基于DCT的混合动力电驱变速器的研究及电气设计

陈 岳 殷承良(上海交通大学机械与动力工程学院，上海 200240)

基于DCT的混合动力电驱变速器的研究及电气设计

陈 岳 殷承良
(上海交通大学机械与动力工程学院，上海 200240)

本文以对基于DCT的混合动力电驱变速器的研究和对其在整车的电气设计为目标，使用AutoCAD Electrical软件绘制了机电耦合电驱变速器替代EDU之后的整车高低压配电原理图，设计了混动系统中主要控制器的外部接口并对其进行相互连接，依据汽车电系导线线径和颜色设计的基本原则，设计连接导线的线径和颜色，最后从电子泵电机控制器、TCU和PCU外部线路的接插件选择和线束长度两方面，对机电耦合电驱变速器在整车的线束进行了设计。

混合动力 DCT双离合变速器 EDU智能电驱变速器 高低压配电 线束设计

0 引言

环境污染尤其是大气污染日益严重、传统能源储量日趋紧张的今天，以电动汽车为代表的新能源汽车由于其节能环保、能量来源广泛等优点越来越受到人们的重视和青睐。混合动力作为桥梁连接传统与未来，机电耦合的全混合动力是节能的最佳选择，机电耦合箱技术是企业的战略制高点。

双离合变速器DCT除了具有自动变速器的舒适性和手动变速器的灵活性外，它还能够提供不间断的动力输出。DCT360横置前驱湿式双离合器自动变速器，代表当今最先进的变速器技术。由上海汽车变速器有限公司SAGW、上汽股份有限公司技术中心SMTC和德国GIF三方联合开发，上海汽车变速器有限公司SAGW具有自主知识产权。采用手动变速器传动单元，配备双离合器主体结构，由变速器控制单元TCU作为换挡执行单元对换挡进行精确控制[1]。

上汽荣威E550搭载的EDU智能电驱变速器主要是集成了两个电机、两个离合器和一套两个挡位的齿轮组，相当于是把动力单元和传动单元全都集成在了一起，混合动力系统当中的两个电机即主电机和辅助电机全都放置在了这个变速器当中。上汽EDU智能电驱变速器采用双电机驱动，而单电机具有空间紧凑和低成本优势，而且技术难度相对较低，性价比较高[2]。因此最终选择湿式DCT+单电机的耦合方案，替代原车的EDU电驱变速器。将原车中的整车控制器替换成新的HCU，对原车进行机械结构、电气系统和控制系统进行改制，本文主要针对整车电气系统的高低压配电线路和线束进行重新设计。新开发的单电机驱动的机电耦合电驱变速器的示意图如下：

图1 新开发的单电机驱动的电驱变速器

1 汽车电驱动系统各主要部件的整车布置

原车中的EDU智能电驱变速器是采用双电机进行驱动，而新开发的机电耦合电驱变速器采用单电机进行驱动，随之与原车相比，会产生许多配套的新增件、改制件和沿用件。因此，由此导致的汽车电驱动系统的各主要部件在整车的位置布置需要重新进行设计。

本文主要研究机电耦合电驱变速器替换原车EDU智能电驱变速器后其在整车的电气设计，因此，只需设计高压电源、整车控制器HCU、变速器控制TCU、电机控制器PCU和电子泵电机控制器及其所控制部件在整车的布置位置。以尽量保持原车相关部件布置位置不变和确保所有部件不发生机械结构干涉为原则，以上各部件的布置位置如下：高压电源布置在后行李舱地板下，整车控制器HCU布置在主驾驶座下方，变速器控制器TCU布置在副驾驶座下方，EDU的双电机替换为单电机后在前舱留下空余空间，新设计的基于DCT的机电耦合电驱变速器布置在该空余空间位置，电机控制器PCU和电子泵电机控制器布置在前舱且远离发动机处，尽量靠近电驱变速器。

