SCI论文（www.lunwensci.com）
摘要：混合动力技术目前汽车实现立竿见影节能减排效果的有效对策，而混合动力专用变速器是混合动力汽车（含插电式）的关键核心部件，直接影响整车能耗，因此效率优化和提升是混合动力专用变速器开发的重要课题。针对这一课题，基于混合动力专用变速器高度集成机械传动、电机、电机控制器和多驱动多模式的特性，从传动损耗、润滑油黏度、电机系统零扭补偿控制3个方面，通过理论分析和试验相结合进行研究。首先分析混合动力专用变速器传动损耗占比分布，进而得出效率优化的方向并试验验证优化效果；分析不同黏度油品对混合动力专用变速器系统效率的影响，并设定实际使用典型工况进行测试验证；对混合动力专用变速器直驱工况下电机控制进行分析和测试，揭示电机零扭状态下不同控制策略对系统效率的影响；为混合动力专用变速器实际开发过程的效率提升提供参考和依据。
关键词：混合动力专用变速器；传动损耗；油品黏度；零扭补偿
Research on Efficiency Optimization of Hybrid Dedicated Transmission
Wu Weili，Zhang Anwei，Zhou Wentai，Chi Hanwen，Lei Chen
（The R&D Center of Guangzhou Automobile Group Co.,Ltd.,Guangzhou 511434,China）
Abstract:Hybrid technology is currently an effective countermeasure for automobiles to achieve immediate energy saving and emission reduction effects,and hybrid dedicated transmission is a key core component of hybrid vehicles(including plug-in),which directly affects the energy consumption of the vehicle,so the optimization and enhancement of the efficiency is an important topic in the development of hybrid dedicated transmission.To address the issue,based on the hybrid dedicated transmission characteristics of highly integrated mechanical transmission,motor,motor controller and multi-drive mode,three aspects of transmission loss,lubricant viscosity,motor system zero-torque compensation control are researched through theoretical analysis and test.First of all,the distribution of transmission loss is analyzed,and then the direction of efficiency optimization is obtained and experiment is carried out to verify the optimization effect;the different viscosity oil on the efficiency of the hybrid dedicated transmission is analysed,and the actual use of typical conditions for testing and verification is set up;the motor control of direct-drive mode of hybrid dedicated transmission is analysed and tested,revealing the impact of the system efficiency of different control strategies at the motor zero-torque state.Reference and basis for the efficiency improvement of the actual development process of hybrid dedicated transmission are provided.
