-54-03

引言

汽车的发展状况标志着一个国家的工业和科学技术发展水平，也能够给人们的日常生活带来极大的方便，然而汽车也带来环境污染和能源短缺等系列问题。在全球的环境污染中，燃油汽车的尾气排放占到了 42%[1]，石油的快速消耗也造成了严重的能源危机，严重影响汽车在未来的可持续。在这种压力下发展新能源汽车也将并且一定会在相当长的时间内成为以后汽车发展的主要方向[2]。

混合动力汽车由于兼具内燃机汽车和纯电动汽车的优点，大力发展插电式混合动力汽车可从从轻污染逐步过渡到完全无污染，解决能源问题和环境问题的有效路径之一[3-4]。

动力传动系统的优劣对于混合动力汽车的燃油经济性、尾气排放等具有重要影响[5]。本文主要讲述一种基于双离合变速器的混合动力传动系统，发动机与电动发电机输出的动力可以通过同步器输出，结构紧凑且控制方便。

1、基本原理

本文所述混合动力传动系统原理简图如图1所示。该动力传动系统主要包括发动机单元1、离合器、变速器单元2a、第一电动发电机41、同步器6和车轮端200。

图1 原理简图

变速器单元2a可选择性地与发动机单元1动力耦合连接，也可将来自第一电动发电机41的启动力矩输出给发动机单元1，以启动发动机单元1。

第一电动发电机41与变速器单元2a动力耦合连接。因此发动机单元1可将产生的至少部分动力通过变速器单元2a输出给第一电动发电机41，此时第一电动发电机41可发电，并可将机械能转换为电能并储存在蓄能部件。同样，第一电动发电机41可以将来自电池组件的电能转换为机械能，且可通过变速器单元2a输出给输出部5，最终用于驱动车辆。

同步器6可在输出部5和变速器单元2a之间可选择地同步，结合时将来自发动机和第一电动发电机的动力传输给输出部5； 不结合时，切断动力输出。这样通过控制一个同步器6的接合或断开，从而可以实现整车驱动模式的转换。

由于应用场合的特殊性，此处应用同步器6相对离合器具有如下优点：

（1）当同步器6断开时，需要将发动机单元1、变速器单元2a和第一电机发电机41与车轮200的动力彻底断开，使得双方各自进行的运动互不影响，从而减少车辆的能量消耗。

（2）当同步器6接合时，需要将发动机单元1和第一电动发电机41耦合后的驱动力经过变速器单元2a的扭矩放大后传递至车轮200，或将车轮200的驱动力传递至第一电动发电机41用于发电，这就要求此处的动力耦合装置可以传递很大的扭矩，并具有很高的稳定性。若选用离合器，其体积因为需要很大传递扭矩而必然很大，增加了布置难度，提高了重量和成本，并且在扭矩冲击时，有打滑的风险。

（3）第一电动发电机41可以调节变速器单元2a的速度，例如以输出部5的转速为目标，通过电机转速的改变，调节变速器单元2a的速度，使得变速器单元2a与输出部5的速度在较短的时间内迅速匹配，从而减少同步器6同步所需的时间，减少中间能量损失，同时还能够实现同步器6的无扭矩接合，极大地提高了车辆的传动效率、同步可控性和同步的实时性。

2、动力结构

2.1 结构原理

基于第一部分所述原理，并增加第二电动发电机作为扭矩补充，构建一动力传动系统，其结构原理如图2所示。发动机单元1与双离合器31的输入端313相连，双离合器31的第一输出端311与第一输入轴21相连，双离合器31的第二输出端312与第二输入轴22相连，第二输入轴22同轴地套设在第一输入轴21上。

第一电动发电机41通过一个中间齿轮411而与第二输入轴22上的主动齿轮25间接传动。输出轴24上固定设置有两个从动齿轮26。同步器6设置在输出轴24上，主减速器主动齿轮51相对输出轴24可差速转动，51的左侧可以通过连接杆固定有与同步器6适配的接合齿圈52。

第二电动发电机42的输出端直接与51相连。其中，51与主减速器从动齿轮53外啮合， 53可以固定在差速器54的壳体上，以将动力传递给差速器54， 54分配完动力后可适应性传递给两侧的半桥，从而驱动车轮200。

