博格华纳-汽车传统与混动变速箱液压控制模块趋势与技术
现今全球对于提升汽车传动系统效率的发展趋势正深刻影响着未来的变速箱架构。与此相关的电液控制系统以及液压控制模块(HCM)也必须与时俱进，以支持这些新的变速箱架构。本文主要讨论了三个方面：第一，正是这全球大趋势，它引领着新一代变速箱，包括混动变速箱中电液控制系统的发展方向；第二，为应对新的变速箱架构，电液控制系统的设计趋势；最后，为适应当前发展趋势，HCM 结构及技术赋能的可行方案，包括升级现有变速箱的应用，使其兼容混动模式，以及为混动系统设计全新的电液模块。另外，本文也会介绍设计过程中的权衡问题。
电液控制模块是由执行器、液压阀、传感器、液压阀板、电气回路组成的，其中电气回路实现了自动变速箱控制单元(TCU)和液压控制的连接。执行器又称为电磁阀，负责发送液压信号以实现变速箱中的功能。其主要功能包括执行离合器接合/挡位接合/制动带，提供润滑和冷却流量。HCM 中有不同种类的传感器，典型的包括温度、压力、速度、位置传感器。另外，HCM 必须实现其所有零件与 TCU 的电气连接。HCM 和变速箱的安装面必须有液压密封。控制模块安装到变速箱的方式有多种可能性，包括变速箱外部安装和内部安装。控制模块可以安装在传统的液压阀体组件上，或者也可以与传统液压阀体集成，使这个单体同时实现两个功能。
当今社会的宏观趋势由于受到全球范围内越来越严格的法律法规影响，促使汽车行业也必须在提高效率和减少 CO2 排放的方向做出努力。本文着重讨论的电液控制模块(HCM)及其正在进行的结构演变，正是为了支持更高效的变速箱，且新增了下一代汽车变速箱所必备的功能。另外 HCM 设计元素、结构方案和设计权衡都将在本文中进行讨论。
当前有若干宏观趋势在引领 HCM 技术，其中最主要的是提高变速箱效率，并减少 CO2 排 放。另外还包括延长产品寿命、提高产品鲁棒性、提升产品性能等。近年来，人们对产品寿命时长的期望，已经从 10 年增加到 15 年；对寿命里程的期望，已经从 16 万公里增加到 35 万公里。举个产品鲁棒性提升的例子，同前几代产品相比，现在的 HCM 需要在非常高的污染物水平下，依然能够维持功能。同时在趋势引领下，变速箱设计工程师开始考虑非传统的变速箱架构和整车平台，将标准 AT 和 DCT 结构迁移至混合动力电动车(HEV)平台，包括各种动力分流和 P2 混动。另外，电动车变速箱的应用也在开发中。动力源包含传统内燃机(ICE)、电机和两者的混合。额外增加的混动功能需要增加额外的零件来实现。反过来，HCM 必须提供新的驱动功能以支持这些新的混动功能。除此之外，这些宏观趋势也给我们带来了减小零件尺寸和重量的压力。最后，鉴于全球汽车行业的成本竞争性，任何新设计必须存在商务可行性。
用于 DCT 变速箱的液压控制系统可以简化为五个主要功能的集 合：液压能的生成、过滤系统、主油路压力调节、执行器驱动、润滑冷却。执行器驱动和润滑的子功能中，有些与挡位接合或离合器接合相关。驱动是系统的首要功能，并需求液压能来实现相应的功能。第一个驱动功能是离合器接合，DCT 变速箱有两个子离合器需要控制。第二个是换挡。系统次要功能包含润滑和冷却。只有在首要功能满足后，才会给润滑和冷却回路供油。系统的第三级功能常被称为再循环或者抽吸，当在泵转速增加时，才会实现。除了防止系统产生过大压力外，第三级功能不起别的作用。这时额外的泵油也意味着效率的损失。
