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国产混合动力AMT:十年磨一剑 打破国际垄断
来源:科技日报  作者:  2017-08-25 09:10:00

  并联混动三维剖视图

  高效汽车自动变速箱核心技术长期受制于人的短板,成为中国车企的一大痛点。尤其是在混合动力汽车上,基于AMT(自动机械变速箱)等自动变速箱的混合动力机电耦合系统,更是被国外公司垄断,严重影响我国新能源汽车战略目标的实现。

  清华大学项目团队历时10年,针对混合动力系统构型创新、高效控制等难题开展攻关,成功研制出基于AMT的同轴并联机电耦合系统,打破了国际垄断。该项目在2016年北京市科学技术奖评选中,荣获一等奖。

  “老司机”面临新挑战

  肖献奇是湖南长沙宝骏公交三公司913路的一位客车老司机,他的行驶路线途经多个大专院校和市中心商业区,一直以来都是人多易堵的线路,但肖师傅却几乎每个月都能获得公司的节油奖励。

  原来肖师傅开的是搭载了苏州绿控AMT变速箱的并联式混合动力客车,与以前的燃油车相比,现在的车不仅油耗低,而且操控性极好。

  苏州绿控正是由清华大学项目团队的李磊等多位清华大学汽车系博硕士毕业生创立的汽车混合动力系统技术创新企业,并在清华大学苏州汽车研究院得以孵化成功。在清华大学汽车安全与节能国家重点实验室李亮、宋健的带领下,团队长期坚持产业研用的合作,研制出的商用车AMT同轴并联式混合动力系统,在国内具有绝对领先地位。

  变速箱是汽车中一个至关重要的部件,其性能的优劣一定程度上决定了一辆汽车的动力性和燃油经济性,直接影响车辆的价值。然而变速箱一直是国内汽车产业的薄弱环节,更不用说混合动力汽车上的AMT了。

  “我们国家很早就启动了相关研究,但要将发动机和电机两个驱动系统耦合在一起,涉及到动力性耦合、能量耦合,技术挑战度很大,一直是我国混合动力汽车发展的瓶颈性难题。”李亮说。

  经常开车的司机都知道,AMT就相当于一位“经验老到的司机”,会主动选择最佳换挡时机,精准换挡,因此可提升汽车行驶的安全性,降低油耗,减少司机的疲劳性,进一步提高商用车的运营效率。但对于混合动力汽车,这位“老司机”面临新挑战。

  “混合动力机电耦合系统直接决定混合动力汽车动力性与燃油经济性,基于多档位自动变速箱的并联机电耦合系统是国际公认的两大主流构型之一,其系统构型方法与控制技术是国外各大汽车企业核心机密。”同时,“相对于类似普锐斯的混联混合动力系统而言,并联混合动力系统运行效率与复杂工况难以适应的难题在国际上仍未得到根本解决。”李亮说。因此项目团队需要对机电耦合系统构型进行创新设计,同时开发更多高效的工作模式以及系统一体化控制技术以应对复杂运行工况,技术挑战度大。

  项目组经过十年的不懈努力,认识到突破上述技术难题需在系统构型与控制方法上进行创新,先后围绕机电耦合系统总体设计层、执行应用层、控制协调层等三个层次四个核心任务展开攻关,创建了混合动力机电耦合系统技术研发体系,研制出我国首款自主混合动力机电耦合系统产品,实现了大规模应用,创造了良好的经济和社会效益。

  节油率提升到45%

  据了解,国际上美国伊顿等少数公司垄断了商用车同轴并联机电耦合系统技术。我国早期推广应用的汽车混合动力系统因缺少可自动控制的变速箱,不具备减速增扭与发动机工作区调节功能,整车动力性和燃油经济性难以兼顾。

  针对该问题,项目组发明了以多档位AMT为核心部件的自主同轴并联机电耦合系统构型新方案,开发出能充分发挥该构型特长的七种典型高效工作模式,提出了机电耦合系统构型参数与控制参数大规模(40个)并行优选的混合遗传算法,成功研制出客车、货车用系列化机电耦合系统产品。

  “根据交通工况、整车动力性、燃油经济性与安全性约束,该构型多工作模式可自适应动态切换,实现分区能量优化管理,克服了传统并联系统效率低的缺点,节油率提升到45%。”李亮说,“这个数据达到了国际最优水平。”

  让汽车领会司机意图

  AMT结构简单、传动效率高,但其平顺快捷控制是国际同行公认的技术难题。尤其是机械变速箱相对自动变速箱制造精度要求低,使用过程中产品位置偏差与磨损程度一致性较差,进一步加剧了AMT离合与换挡过程的动态冲击。

  对此,项目组提出了离合器与换挡位置偏差自学习算法,实时修正AMT机械部件磨损、传感器误差等带来的位置偏差;进而提出了离合器分离力动力学模型估计与二阶神经网络观测器相结合的方法,估算离合过程负载,实现了离合位置精确调控。

  “说通俗些,我们就是用人工智能的方法,通过对驾驶意图量化得到驾驶人加速换挡目标,实现能够模拟有经验驾驶员离合换挡操作动作的拟人式AMT换挡控制,从而达到了AMT换挡燃油经济性与驾驶性综合最优。”李亮说。

  混合动力客车“坡起”不再愁

  开过混合动力或者纯电动车的人都知道,当你松油门时,会有能量再生制动。但当汽车运行在雨雪等低附着道路时,如果不对机械制动与再生制动进行合理调控,极易导致车轮制动抱死,发生危险事故。

  对此,项目组发明了基于再生制动车轮滑移率双向补偿调控技术,建立再生制动过程整车制动强度与轮胎附着的动力学模型,进而实时调节前后轮制动力、驱动轮再生制动力与气压制动力比例,在保障制动稳定性与制动能量回收效能的前提下,该方法整车制动距离较常规门限值方法缩短10%。

  针对AMT换挡固有的动力中断特性极易引起汽车坡道起步溜车的难题,项目组发明了基于气压制动系统主动压力调节的坡道起步辅助技术。基于坡起辅助技术,搭载的混合动力客车坡道起步能力较美国伊顿系统提升了2倍,可全面适应我国西南山区道路条件。

  “相对国外公司AMT并联混合动力系统的最大起步坡度10%,绿控的产品则达到30%。”因此,在我国重庆等山区城市,道路上运行的新能源公交车绝大部分采用的都是绿控的产品。

  昔日只可仰望的对手,今日已是追赶者

  科技成果只有走向市场,才有意义。鉴于我国缺乏专业从事混合动力机电耦合系统生产企业,项目团队创立了苏州绿控传动科技有限公司开展创新成果转化孵化。

  据了解,公司先后研制出AMT及混合动力系统试验平台,建立了我国第一条机电耦合系统生产装配检测线;制定相关企业标准11项,生产工艺12项;制造出覆盖6—12米混合动力/插电式混合动力/纯电动客车用4个系列机电耦合系统产品,打破了国外公司独家垄断。

  如今,苏州绿控传动科技有限公司成为了继美国公司之后,全球第二家具有基于AMT的机电耦合系统研发与制造能力的高新技术企业。

  由于绿控的AMT更加适用于国内市场,实现了在性能上超越伊顿。如今,绿控的产品在国内市场年销量已经超过了伊顿,为宇通客车、北汽福田、厦门金龙等国内20余家客车企业供货,并在国内超过300个城市的18000辆新能源车上示范运营,占我国并联混合动力客车市场的70%。

  昔日只可仰望的对手,今日已是追赶者。

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责任编辑:秦倩清(实习)

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