DCT混合动力汽车构型分析_王琪 - 采用DCT的优点

DCT混合动力汽车构型分析＊

王

琪

赵治国

陈海军

刁威振

（同济大学新能源汽车工程中心）

【摘要】介绍了在混合动力汽车中应用DCT技术的优势,

提出了装备DCT的几种混合动力系统构型，从结构、

功能等方面对各构型的优缺点进行了分析，并从工程化实现、研发成本和研发周期角度对每种构型的可行性进行定性分析。重点阐述了2种具备高可行性和研究价值的构型：BSG+主电机DCT后布置方案在短期内具有较好可行性；

BSG+DCT奇数轴电机双电机结构是DCT混合动力汽车的主要发展趋势。

主题词：混合动力汽车中图分类号：U463.212

双离合器自动变速器文献标识码：A

构型

文章编号：1000－3703（2013）05－0029－04

ConfigurationAnalysisofHybridElectricVehicleEquippedwithDual

ClutchTransmission

WangQi,ZhaoZhiguo,ChenHaijun,DiaoWeizhen

（CleanEnergyAutomotiveEngineeringCenter,TongjiUniversity）

【Abstract】Inthispaper,theadvantageoftheDCTtechnologyappliedinhybridelectricvehicle（HEV）is

introduced,andsomeconfigurationsofHEVequippedwithDCTarepresentedwithathoroughanalysisofitsadvantagesanddisadvantages,thenqualitativeanalysisismadetofeasibilityofeachconfigurationintermsofengineeringrealization,researchanddevelopmentcostandleadcycle.Thepaperlaysfocusonexpoundingtwoconfigurationswithhighfeasibilityandresearchvalue:BSG+mainmotorrearDCTplanhasgoodfeasibilityinshortterm;BSG+DCToddshiftdualmotorconfigurationisthemainstreamdevelopmenttrendofHEVequippedwithDCT.

Keywords：Hybridelectricvehicle,Dualclutchtransmission,Configuration

等方面分析了各自的优缺点，并从工程化实现、研发成本和周期等角度对每种构型的可行性进行了定性分析。

1前言

变速装置是并联式或混联式混合动力系统的关

键部件，也可作为多个动力源的动力耦合装置。通过设计合理的换挡策略，可改善发动机和电机工作点，延长动力电池使用寿命，进而提升整车燃油经济性和动力性[1]。

双离合器变速器（DualClutchTransmissions，

2HEV运用DCT技术优势

DCT与传统变速器相比具有较明显的性能优势，如表1所列。

表1性能舒适性动力性/驾驶乐趣燃油经济性成本/价格传动效率

DCT）是汽车自动变速器领域的一种新型自动变速

器。DCT既继承了手动变速器（MT）与机械式自动变速器（AMT）传动效率高、结构紧凑、质量轻等优点，又融合了AT换挡无动力中断的特性[2]。从结构和性能上，DCT较适合混合动力汽车（HEV）的使用[3]，已成为混合动力汽车变速技术的发展方向。

基于国内外现有文献及研究成果，分析了在混合动力汽车中运用DCT变速技术的优势，提出了装备DCT的混合动力系统的几种构型，从结构、功能

DCT与其它变速器性能比较MTAMTDCTCVT--++++++++

-++++++

++++++0++

+++0-+

AT++000-

注：--、-、0、+、++表示性能从劣到优依次提高。

基于DCT的性能特点，其同样适合应用于混合动力汽车，并且具有以下优势：

觹基金项目：国家自然科学基金资助项目（51275355）；国家重点基础研究发展计划（973计划）（2011CB711200）。

2013年第5期

—29—

a.降低动力总成的复杂度和传动系的成本是

转矩耦合器与DCT的输出轴转矩进行动力耦合，如图2所示。

动力蓄电池组

离合器

主电机

混合动力轿车产业化的难点之一，而DCT因取消了液力变矩器，同时双离合器的紧凑结构使变速器体积远小于其它类型变速器，质量也更轻，因而使得装配DCT的混合动力汽车的质量远小于其它车辆；

