國產混合動力AMT：十年磨一劍 打破國際壟斷
時間:2017-08-25 17:36來源:科技日報 作者:申明
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并聯混動三維剖視圖
高效汽車自動變速箱核心技術長期受制于人的短板，成為中國車企的一大痛點。尤其是在混合動力汽車上，基于AMT（自動機械變速箱）等自動變速箱的混合動力機電耦合系統，更是被國外公司壟斷，嚴重影響我國新能源汽車戰略目標的實現。
清華大學項目團隊歷時10年，針對混合動力系統構型創新、高效控制等難題開展攻關，成功研制出基于AMT的同軸并聯機電耦合系統，打破了國際壟斷。該項目在2016年北京市科學技術獎評選中，榮獲一等獎。
“老司機”面臨新挑戰
肖獻奇是湖南長沙寶駿公交三公司913路的一位客車老司機，他的行駛路線途經多個大專院校和市中心商業區，一直以來都是人多易堵的線路，但肖師傅卻幾乎每個月都能獲得公司的節油獎勵。
原來肖師傅開的是搭載了蘇州綠控AMT變速箱的并聯式混合動力客車，與以前的燃油車相比，現在的車不僅油耗低，而且操控性極好。
蘇州綠控正是由清華大學項目團隊的李磊等多位清華大學汽車系博碩士畢業生創立的汽車混合動力系統技術創新企業，并在清華大學蘇州汽車研究院得以孵化成功。在清華大學汽車安全與節能國家重點實驗室李亮、宋健的帶領下，團隊長期堅持產業研用的合作，研制出的商用車AMT同軸并聯式混合動力系統，在國內具有絕對領先地位。
變速箱是汽車中一個至關重要的部件，其性能的優劣一定程度上決定了一輛汽車的動力性和燃油經濟性，直接影響車輛的價值。然而變速箱一直是國內汽車產業的薄弱環節，更不用說混合動力汽車上的AMT了。
“我們國家很早就啟動了相關研究，但要將發動機和電機兩個驅動系統耦合在一起，涉及到動力性耦合、能量耦合，技術挑戰度很大，一直是我國混合動力汽車發展的瓶頸性難題。”李亮說。
經常開車的司機都知道，AMT就相當于一位“經驗老到的司機”，會主動選擇最佳換擋時機，精準換擋，因此可提升汽車行駛的安全性，降低油耗，減少司機的疲勞性，進一步提高商用車的運營效率。但對于混合動力汽車，這位“老司機”面臨新挑戰。
“混合動力機電耦合系統直接決定混合動力汽車動力性與燃油經濟性，基于多檔位自動變速箱的并聯機電耦合系統是國際公認的兩大主流構型之一，其系統構型方法與控制技術是國外各大汽車企業核心機密。”同時，“相對于類似普銳斯的混聯混合動力系統而言，并聯混合動力系統運行效率與復雜工況難以適應的難題在國際上仍未得到根本解決。”李亮說。因此項目團隊需要對機電耦合系統構型進行創新設計，同時開發更多高效的工作模式以及系統一體化控制技術以應對復雜運行工況，技術挑戰度大。
項目組經過十年的不懈努力，認識到突破上述技術難題需在系統構型與控制方法上進行創新，先后圍繞機電耦合系統總體設計層、執行應用層、控制協調層等三個層次四個核心任務展開攻關，創建了混合動力機電耦合系統技術研發體系，研制出我國首款自主混合動力機電耦合系統產品，實現了大規模應用，創造了良好的經濟和社會效益。
節油率提升到45%
據了解，國際上美國伊頓等少數公司壟斷了商用車同軸并聯機電耦合系統技術。我國早期推廣應用的汽車混合動力系統因缺少可自動控制的變速箱，不具備減速增扭與發動機工作區調節功能，整車動力性和燃油經濟性難以兼顧。
