动力总成的系统建模理论及应用

——“2015汽车与环境创新论坛”湖南大学教授张农演讲实录

非常感谢这次论坛，跟这么多企业界朋友交流，学到很多东西。我们在准备这个PPT的时候，我也不知道人家讲什么，我们只是给一个题目，从徐总报告和段总报告，我们三个串起来还真的成了非常好的序列报告。因为徐总讲的是电机关键技术，段总讲混合动力各种可能的驱动模式，我下来讲这些驱动模式切换的时候，需要哪些理论。真的是成了很好的序列。我一共三个部分，第一研发混合动力有什么样的挑战性的动力问题？第二，理论基础是什么？然后是双电与单电的快速比较。很简单的分析。第四个是换档过程中，产品质量问题，维护成本会高。

我一直在大学工作，我一有时间有去企业界工作，主要是跟各个汽车厂合作，一些经验和大家分享！

什么是动力总成？看一下这个车，用这个图片，发动机、变速箱到后面驱动，其实完全是机械系统化，现在没有把电机机电系统，把发动机里的动能，转成机械能。放到论坛上，这个摩擦力把车推着往前走。你要看到换档过程中，产生什么的振等问题。所以什么样的特征性问题呢？第一，能量管理、建模分析，如果是满足这样的分析的话，这个模型就够。但是如果要想考虑用离合器还是不用离合器？用什么样的离合器？怎么控制离合器？这个时候，可能粗糙的定性看换档性能，可能也够。你要频繁切换模式，对动力学系统来讲，是一个变化。刚刚看到那辆车，完全可以搬到实验室来。

我保留了很多动力学参数，我要看的是，我在驱动过程中换挡的时候，这里都可以用。当时做这个研究，澳大利亚有一个公司，这个公司叫BTR，这个公司被吉利买收了，他们做了一个四档变速箱，这个变速箱用了很多年，现在还有。现在说要把这个变速箱改成五档六档。这个开发周期按照原来开发周期是非常长的，后来我们合作，就是仿真开发出来，使得更方便的开发五档六档。其实这个变速箱的动力总成包括什么呢？包括发动机、液压控制等。这个加速过程，整个过程全是一体的，其实真正从动力学角度讲，真要看一下加速性能，完全可以用动力学连接起来。

这个是一档二档换档的时候的平均线，档自动可以换，一档到两档。这个压力分布再放到模型来看，输入输出扭矩变化。四组不同的压力曲线，但是真正看到换档的输出是不一样。红线肯定不行，蓝线中段感觉太大。最好的是第四个和第一个，是效果最好的。有了仿真软件，一天就可以定好，同样的事情可以做到二到三档，二到三档可能更复杂，因为有一个切换。

在这个过程中，还是有一些震动的，设计比较粗糙。我当时做这个工作是98年、99年做的。结果这个工作做完正好国际上买了个会议，奔驰公司知道我这个工作，就邀请我去做了一个动力总成仿真分析。我2002年、2003年在奔驰当时乘用车动力总成部工作一年多，作为邀请的专家过去。这是一个调速器，靠这个轴，调这个轴的方向来调输入输出比例。当时去的时候，还有一个简单模型给我，所以我去了以后，这完全是我自己做的工作，就从给我的变速器，加上现有的。这个是他们的发动机，这个是我刚给你的。这是他们传统的齿轮箱，应该是两级半的行星齿轮。把这样一个物理系统，完全用一个数学模型翻出来。这是我当时做的分析，就不多讲了，几乎可以保证发动机长功率，很高的扭矩。

这里用的是多刚体动学建模模型，这部分怎么做也做不好，总有一个大的抖动。而且这个动力建模好坏相差很大，他们当时自己的模型开始了0.5秒不动，一直在打滑。所以我把它给我的模型完全改了，这就再也没有打滑的现象了。实际上就是说在控制车的速度，整车控制器是关键。有了这样的分析，可以把每个都可以用仿真模型预测。

这个是我最近在国内做的工作，我一回来就申请了这方面的几个专例，里面很容易的。这个专例刚刚批下来，发明专例刚刚下来。这个是很简单的。现在客车上，公交车上一个电机要120万，我要60、60，或者50、70。要想输入的时候，还可以加一个avp，你需要扭矩我给你扭矩。这样的模式非常多，可能性非常大。如果你用单的直驱的话，或者单的四档，看看效果。