图2 结构原理图

该动力传动系统中，发动机的动力科通过双离合器以不同的速比传递到输出轴，第一电动发电机也可通过挡位齿轮组以一固定速比将动力传递到输出轴。同步器接合，动力即可传递到主减速器和差速器，最终传递给车轮。第二电动发电机则可以通过输出部直接将动力传递至车轮。

2.2 驱动方式

下面将根据动力传动系统具体结构对该混合动力传动系统的实现的驱动方式进行描述。

2.2.1 工况模式

（1）单电机纯电工况

双离合器31切断，同步器6切断，发动机单元1和第一电动发电机41不工作，第二电动发电机42通过主减速器主动齿轮驱动车轮200。该工况主要用于匀速或城市工况等小负荷情况，同时电池具有较高的电量。该工况的优点在于第二电动发电机42直接驱动，传动链最短、参与工作的部件最少，可以达到最高的传动效率和最小的噪音。

（2）双电机纯电工况

双离合器31切断，同步器6接合，发动机单元1不工作，第一电动发电机41通过主动齿轮25和对应啮合的从动齿轮26构成的挡位齿轮组以及同步器6将动力传递至主减速器主动齿轮，第二电动发电机42直接通过主减速器主动齿轮驱动车轮200。该工况主要用于加速、爬坡、超车、高速等较大负荷场合，且电池电量较高的情况。该工况相较于单电机驱动拥有更好的动力性能，相较于混合动力拥有更好的经济性和更低的噪音，更能突出其优势的典型应用场合为大坡度（盘山路）的拥堵路况。

（3）并联工况

双离合器31接合，同步器6接合，发动机单元1和第一电动发电机41通过主动齿轮25和对应啮合的从动齿轮26构成的挡位齿轮组以及同步器6将动力传递至主减速器主动齿轮，第二电动发电机42直接通过主减速器主动齿轮驱动车轮200。该工况主要用于急加速、爬大坡等最大负荷场合。该工况的优点是三引擎同时驱动，可以发挥最大的动力性能。

（4）串联工况

双离合器31接合，同步器6切断，发动机单元1通过离合器和主动齿轮25及其对应啮合的中间齿轮411构成的挡位齿轮组带动第一电动发电机41发电，第二电动发电机42通过主减速器主动齿轮驱动车轮200。该工况主要用于中等负荷，且电池电量较少的情况。该工况的优点是第二电动发电机42直接驱动，传动链最短、参与工作的部件最少，可以达到最高的传动效率和最小的噪音，同时第一电动发电机41可以通过扭矩和转速调节，使发动机单元1保持在最佳经济区域运行，减少发电油耗。

（5）制动或减速回馈工况

双离合器31切断，同步器6接合，发动机单元1不工作，第一电动发电机41通过挡位齿轮组和同步器6制动主减速器主动齿轮的动力并发电，第二电动发电机42直接通过主减速器主动齿轮制动车轮200的动力并发电。该工况主要用于车辆制动或减速。该工况的优点是车辆减速或制动时，将两个电机同时制动，可以最大限度地吸收制动能量，转化为电能，同时通过切断双离合器31，消除了发动机摩擦力矩对车辆的制动，可以留下更多的动力让电机吸收。

（6）混联工况

双离合器31接合，同步器6接合，发动机单元1的部分动力通过双离合器31和挡位齿轮组带动第一电动发电机41发电，发动机单元1的另一部分动力通过挡位齿轮组和同步器6将动力传递至主减速器主动齿轮51，第二电动发电机42直接通过主减速器主动齿轮51驱动车轮200。该工况主要用于加速、爬坡等较大负荷场合且电量不多的情况下。该工况的优点是可以发挥发动机单元1的全部动力，既保证车辆的动力性，又可以同时进行发电，保持电池的电量。

2.2.2 工况切换

上文所述的六种工况可以进行切换，其中比较典型的工况切换有两种：由串联工况切换为并联工况，或者从串联工况切换至制动或减速回馈工况。

（1）串、并联切换

当需要急加速超车、躲避障碍物或其它情况时，根据司机的油门需求，动力传动系统可从串联切换为并联。此时第一电动发电机41会以主减速器主动齿轮的转速为目标，通过转速控制，调节输出轴24的转速，使输出轴24和主减速器主动齿轮的转速尽可能的匹配，方便同步器6结合。

