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国家新能源汽车技术创新中心段志辉:DCT 混合动力的比较优势、潜力和发展趋势

盖世汽车 09-21

核心提示:2019(第七届)汽车与环境创新论坛嘉宾演讲实录!

9 月 20-21 日,由中国人才研究会汽车人才专业委员会指导,国家特聘专家汽车组及盖世汽车主办的 "2019 第(七)届汽车与环境创新论坛 " 隆重举办,此次论坛以 " 一个主论坛 + 四个平行论坛 " 的形式,携百名行业权威嘉宾,共同探讨中国汽车产业在转型升级的新形势和新常态下,整车厂与零部件企业协同创新、升级做强、共同应对严峻市场和产业变革挑战之发展路径。以下为国家新能源汽车技术创新中心段志辉博士在现场的精彩演讲实录:

国家新能源汽车技术创新中心段志辉博士

段志辉:今天讨论一下 DCT 混合动力比较优势、潜力、发展趋势,为什么谈这个呢?因为我们有一个预计,到 2025 左右,国内混合动力大概是 1 千万辆车的水平,到 2030 年是 1800 万辆混合动力。这里所说的混合动力包括插电式和非插电式两种。

为什么谈 DCT 混合动力?因为 DCT 混合动力是最合适中国汽车工业的一种技术。

我们先看几个 DCT 的混合动力车。大众 XL1 是插电式,电动里程比较短,20-30 公里电动里程;如果不充电,油耗为 2.1 升 / 百公里,这是一个非常节油的车。可能这 10 年仍然没有一辆车能够达到这个水平。

本田飞度混合动力这辆车,大概 2012、2013 年上市,油耗当时全球最省油的车,比当时的第三代 Prius 还省油。配了 7DCT,里面有一个行星牌,增加了一个档位。这种 DCT 的设计比较短,这是一个特点。

现代 Ioniq 一上市就是最省油的车。DCT 混合动力是最省油的系统之一。Prius 第四代和 Ioniq 比较,长宽高很接近,重量也很接近,都是 1.3 吨多一点,轴距也一样,风阻特性也一样,非常优秀,发动机达到 40% 热效应,Ioniq 比第四代 Prius 还好一些,它的改进空间比第四代 Prius 改进空间更大一些。

DCT 可以做成非常好的混合动力。

说它特别适合中国,是因为在中国,DCT 技术逐渐占据优势。前不久有一个预测今年大概中国的 DCT 产量 560 万套;比较保守的是 5 年,中国的 DCT 会到 1000 万套。未来手动挡基本上会淘汰,全部实现自动,其中 DCT 会有一半左右。总体来说,中国 DCT 产业这两年发展很快,趋势爬坡很快。所以有 DCT 的背景,加上中国以前非常雄厚的 MT 产能,在 DCT 基础上做混合动力,对于控制成本,大规模推广非常有利。

混合动力的比较优势:

1. 齿轮传动效率高。

2. 液压功率需求小,能耗比较低。

3. 离合器数量少,带排阻力也会小。

DCT 是并联驱动,动力比较好,发动机和电机是并联合传动,扭矩可以叠加。齿轮传动,可传动大扭矩。齿轮箱技术十分成熟,手动开始一直是这类技术,制造成本容易做得比较低一些。

另外一个也是它的一个比较优势,它有一个很特殊的特性,别的变速箱都没有,是一个双通道的传动。特别是现在对于混合动力,有一个发动机,再有一个电机就是双动力的系统,双动力配双通道,再加上还可以考虑有一个双自由度的行星排,可能会演绎出比较好的东西,或者是比较神秘的东西。

DCT 作为混合动力比较容易:

一是采用固定轴的齿轮,电机通过齿轮啮合直接传递进来;二是电机连接方式很灵活,可以从变速箱的输入端接进来(P1、P2),也可以从变速箱的输出端接进来(P3),还可以从中间接入(2.5)。

DCT 混合动力的潜力。

一、改善城市道路油耗。一般来说车在城市里低速行驶的时候,车阻力是小的,但是在城市里面老是要踩刹车启动,会把能量损失掉。常规动力车在高速上跑得短一些,因为要踩刹车把油耗消耗掉。如果能踩刹车把油收回来,每加仑油跑得比较高。现在 DCT 混合动力车在城市道路油耗还有改进的空间。

二、进一步改善高速路的油耗。DCT 是分级变速,挡位变化率比较大,发动机会偏离最优工作点。增多挡位有利于降低油耗,据说 10DCT 比 6DCT 燃油经济性改善 15%,9AT 比 6AT 改善 15%,这是可以改善的地方。