这个是我给的参数，大小能量有两个马达性能，40千瓦，有80千瓦的大电机。我用了4个档位，4个不同速度，来看一下比较。是很粗糙的一个比较。第一的情况，用了2个电机4档，B是单电机4档，C是电机一档直驱。加速时间明显C加速时间还可以，爬坡能力相差很大，再看能耗经济性，A远远好于BC。用了一个比较简单的双电机输入，总成的复杂程度也不复杂。但是控制系统要求是比较高的，这个是很粗糙，为什么用的双电梯四档效率会高。其实很简单，徐总肯定比我解释的更好。往往不能保证高效工作，你用了4档稍微改好了一点，你用了直驱很差。但是你用了两个电机四档的，可以保证两个电机都在高效工作，而且对于电机本身性能要求也会降低。

下面我要讲一下多流体（音译）系统，这个大家都很熟悉，大众用的6档的双离合器变速箱。我很早就做这个工作，也是我的运气。当时跟我合作的一个澳大利亚公司，他是直接参与第一台双离合器变速箱开发的。我跟他在澳大利亚申请了国家的相当于863项目，你们查一下我的英文名字可以查到好多这方面的名字。双离合器技术难点，一步控制好，二离合器切换控制好。

具体来看，同步器的同步过程，也都是一些缸体运动的过程。我就抛砖引玉，要有时间就好好做起来。这个同步过程，就是说你把这个不出来的时候摩擦。让这个空转的轮子速度同步，同步好以后把这个再住，做不好就容易打坏。前面几位老总，都讲的大的，我讲的是非常细致的建模分析问题。

离合器，双电机切换，比如说现在是一档二档要换，离合器一在上面，离合器二同步，就把速度同步。切换过程要把离合器放开。这个过程中，还保证相对的运动，摩擦从输入端输入的过程。这个过程控制要求非常高，控制不高频率就差。做过这方面工作的人肯定就清楚，这些是具体的动力方程。要考虑到轴的扭转缸度，扭矩都要考虑到。关键还有一点，离合器模型要建好，有控制阀的模型要建好。控制阀由于我那个澳大利亚朋友发明的专利。

理论上讲，切换过程一个离合器放开，一个离合器合上，真正做出来的效果是这样的。一个离合器并不是一下放开的，是慢慢放开的。这个时候保证滑移，另一边合上的时候，也可以合上。整个过程是滑移过程。等到两个速度差不多了，就把这个合上。说起来很简单，但是做还是很难。如果没有这样的系统，做控制还是做不好的。我们的灵魂企业可能没有把这部分吃透。产生的扭振几乎是很大的，用了机输入以后好控制了，发动机相对难一点。

再讲多一点就是，如果考虑到动力轴承和车架耦合，就要做到更详尽。大家知道长城的A78（音译），上市之后又撤回。其实都是国外买的很好的变速箱等产品。但是装到车上的时候，就发现超过每小时100公里的时候，车就产生震动，我去试架过，我说这个一下解决不了，换部件解决不了。我说要做的是要有这个模型。考虑它的动态问题，有没有某一个点造成震动。后来还是请供应商解决了。但是这个问题应该在整车厂采购零部件的分析问题，都应该做在前面的。

这个是我和北汽一起做的，北汽纯电动汽车用的开发，这个项目是科技部支持的。这里面是双离合器两个档，前轮驱动，就是让双离合器切换。为什么效率高？我就不多讲了。当时的合作单位是我们科技大学、北汽。这个公司被AVL买收了，AVL是订购的公司。为了省钱，我们找了一台旧的6档的双离合器变速箱，选了2档，做了一个简单的样机。这个是北汽工程师，这是我的博士后，我们正在拆装。为了省钱，因为是原理样机，我把六档样机拿过来。理论上双离合器是这样的，真正通过建模分析，真正模型不是这样的。北汽那个工程师在我那工作两三年，还拿了博士学位，发表了一两篇比较好的文章。我在开发软件，直接可以通过仿真的东西，来驱动我的硬件。这个是改装后的，这个是一个电机，这个电机功率是80千瓦。我们用的网络电，电机控制器，也有扭矩传感器，就是测扭矩的。

我们做了一个控制的试验，测的是扭矩，在这里测的。这个是我们通过仿真实测做出来的控制切换。这个是离合放的，这个离合器合上，这个是马达的扭矩，是很平顺的，切换过去。一个是往上挂档一个是往下挂档。可以做各种实验，也可以通过仿真做，也可以通过抬架做。在底下也可以做一些传感器的标定。效率分析，用了两档以后，效率还是提高了，这个是比较。

我做一个小结，如果要知道这车的动力总成的经济性和动力性能，粗糙的用多缸体动力学建起来，能知道这些结果。如果要知道换档的性能，粗略的定性。但是一看要知道强劲的，就是真正如何控制它，更精确可靠的预测它的话，一定要用多缸体和多流体（音译）混合模型。特别是考虑到动力轴承整车的，那没办法，两个模型都要用，陶不过的，不要碰运气，因为太多了。你对结果不放心的话，最好通过抬架试验进行验证。

（文章来源：盖世汽车）