而在匹配过程中，第二电动发电机42可以响应驾驶需求，增大扭矩，使车辆得到加速，而不必像通常的车辆那样，等到同步器6接合后才能加速。这一扭矩提前补偿的功能，可以大大地缩短扭矩响应时间，提高车辆的瞬时加速性能。

（2）串联、回馈切换

当车辆制动或减速时，根据司机的油门需求或踩踏制动踏板的动作，动力传动系统100可从串联工况切换至制动或减速回馈工况。此时第一电动发电机41可以主减速器主动齿轮的转速为目标，通过转速控制，调节输出轴24的转速，使二者的转速尽可能的匹配，方便同步器6结合。而在匹配过程中，第二电动发电机42可以响应驾驶需求，对车轮200进行制动，回馈电量，而不必像通常的车辆那样，等到同步器6接合后才能回馈电量。这一扭矩提前补偿功能，可以大大的缩短电机制动响应时间，增加回馈的电量。

特别地，对于复杂路况，例如当车辆在上坡、下坡、颠簸、低附等复杂路况下行驶时，往往因为车速不稳定而导致同步器6接合困难。即使第一电动发电机41可以通过转速控制，调节输出轴24的转速，但由于主减速器主动齿轮的转速随车速不可控，也会给第一电动发电机41的调速的准确度和速度带来困难。在这些路况下，通过第二电动发电机42对车辆进行扭矩补偿，可以有效地稳定车速，既提高了整车的驾驶体验，也使得同步器6的接合变得简单。

3、结论

本文所述混合动力传动系统，发动机、电机可通过同步器同步将动力传递至车轮，结构简单、控制方便。同时，充分利用电机速度调整的优势，调节变速器的转速与输出部分的转速快速同步，实现同步器的无扭矩结合，减少换挡时间，提高转动效率。

驾驶过程中，可根据车辆对扭矩或功率的需求，选择多种驾驶模式，有效提升车辆动力性、平顺性和燃油经济性，进而减少排放污染。

参考文献

[1] 尧文亮.并联式混合动力汽车能量控制策略研究[D].长沙:湖南大学,2010.

[2] 陈清泉,孙逢春,祝嘉光.现代电动汽车技术[M].北京:北京理工大学出版社,2002:98～135.

[3] Markel T , Simpson A Plug _in Hybrid Electric Vehicle Energy Storage System Design[C].National Renewable Energy Laboratory Advanced Automotive Battery ConferenceBaltimore NREL / CPO5400 39614, 2006: l011～1015.

[4] Keefe M P , Markel T Dynamic Programming Applied to Investigate Energy ManagementStrategies for a Plug-in HEV [C]. National Renewable Energy Laboratory. 22nd International Battery，Hybrid and Fuel Cell Electric Vehicle Symposium and Exhibition ( EVS 22 ). Yokohama : NREL/CRo5400 40376 , 2006 : l014～1018.

[5] 张卫青.混合动力汽车的发展现状及其关键技术[J].重庆工学院学报,2006,20(5):19～22．

A hybrid drive system based on dual clutch transmission

Yang Dongsheng, Bai Yunhui, Sun Hao
( Byd auto industry Co., Ltd., Shenzhen 518118 )

Abstract:A hybrid powertrain system based on dual-clutch transmission is proposed, which can transfer power from the engine and the motor through the synchronizer. The system can offer the driver a variety of drive modes, and at the same time, with the use of the motor’s speed control function, it can reduce shifting time and improve Transmission efficiency.

Keywords:Hybrid powertrain system; Dual-clutch; Synchronizer; Motor generator; Operating mode

作者简介：杨冬生，硕士研究生，中级工程师。就职于比亚迪汽车工业有限公司。长期从事新能源汽车动力系统研究，尤其在插电式混合动力传动系统方面，积累了丰富经验。

中图分类号：U463.2

文献标识码：A

文章编号：1671-7988(2016)03-54-03