主减速器

ISG

发动机

DCT

耦合器

差速器

b.取消发动机怠速是混合动力汽车的主要节

离合器

能途径之一，而DCT因在停车时可将发动机与变速器完全分离，从而可彻底取消发动机怠速，进一步提高整车的燃油经济性；

图2

ISG+主电机DCT后布置方案

c.借助于DCT的结构特点，无需借助变速器

3.1.3性能分析与对比

上述2种主电机DCT后布置构型的优缺点如

后置电机便可实现换挡无动力中断，可改善电机工作效率，也使得驱动电机在整车上的布置更灵活，对于探索混合动力汽车的新构型具有重要意义；

表2所列。

表2

构型

2种主电机DCT后置方案优缺点BSG+主电机DCT后ISG+主电机DCT后

布置结构

布置结构

d.在混合动力汽车构型设计和参数匹配时，

有时需要牺牲换挡动力性以换取整车燃油经济性，而DCT具有动力性换挡的优势，弥补了此项缺陷。

可实现发动机的快速起\停控制，从而取消发动机的怠速

BSG或ISG电机和主电机的协调控制可实现电量

平衡、优化发动机工作点

主电机DCT后置可最大限度地提高制动时能量回

优点收的效率

主电机DCT后置使纯电动模式时传动效率高、控制简单

由于主电机DCT后布置，对换挡的影响较小

———

3DCT混合动力汽车构型分析

鉴于DCT应用于混合动力汽车的独特优势，目

前，各大汽车厂商和科研机构先后提出了DCT用于强混合动力汽车的多种技术方案。为此，基于国内外的文献和研究成果，提出了装备DCT的混合动力系统的几种构型，并假设：所提出的DCT技术可应用于强混合动力汽车；对各混合动力构型而言，由不同动力耦合方式引起的结构差异，本质上仍为同一类方案，故在所提出的所有构型方案中，不再详细区分转矩耦合或速度耦合，统称为耦合器，将其视为同一类构型。基于以上假设，按照主电机与DCT位置关系，

ISG电机可代替发动

机飞轮，节省空间

无法通过变速器来调整电机工作点，优化效果差

BSG皮带有滑动及迟滞效

缺点

应，皮带会发热、磨损损坏等

———

———

需要对发动机进行改

造，成本增加，制造难度增加

DCT混合动力汽车可分为以下3类共6种构型方案。3.1主电机DCT后布置方案

BSG+主电机DCT后布置方案

该方案中，BSG电机通过皮带与发动机相连，主驱动电机放置在DCT之后，通过转矩耦合器与DCT的输出轴转矩进行动力耦合，如图1所示。3.1.1

动力蓄电池组

离合器

主减速器

在上述2种构型中，BSG、ISG电机在功能上的作用基本相同，即可实现快速起/停发动机以取消发动机怠速、发电、优化发动机工作点及平衡电池

SOC等。此外，ISG电机还具有助力功能。2种构型

的主电机功能完全相同。

与BSG电机相比，ISG电机的优势是：在结构和功能上可代替飞轮，平衡发动机曲轴的波动，起到减振器的作用。但目前ISG技术仍不够成熟，且需要对发动机进行较大的改动，工程化难度较大。BSG电机皮带驱动技术成本较低，对发动机改动较小，整车布置方便，实现容易，市场化程度较高，有利于产业化。因此，众多混合动力厂商多采取BSG结构，如丰田混合动力版Vitz和PSA混合动力版CS，奇瑞“BSG”混合动力汽车等。目前，从降低工程化难度及缩短研发周期的角度考虑，BSG+主电机DCT后布置方案更优。