三、可能开 DCT 的很多人知道起步的时候有一些抖动,这也是可以改善的地方。双离合器比较贵,是可以做文章的地方。

DCT 混合动力的发展趋势

1、怎么样让 DCT 混合动力便宜一些。典型的 P2+DCT 混合动力,电机前面要加一个离合器,现在简单的办法前面加一个离合器,后面两个大离合器保留。也可以改变一下,把后面两个大离合器变成小离合器,前面用一大离合器(起步离合器)。一个小离合器加两个大离合器,变成一个大离合器加两个小离合器,可以降低成本。不光离合器大点小点,还有后面控制系统的支撑。

2、简化离合器,这个系统把电机如果放在离合器后面就省掉一个离合器,降低了成本;这个系统实际上构造和刚才构造基本上是一样的,只是说它的位置往后边移了一点,相当于后边合的离合器用的同步器。

这个系统只有一个离合器,另外一个离合器实际上已经退化成了同步器。从这个角度上来说成本肯定可以降低。能过做到这一点,是因为利用了双动力配双通道的传动系统。

开始两个发动机的变速传动,都是走奇数挡通道。换挡的时候,电机先换挡,同时发动机驱动;然后电机驱动、发动机换挡。整个换挡过程当中总是有动力驱动,换挡过程平稳;而离合器换挡总有动力切换的瞬间,容易产生波动。

比较深入的集成引入双自由度的东西,行星排,能做什么东西。

电机加上行星排配上辅助的离合器,起到液力变速器的作用,可以把起步离合器给替换掉,起步可以很均匀,也不用磨掉那些能量,降低能耗。此外,行星排对电机扭矩有放大作用,电机扭矩可以减少 40% 左右,重量和成本都可以降低。

再一点,电机可以在零转速附近叫长时间工作,这样,通过行星排,相当于变速箱增加了一个挡位。

该系统在起步的时候,可以连续变速,发动机可以保持在最有工况,降低油耗。这能够改善城市交通的油耗。

总之,混合动力花了 5000 块钱左右配了电机,再配行星排和离合器,就可以获得上述的优势。行星排和离合器大致可以装到电机转子内部,这样空间布置也很有利。这方面专利很多。花很多钱有了电机,再配一个几百块钱的零部件,就相当于有了电力离合器,非常好的系统。

另外一个特点,看一下行星排,一个是速度关系,一个是扭矩关系,它们之间有一定的物理约束。从速度上面来说,可以考虑什么呢?比如说电机在 S 上,太阳轮上面,实际在一定的条件下可以跳动在行星下和齿圈上的转速。如果调这两个动力扭矩,按照一定规律调,可以调整第三个轴的扭矩。这就是下面要碰到的情况。

这是一个丰田的专利,这个专利号称是双离合器变速箱,但是上面没有一个离合器,起步靠的电力变速器的特性。换挡的时候可以用一个电机控制两个轴的调速。

它是这么连接的,电机在太阳轮上,发动机和偶数轴在行星架上,奇数轴连接在齿圈上。现在挂的是奇数挡,圆的意味着挂的挡,看它怎么完成换挡?先松开离合器,电机通过调速,调偶数轴同步,然后挂新挡位(偶数挡);调整发动机和电机扭矩,使奇数轴上的扭矩等于零(这是可以做到的),然后摘掉奇数挡;然后,离合器锁定,这样,系统从奇数挡换到偶数挡。

偶数挡换奇数挡过程是这样:开始挂偶数挡,扭矩调平衡,松离合器;电机驱动调奇数轴同步,然后挂新挡位(奇数挡);调发动机和电机扭矩,使偶数轴上的扭矩等于零,然后摘掉偶数挡;锁上离合器,系统由偶数挡位变换到奇数挡。

行星排加双离合器可以增加很多挡位,这个系统有六对齿轮,可以实现 12 个挡位。这个系统有 10 个挡位;这个系统有 9 个挡位;还看到 13、14、15、16、18 个挡位的。这些系统都是增加一个行星排,挡位数增加到 10 多个。

现在我们设计的一款混合动力系统,共有 5 对齿轮,可以实现 10 个挡位。简单来说这就是齿轮对数,这个轴上是发动机的数比,纵坐标是它的数比。5 对齿轮有 10 个挡位。油耗改善 15%;因为把双离合器给替掉了,这个地方成本可以降低 2000 元左右;电机也会便宜一些。轴的长度 390mm,横向也和 7DCT 差不多,其他就不多说了,谢谢各位。

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