Key words:hybrid specific transmission;transmission loss;oil viscosity;zero torque compensation
0引言
2020年9月，中国宣布了碳达峰、碳中和目标愿景，即“力争2030年前实现碳达峰、2060年前实现碳中和”，并将双碳目标纳入生态文明建设整体布局。在全国的碳排放份额中，交通行业的碳排放占比约在12%，汽车行业碳排放占交通领域碳排放80%以上，双碳已经是我国对汽车行业的刚性需求和刚性约束，而电气化是交通部门去碳化的关键[1-2]。立足当前汽车产业和能源交通基础设施现状，混合动力技术具有产业基础相对较好、适应性好、性能优越、成本可控等优势，是汽车实现立竿见影节能减排效果的有效对策，助力国家完成碳达峰、碳中和目标。混合动力汽车（含插电式）的大力发展已成为汽车行业发展的必然，而混合动力专用变速器作为混合动力汽车关键核心部件之一，直接影响整车能耗和排放，也是当前各汽车企业的重点研发领域和产品，开发先进高效的混动专用变速器对降低整车能耗、提高整车竞争力具有关键作用。
近年来，也有许多国内外学者对的变速器传动效率及润滑油对变速器效率影响展开了大量研究[3-6]，但缺乏专门针对混合动力专用变速箱器效率的研究。目前国内外主流混合动力专用变速器基本均为双油冷电机方案，如丰田THS、本田i-MMD、广汽GMC、比亚迪EHS等，相对于传统变速器，混合动力专用变速器系统效率涉及领域更广、影响因素更多，影响权重的分布与传动变速器也会存在较大差异。因此，本文首先对混合动力专用变速器特性进行分析，明确影响混合动力专用变速器效率的因素和领域，然后针对重点因素和领域展开分析和验证研究。
1混合动力专用变速器特性分析
相对于传统变速器，混合动力专用变速器除传动变速结构外，还集成了双电机和电机控制器，目前市场主流混合动力专用变速以单挡或两挡为主，一般不超4挡，因此传动变速结构更为简化如图1所示；另外电机工作转速较高，且高速化趋势明显。因此，在传动损耗方面，相对传统变速器影响因素更多，且分布差异较大。
因传动简化、电机冷油等差异，相对于传统变速器油，混动专用变速器对油品要求更高的兼容性，实现多性能平衡。因此基于效率优化的需求，开发低黏度专用油品成为可能。油冷电机的绝缘性是行车安全的前提。润滑油不仅要保证对机械传动部分的良好润滑和冷却，还要满足电机的润滑冷却要求。由于系统中増加了电机，所以油品必须具备优异的电化学性能、极端情况下的热保护性能以及与漆包线、绝缘漆等非金属材料良好的相容性等[3]。
混合动力专用变速器因其多动力源的特性，一版具有多种驱动模式。如图2所示。以串并联两挡混动专用变速器为例，驱动模式包括纯电、增程、发动机直驱/并联驱动1挡、发动机直驱/并联驱动2挡等，可通过不同驱动模式的控制，实现提高燃油效率和降低排放的目标。因此混动专用变速器效率研究需分析具体驱动模式。
2混合动力专用变速器效率优化
2.1基于传动损耗的效率优化
传统变速器一般分别参考两个标准计算：GB/Z22559.1《齿轮热功率第1部分：油池温度在95C时齿轮装置的热平衡计算》；GB/Z 22559.2《齿轮热功率第2部分：热承载能力计算》。其中GB/Z 22559.1是计算工作温度95℃下变速箱的热平衡状态；GB/Z 22559.2是通过迭代计算某一稳态工况下润滑油温度，两个标准都可以用来计算变速箱效率。文献[4]基于这两个标准理论计算和和试验分析了传统自动变速器传动效率损失和占比，占比最高的是油泵损失和齿轴损失。
鉴于混合动力专用变速器结构相对于传统变速器差异较大，因此需对混合动力专用变速器各部件的传动损耗和占比进行重新分析，为效率优化指引方向。以双油冷电机串并联混合动力专用变速器为例开展研究，将部件分为驱动电机（含轴和轴承）、发电机（含轴和轴承）、发动机输入轴齿轴承、主减齿轮轴承及差速器、离合器和机械泵。