2 电气原理图及整车主要部件的高低压配电设计

2.1 汽车的高压主回路

汽车的高压主回路是由动力电池、正极和负极接触器、高压负载和预充电回路组成。预充电回路由预充电接触器和预充电阻连接而成，高压负载主要是指高压器件和电机控制器。[3]由于一些高压用电设备和电机控制器内部含有比较大的电容电路，为了防止发生高压电路接通的瞬间发生用电事故，特别设计了预充电回路。基于双离合变速器DCT360的混合动力机电耦合电驱变速器在整车布置后，汽车的高压主回路如下图所示：

图2 汽车的高压主回路

2.2 控制系统的高低压配电

混合动力汽车所搭载的主电源为336 V高压电源，主要用于经电机控制器到驱动电机和经电子泵电机控制器到用于冷却电驱变速器的电子泵电机[4]。另外整车部分低压电器设备的电源供给的源头也都来自于汽车所搭载的高压电源，因此336 V的高压电源需要经过集成在电机控制器中的DC/DC转换器转变为部分低压用电器所需要的12 V低压。经DC/DC转换器转变后得到的12 V低压，首先进入整车控制器，再由整车控制器作为配电控制单元向变速器控制器、电子泵电机控制器和电机控制器等低压电器设备供给电源。配电控制系统原理图如下图所示：

图3 配电控制系统原理图图

3 整车主要控制器的CAN总线连接

本文中CAN总线主要用于整车控制器HCU与DCT双离合变速器的TCU、电机控制器PCU及电子泵电机控制器进行信息传递。汽车网络结构对于不同类型的节点是采用多条不同速率的总线分别连接，在实现整车的网络管理和信息共享时使用的是网关服务器[5]。汽车内部通信的核心是网关，通过网关，各条总线上信息的共享以及实现汽车内部的网络管理和故障诊断功能都可以得到实现。下图是基于CAN总线的汽车电气网络结构图：

图4 基于CAN总线的汽车电气网络结构

发动机控制器MCU、变速器控制器TCU、电机控制器PCU等通过高速总线与整车控制器HCU相连，形成可以高速、实时控制的高速传输网。灯光控制器ECU、电动车窗ECU、仪表显示ECU等通过四速网络与整车控制器HCU进行信息交互。两种总线通过集成在整车控制器HCU内部的网关实现信息共享和网络管理[6]。

4 PCU和TCU的外部接口及连接

4.1 电机控制器PCU和电机的外部接口与连接

电机控制器接收来自整车控制器的指令以及来自其它控制器、传感器的信息，对电机进行有效控制，保证电机正常运行。电机控制器的外接线路经三组插件向外连接，正负接口连接高压电源，三相接口连接机电耦合电驱变速器中的驱动电机，低压信号接口分两组线路接至整车控制器和电机旋变接口[7]。电机控制器的外部连接线路如下图所示：

图5 电机控制器的外部连接线路

电机控制器的外部接线原理如下图所示：

图6 电机控制器的外部接线原理

电机控制器28 pin低压信号接口定义如下[8]：

电机的外部接线原理如下图所示：

电机控制器与电机之间电机端低压旋变信号接口信息如下[9]：

表1 电机控制器28 pin低压信号接口定义

4.2 变速器控制器TCU和整车控制器HCU相连部分的接口信息

5 机电耦合电驱变速器在整车的导线和线束设计

5.1 电机控制器外部低压信号导线设计

汽车电系的导线可以分为高压导线和低压导线两种，导线截面积选择的依据是导线的工作电流。为了方便汽车电系统中众多的导线的连接和维修，汽车上使用的低压线的颜色，按照规定必须要符合国家有关标准。根据导线线径和颜色设计的基本原则，电机控制器外部低压信号导线设计情况如下表所示：

图7 电机的外部接线原理

表2 电机端低压旋变信号接口定义

表3 变速器控制器TCU和整车控制器HCU相连部分的接口定义

5.2 机电耦合电驱变速器在整车的线束设计

汽车电路的网络主体就是汽车线束，没有线束汽车电路也就不存在。线束是指在用接插件与电线电缆压接后，外加再金属壳体或者外面再塑压绝缘体等，以线束捆扎形成的用于连接电路的组件。

变速器控制器TCU和整车控制器HCU连接端的接插件型号为1371218 DELPHI。

图8 变速器控制器TCU和整车控制器HCU连接端的接插件

电机控制器接插件：

图9 电机控制器的外部连接线路

三相插件：TE/2141783-2(连电机三相)