汽

车

技

术

BSG主电机

DCT

发动机

耦合器

差速器

图1BSG+主电机DCT后布置方案

3.1.2

ISG+主电机DCT后布置方案

该方案采用ISG电机，将ISG电机直接与发动机输出轴相连，主驱动电机放置在DCT之后，通过

—30—

3.23.2.1

主电机DCT前布置方案单电机DCT前布置方案中，单电机主要起到快速起/停发动机、低速纯电动、大功率输出时助力、充电以平衡电池SOC以及制动回收能量的作用；而

BSG+主电机DCT前布置方案

该方案中，BSG电机通过皮带与发动机相连，

主驱动电机放置在DCT前，通过转矩耦合器与DCT输入轴转矩进行动力耦合，如图3所示。

动力蓄电池组离合器

BSG+主电机DCT前布置方案虽然采用了双电机结

构，但从功能上也只是利用BSG电机将单电机DCT前布置方案中主驱动电机的功能进行分离，利用

BSG主电机

BSG电机实现了快速起/停发动机和充电平衡电池

DCT

主减速器

差速器

发动机

耦合器

SOC的作用，在优化发动机和电机工作点方面起到

的效果基本相同。

因单电机从结构和功能上将2个电机集成，减少了整车布置的难度，降低了成本，工程化难度小，因此，在主电机DCT前布置结构中，单电机DCT前布置方案更优。目前，卡宴混合动力汽车和“一汽”第1代混合动力汽车均采取单电机变速器前布置方案。

图3BSG+主电机DCT前布置方案

3.2.2单电机DCT前布置方案

该方案采用DCT单轴单电机结构，将主驱动电

机通过转矩合成器与DCT主动部分相连，主驱动电机与发动机之间通过离合器相连，如图4所示。

动力蓄电池组

离合器

主电机

3.3

DCT

主减速器

差速器

耦合器

主电机DCT内部改造方案

除上述将主电机DCT前、后布置方案外，还可

发动机

将主电机转子集成至DCT输入轴或通过齿轮机构与DCT输入轴连接进行动力耦合，该方案原理如图

图4单电机DCT前布置方案

5所示。

动力蓄电池组

3.2.3

所列。

构型

性能分析与对比

上述2种主电机DCT前布置的优缺点如表3

2种主电机DCT前置方案优缺点

单电机DCT前BSG+主电机DCT前

布置结构

布置结构

图5

可通过变速器优化电机工作点，优化效果好表3

BSG

改造DCT

发动机

主减速器

差速器

电机放置在离合器主动部分前，对变速器输入轴没

有影响，不影响换挡效果

BSG电机可实现发动主电机通过快速结合离机的快速起/停控制合器实现发动机快速起/停BSG电机和主电机协通过主电机调节电量平

衡优点调控制实现电量平衡

发动机与主电机动力接合离合器，发动机与主耦合，使发动机工作在高电机动力耦合，工作在高效效区间区间

分离离合器，实现纯电动

———

功能或制动时回收能量

———

只采用1个电机，成本低

制动回收的能量必须经过变速器，降低了制动回收

效率

纯电动的能量必须经过变速器，降低了传动效率

———

缺点

———

纯电动时需控制离合器，

提高了控制难度

发动机快速起/停时需接合离合器，延长了发动机起动时间

———

BSG+主电机DCT内部改造原理

3.3.1BSG+DCT奇数轴电机双电机结构

该方案采用BSG+DCT单轴双电机结构，BSG

电机通过皮带与发动机相连，主驱动电机转子与奇数轴离合器从动部分进行固定连接，电机定子内嵌到DCT变速器内部，偶数轴直接与发动机进行动力传递。DCT内部结构连接如图6所示。