通过不同转速下的无负荷损耗测试得到如下损耗分布，如表1所示，混合动力专用变速器因集成双油冷电机和离合器控制需求，无负荷损耗主要分布在机械泵和双电机，而传动结构相对较为简单，损耗占比较小。电机的无负荷损失主要为高转速所造成，而电机高速化带来的小型化、低成本等优势，已成为发展趋势，因此针对以上测试结果的主要优化方向则是优化机械泵设计。
除机械泵外，油泵的选型还可以有电动油泵，且电动泵的转速可根据需求独立动态控制，相对于机械泵更匹配DHT多模式工作的特点。因此可通过增加电动泵以减小对机械泵的需求或取消机械泵，同时优化机械泵齿轮搅油。在满足整机需求的前提下减小机械泵容量和优化机械泵齿轮搅油设计，图3所示为优化前后整机无负荷损失对比测试，整机无负荷损耗下降明显。
2.2高兼容性低黏度油品对效率影响
润滑油对于变速箱的工作具有显著的影响如若润滑油选用不当不仅不能起到润滑冷却及清洁的作用反而可能对传动效率产生负面影响加速机件的磨损对减少燃油消耗起到反作用[13-15]。
通过分析变速箱中的轴齿轮以及传动齿轮的传动效率[6]可得到如下公式，结论显示润滑油的合理选用对效率的提升比提高齿轮精度的效用更明显。
式中：ηT1为理论条件下变速箱传动齿轮及轴齿轮的总传动效率；ηT2为实际工况中变速箱传动齿轮及轴齿轮的总传动效率。
混动专用变速器将传动变速、电机、液压控制等集成于一体，其对润滑油的需求相比于传统ATF、DCTF或CVTF也存在差异，但目前国内大多数主机厂大部分都延用了相应变速模式的传统变速器油品。而油品对效率的影响主要体现在油品黏度和加油（油液面高度）。其中加油量主要通过结构设计进行优化，而针对油品黏度，混动专用变速器传动变速结构简化后，对油品黏度的要求也可以相应调整，因此高兼容性低黏度的DHT专用油品开发也可进一步提升DHT的效率。
以市场常用的DEXRON VI ATF和新开发的高兼容性低黏度专用油DHTF为例，图4为两种油品的黏温曲线对比。
为更真实反馈油品黏度对实际使用工况效率的影响，以混动专用变速器各工作模式常用工况进行效率对比测试，测试工况涵盖低速加速、中高速加速、全油门加速、匀速行驶等工况，以及同一工况可能对应的工作模式均进行测试。如表2所示。
基于上述工况测试，表3所示为常温下DHTF油品相对于ATF油品的整机效率提升情况，综合工况平均效率提升0.42%，最高效率提升超1%。因此，高兼容性低黏度油品在平衡各项零部件性能需求的同时，可有效优化低温启动性能和效率。
2.3发动机驱动模式电机控制方法研究
电机系统作为混合动力专用变速器的重要组成部分，电机系统的效率优化也是提升整机效率的重要手段。而混动专用变速器具有多模式工作的特点，其中在发动机直驱工况，电机则可能工作在零扭矩状态，这种状态电机系统对整机效率的影响一般容易被忽视，本文对该状态进行了专门的研究。
为明确电机零扭补偿对整机系统效率的影响，本文对发动机直驱工况下，电机有零扭补偿和无零扭补偿两种状态的效率进行了对比测试，同时监控电机系统端直流和交流电功率。
图5所示为电机发动机直驱模式下电机控制器输入端的直流电功率测试数据，在取消零扭补偿状态的电功率要明显小于有零扭补偿状态的电功率，而零扭控制时电机系统效率低，大部分电功率均被损耗，从而使得系统效率劣化。直驱模式电机有无零扭补偿对系统效率影响测试结果如表4所示，发动机直驱系统效率在取消零扭补偿状态比有零扭补偿状态均有较为明显的提升。
基于试验结果可知通过控制优化可在电机零扭控制时取消扭矩补偿，降低系统损耗提升效率。
一般情况下，电机在零扭状态会采取扭矩补偿控制，电机系统零扭补偿原理为测试各工况点电机系统空载情况下的机械损耗，通过电机扭矩补偿实现电机输出轴端对外输出为零。而混动专用变速器多种工作模式对电机系统零扭补偿是否开启需求不同，可通过识别不同工作模式的零扭补偿使能控制，进一步优化混动专用变速器系统效率。
3结束语
本文通过理论分析与试验结果，对于混合动力专用变速器效率优化进行了研究，在现有理论研究的基础上补充了试验数据支撑。首先通过试验研究明确了混合动力专用变速器的传动损耗分布，在电机高速化趋势下应需尽量选择小排量机械泵或可主动控制的电动泵；基于混合动力专用变速器的结构特性，可开发专用的低黏度油品，在常用工况下综合平均效率可提升0.42%；基于混动专用变速器多驱动模式的特性，深入研究发动机直驱工况下电机零扭控制的差异，试验结果显示取消零扭补偿可有效提升混动专用变速器系统效率。以上均为混合动力专用变速器实际开发过程的效率优化设计提供参考和依据。
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