針對該問題，項目組發明了以多檔位AMT為核心部件的自主同軸并聯機電耦合系統構型新方案，開發出能充分發揮該構型特長的七種典型高效工作模式，提出了機電耦合系統構型參數與控制參數大規模（40個）并行優選的混合遺傳算法，成功研制出客車、貨車用系列化機電耦合系統產品。
“根據交通工況、整車動力性、燃油經濟性與安全性約束，該構型多工作模式可自適應動態切換，實現分區能量優化管理，克服了傳統并聯系統效率低的缺點，節油率提升到45%。”李亮說，“這個數據達到了國際最優水平。”
讓汽車領會司機意圖
AMT結構簡單、傳動效率高，但其平順快捷控制是國際同行公認的技術難題。尤其是機械變速箱相對自動變速箱制造精度要求低，使用過程中產品位置偏差與磨損程度一致性較差，進一步加劇了AMT離合與換擋過程的動態沖擊。
對此，項目組提出了離合器與換擋位置偏差自學習算法，實時修正AMT機械部件磨損、傳感器誤差等帶來的位置偏差；進而提出了離合器分離力動力學模型估計與二階神經網絡觀測器相結合的方法，估算離合過程負載，實現了離合位置精確調控。
“說通俗些，我們就是用人工智能的方法，通過對駕駛意圖量化得到駕駛人加速換擋目標，實現能夠模擬有經驗駕駛員離合換擋操作動作的擬人式AMT換擋控制，從而達到了AMT換擋燃油經濟性與駕駛性綜合最優。”李亮說。
混合動力客車“坡起”不再愁
開過混合動力或者純電動車的人都知道，當你松油門時，會有能量再生制動。但當汽車運行在雨雪等低附著道路時，如果不對機械制動與再生制動進行合理調控，極易導致車輪制動抱死，發生危險事故。
對此，項目組發明了基于再生制動車輪滑移率雙向補償調控技術，建立再生制動過程整車制動強度與輪胎附著的動力學模型，進而實時調節前后輪制動力、驅動輪再生制動力與氣壓制動力比例，在保障制動穩定性與制動能量回收效能的前提下，該方法整車制動距離較常規門限值方法縮短10%。
針對AMT換擋固有的動力中斷特性極易引起汽車坡道起步溜車的難題，項目組發明了基于氣壓制動系統主動壓力調節的坡道起步輔助技術。基于坡起輔助技術，搭載的混合動力客車坡道起步能力較美國伊頓系統提升了2倍，可全面適應我國西南山區道路條件。
“相對國外公司AMT并聯混合動力系統的最大起步坡度10%，綠控的產品則達到30%。”因此，在我國重慶等山區城市，道路上運行的新能源公交車絕大部分采用的都是綠控的產品。
昔日只可仰望的對手，今日已是追趕者
科技成果只有走向市場，才有意義。鑒于我國缺乏專業從事混合動力機電耦合系統生產企業，項目團隊創立了蘇州綠控傳動科技有限公司開展創新成果轉化孵化。
據了解，公司先后研制出AMT及混合動力系統試驗平臺，建立了我國第一條機電耦合系統生產裝配檢測線；制定相關企業標準11項，生產工藝12項；制造出覆蓋6—12米混合動力/插電式混合動力/純電動客車用4個系列機電耦合系統產品，打破了國外公司獨家壟斷。
如今，蘇州綠控傳動科技有限公司成為了繼美國公司之后，全球第二家具有基于AMT的機電耦合系統研發與制造能力的高新技術企業。
由于綠控的AMT更加適用于國內市場，實現了在性能上超越伊頓。如今，綠控的產品在國內市場年銷量已經超過了伊頓，為宇通客車、北汽福田、廈門金龍等國內20余家客車企業供貨，并在國內超過300個城市的18000輛新能源車上示范運營，占我國并聯混合動力客車市場的70%。
昔日只可仰望的對手，今日已是追趕者。
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