奇数轴

离合器

1挡

3挡

5挡

电机

M1

发动机

主减速器差速器

偶数轴离合器

2挡

4挡

6挡

BSG皮带有滑动及迟

滞效应，皮带会发热、磨损损坏等

图6DCT内部奇数轴电机结构示意

3.3.2

BSG+DCT奇偶数轴电机三电机方案

该方案采用BSG+DCT双轴双电机结构，BSG

—31—

2013年第5期

电机通过皮带与发动机相连，将2个主驱动电机转子分别集成在DCT奇数轴输入轴与偶数轴输入轴上，电机定子内嵌到DCT变速器内部。DCT内部结构连接如图7所示。

奇数轴

离合器

别与电机相连，电机可配合发动机工作或单独工作。上述2种结构对变速器改动均较大，增加了工程化难度，延长了研发周期，但集成化是混合动力总成发展的主要趋势。

1挡

3挡

5挡

2种结构方案相比，BSG+DCT奇数轴电机双电

机结构方案虽然无法实现对发动机工作点的全挡位优化，但由于其减少了1套电机机构，因此集成难度较低，另外此方案也是博格华纳初期推荐DCT与混

主减速器

差速器

电机

M1

发动机

电机

合动力汽车结合的构型。故在主电机DCT内部改造方案中，BSG+DCT奇数轴电机方案更优。

M2

偶数轴离合器

2挡

3.4

4挡

6挡

混合动力汽车应用DCT构型方案分析将上述较优的3种构型从功能、电机参数、工程

图7DCT内部奇数和偶数轴电机结构示意

改动等方面进行分析比较，结果如表5所列。

DCT混合动力汽车3种构型分析比较

BSG+主电机BSG+DCT奇

单电机DCT

构型数轴电机结DCT后布置

结构

发动机快速起/停

前布置结构

构

表5

3.3.3性能分析与对比

上述2种主电机DCT内部改造方案的优缺点

如表4所列。

表4构型

2种主电机DCT内部改造方案优缺点BSG+DCT奇数轴BSG+DCT奇偶数轴

电机双电机结构

电机三电机结构

菁，好菁，好菁，好菁，传动效

率低需控制换

挡，控制较复杂

低较好介于前两方案之间

BSG电机可实现发动机的快速起/停控制，平衡电池SOC

由于电机可反转，可取消倒挡轴与对应的倒挡齿轮

优点

组

电机内嵌到DCT变速器内部，节约了空间，使整车布置更加紧凑

电机放置在离合器主动部分前，对变速器输入轴没有影响，不影响换挡效果

制动回收的能量必须经过变速器，降低了制动回收效率

纯电动的能量必须经过变速器，降低了传动效率需要对DCT变速器内部进行大的改造，难度和成本较高

纯电动时需控制换挡，增加了控制难度

缺点

纯电动及传动菁，传动效率菁，传动效

效率高率低功

能

分制动回收效率析

发动机工作点

优化

电机工作点

优化对换挡影响电机参数工程化改动纯电动控制

难度

控制简单

高好不好

需控制换挡和离合器，控制复杂

低好好

菁，较小菖菁，大

低速大扭矩高速小扭矩高速小扭矩

小

较大

大

注：菁表示该构型存在对应的功能或影响；菖表示该构型不存在对应的功能或影响。

BSG皮带有滑动及迟滞效应，皮带会发热、磨损损

坏等

单电机无法全挡位与发动机动力耦合，降低了发动机工作点优化效果电机放置在离合器后部会影响换挡效果和可靠性电机只与1个离合器连接，增加了DCT控制难度

———

从表5可知，BSG与主驱动电机前、后置结构的工程化改动最小，短期内具有较高的可行性；而从长远来看，集成化是混合动力总成发展的主要趋势，

——————

BSG+DC奇数轴电机双电机结构作为高度集成化的

混合动力DCT方案，其奇数轴电机既可单独，也可

配合发动机介入双离合变速器的换挡过程，进一步实现双离合变速器的协调控制，这应是DCT混合动力汽车的主要发展趋势。

BSG+DCT奇数轴电机的双电机结构方案中，将主驱动电机与DCT双离合器中奇数轴离合器从动

盘相连，利用了DCT具有2个离合器的结构特点，将其分别与混合动力汽车的2个动力源相连，同时将电机集成到DCT内部；而BSG+DCT奇偶数轴三电机方案中，双离合器从动盘后部的奇偶数套轴分—32—