母线插件：TE/2141784-2(连直流电源)

低压信号插件：28 pin，型号E/C-1393436-2

基于DCT的电驱变速器与相关控制器的线束连接如下图所示：

图10 基于DCT的电驱变速器与相关控制器的线束连接

根据新设计的基于DCT的电驱变速器替换原车EDU智能电驱变速器改制后整车部分部件的布置位置，用软尺经实际测量即可得到各线束长度。

表3 电机控制器外部低压信号导线设计

改制后汽车主要部件之间的线束长度如下：(单位：mm)

高压电源-电机控制器：2500

电机控制器-电机(高压)：500

电机控制器-电机(低压)：500

电机控制器-整车控制器：1000

高压电源-电子泵电机控制器：2500

电子泵电机控制器-电子泵电机：500

整车控制器-变速器控制器：800

变速器控制器-变速器：1200

整车控制器-电子泵电机控制器：1200

6 结论

本文以对基于DCT的混合动力电驱变速器的研究和对其在整车的电气设计为目标，绘制了机电耦合电驱变速器替代EDU之后的整车高低压配电原理图，设计了混动系统中主要控制器的外部接口并对其进行连接，最终对机电耦合电驱变速器在整车的线束进行了设计。

[1] M.Ehsani,D.Hoelscher,N.Shidore,and P.Asadi,“Impact of Hybrid vehicles on the world’s petroleum and supply”,Society of Autimotive Engineering (SAE)Future Transportation Technology Conference,No.2003-01-2310,2003.

[2] 余志生. 汽车理论(第四版)[M]. 北京：机械工业出版社，2009.

[3] 孙逢春, 何洪文.混合动力车辆的归类方法研究[J].北京理工大学学报, 2002, 22(1):40-44.

[4] Ng H K，Vyas A D,Santini D J.The Prospects for Hybrid Electric Vehicles,2005-2020.

[5] Ryan A.McGee.Modle Based Control System Design and Verification for a Hybrid Electric Vehicle,Future Transportation Technology Conference Costa Mesa,California,2003,June 23-25.

[6] 黄贤广, 林 逸, 何洪文, 等.混合动力汽车机电动力耦合系统现状及发展趋势[ J] .上海汽车, 2006(7):2-5.

[7] 孙逢春,张承宁,祝嘉光.电动汽车——21世纪的重要交通工具[M].北京: 北京理工大学出版社, 1997. 68-78.

[8] Hongbin Wang,Xubin Song,Benjamin Saltsman,and Haoran Hu,Comparative Studies of Drivetrain Systems for Electric Vehicles,SAE,2013-1-2467.

[9] J. Reimpell, H. Stoll, J.W. Betzler, The Automotive Chassis: Engineering Principles, second ed., SAE International, ButterworthHeinemann Publisher, Oxford, 2001.

Research of Hybrid Electric Drive Gearbox Based on DCT and Electrical Design

ChenYueYinChengliang
(SchoolofMechanicalEngineeringofShanghaiJiaoTongUniversity，Shanghai200240)

As the goal by the research of hybrid electric drive gearbox based on DCT and its electrical design in the vehicle, this thesis carries out detailed analysis and research from the aspects of the new energy vehicles、DCT dual clutch transmission and EDU intelligent electric drive gearbox equipped by SAIC Roewe E550 and so on.Using AutoCAD Electrical software, this thesis draws the vehicle high and low voltage power distribution schematic diagram, after electromechanical coupling electric drive gearbox replaces EDU. This thesis designs the external interfaces of the main controllers in the hybrid system and connects them.According to the basic principle of the wire diameter and color design of the automobile electric wire, this thesis designs the wire diameter and color of the connecting wires, and finally designs the wiring harness of the electromechanical coupling electric drive gearbox in the vehicle from the two aspects of connectors selection and wiring harness length of the external lines of electronic pump motor controller, TCU and PCU.

Hybrid vehicles DCT dual clutch transmission EDU intelligent electric drive gearbox high and low voltage distribution wiring harness design

1006-8244(2017)01-018-07

U463.212

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