4结束语

探讨了HEV应用DCT的可行性与优势，提出

了装备DCT的几种混合动力系统构型，对各构型的优缺点进行了分析，结果如下：

汽

车

技

术

DSG变速器空载功率损失预测模型＊

杨立昆

李和言

马

彪

（北京理工大学车辆传动国家重点实验室）

【摘要】以某DSG变速器为研究对象，分析了其功率损失的组成，通过建立各元件的功率损失模型获得了该变速器的总功率损失，并进行了试验验证。建立了多离合器、多摩擦副及主被动部分均有转速的湿式离合器带排损失模型，同时对齿轮的搅油损失计算模型进行了计算分析及修正。研究表明，预测模型与试验数据具有较好的一致性，并发现因润滑油粘性引起的损失是DSG变速器的主要损失，从而提出了减小空载损失的途径。

主题词：ＤＳＧ变速器中图分类号：U463.212

空载状态功率损失预测模型

文献标识码：A文章编号：1000－3703（2013）05－0033－05

PredictionModelofNo-loadPowerLossforaDSGTransmission

YangLikun,LiHeyan,MaBiao

（StateKeyLaboratoryofVehicleTransmission,BeijingInstituteofTechnology）

【Abstract】Inthispaper,theconstitutionofpowerlossofaDSGtransmissionwasanalyzed,andthetotallossvalue

wasobtainedbyestablishingthepowerlossmodelofeachkeycomponent.Besides,themodelwasvalidatedbytestdata.Thedraglossmodelofmultiplewetclutchesandmultiplefrictionpairswasestablished.Inaddition,theoilchurninglosscalculationmodelofpinionswasalsoanalyzedandthemodelwasmodified.Itwasconcludedthattherewasremarkableconsistencybetweenthecalculatedvalueandtestdata.Andthelossesthatoriginatedfromviscosityoflubricantwerethemainsourcesofthetotalno-loadpowerlossintheDSGtransmission.Anapproachtodecreasethepowerlosswasproposedbasedonviscosityoflubricant.

Keywords：DSGtransmission,No-loadcondition,Powerloss,Predicationmodel

直接影响传动装置的效率、燃油经济性和工作可靠性，所以有必要进行传动装置功率损失的预测和控制。同时，传动装置功率损失的组成很复杂，

1前言

功率损失是评价传动装置性能的重要指标，它

觹基金项目：国家自然科学基金资助项目（51005021）。

a.DCT具有体积小、质量轻、传动效率高及动

2356

律.长春:吉林大学，2009（S1）:10~13.

葛安林.自动变速器综述.汽车技术，2001（5）：1~3.宋金虎.DCT混合动力轿车构型分析与换挡规律研究：[硕士论文].长春：吉林大学，2011.

刘明辉.混合动力客车整车控制策略及总成参数匹配研究:[博士论文].长春：吉林大学，2005.

力换挡等优势，同时其双离合器的结构特点使之在混合动力汽车上的应用具有明显优势。

b.DCT应用于强混合动力汽车，其构型方案

主要为主电机DCT后布置方案、主电机DCT前布置方案和主电机DCT内部改造方案。此3类结构各具优缺点，在实际应用时应根据需求综合考虑。

WalterOrtmann.DanielColvinIncorporatinganElectricMachineintotheTransmissionControlofFord'sModularHybridTransmissionSAE2004-01-0069.

c.短期内，BSG+主电机DCT后布置方案结构

7

工程化改动最小，具有较好可行性；但从长远来看，

AjinkaySJoshi，NiravPShah，DrChrisMi.ModelingandSimulationofaDualClutchHybridVehiclePowertrain，IEEE2009:1666-1673.

（责任编辑

修改稿收到日期为2013年4月26日。

文

楫）

BSG+DCT奇数轴电机双电机结构应是DCT混合动

力汽车的主要发展趋势。

参

考

文

献

1王伟华，王庆年，曾小华.并联混合动力汽车的换挡规

2013年第5期

—33—

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/bof4.html