系统方案选定后，可选择若干零件升级来帮助达成降低 CO2 排放和提高系统总体效率的目标。比如主油路压力调节，可以将较高泄露的电磁阀(VBS)换为低泄露的电磁阀(MDA)(2)。而取消主油路压力调节，用一个蓄能器来代替可以调高系统效率。执行压力调节也有类似的趋势：从先导 VBS 到先导 MDA，再到直接驱动 PPV。直接驱动阀是将先导电磁阀和下游的流量控制阀结合在一起。值得注意的是，从量产开始 DCT 变速箱中离合器就广泛采取直接控制的方式。
挡位接合已由压力控制向流量控制发展。这个改变对效率没有多大影响，但直接影响总体换挡质量，并能为换挡活塞提供更精确的流量。
中压和高压的方案也通过按需供给压力来提高效率。这是利用专门零件实现的原理上的变更。按需供给压力可以定义为电子油泵和液压能储存装置 - 蓄能器的组合，可以直接集成到 HCM 中，也可以放在变速箱的其他地方，这要取决于每种应用的成本和空间因素。
另外，通过一个装置实现多个液压功能可以减少电磁阀个数、节省空间、减少所需电路驱动。有一个典型的例子，是在 DCT HEV 中，将分离离合器冷却和电机的冷却，同离合器冷却集成在一起。这个方案的权衡在于：一个单独的装置能提供两个功能，但是两个回路不能同时实现最大或者最小冷却流量，如下图功能测试流量与电流的关系所示。
单个装配体中的双压系统 – 高压用于驱动，低压用于润滑
技术前沿的 ACS – 挡位接合
直接驱动压力控制电磁阀 – 离合器接合
高功率密度磁铁 – 空间尺寸和力
多功能电磁阀 – 多回路冷却
电磁阀策略化集成
按需供给压力 – 电子油泵
多套油泵 – 双压系统
能量存储装置
降低的液压能量消耗
增强的污染物鲁棒性
空间尺寸降低 – 零件优化
支持技术 – 高压和低压阀体密封， 电气连接，传感器(SENT 协议)
下图简化图显示了大部分前文所述的趋势和技术。这里应用了双泵系统。低压通道有独立的油泵，可以按照需求供给冷却系统。该系统可以包含多种主动和被动冷却控制组合。一般情况下，离合器和转子的冷却是主动的，齿轮冷却是被动的。每个系统都需要从系统技术规范/指标、商务目标和空间尺寸影响方面来评估，从而选择合适的 HCM 零件与功能，来满足应用条件。
HCM 系统和零件选择总会涉及到各种权衡。这些权衡交互影响，主要有：
1. 空间尺寸 – 主要是减小 HCM 尺寸，这就涉及到零部件的尺寸减小，以及可能的新技术开发。
2. 技术风险 – 比如成本降低，效率提高，性能提升等。
3. 生产稳定性 – 生产合格率，比如零件集成，成本降低。
4. 污染物鲁棒性 – 应用新技术生命周期延长的期望，以及为了提高效率零件更紧的间隙配合。
5. 生产成本 – 必须要考虑复杂度和新技术的影响。
6. 系统复杂度 – 效率、空间尺寸、鲁棒性、成本，都要考虑。
P2 HCM 方案在开发中。第一个方案是为新的 HEV P2 设计 HCM，包含：
P2 全功能
离合器控制、换挡控制、冷却和润滑控制
集成式和插装式电磁阀技术
集成离合器/转子冷却比例控制
双压系统 – 用于高压和低压的电子油泵
液压能储存 – 蓄能器 高压系统 – 高效率/低泄露零件
技术兼容 P2，DHT 以及其他混动应用
该方案的优点在于：
单个 HCM 模块提供 DCT P2 变速箱的所有控制
高效 – 功耗低
设计紧凑
兼容冲击启动
第二个方案是将现有变速箱升级为 P2 构造。该 HCM 特性有：
ICE 分离离合器精确的压力控制
ICE 分离离合器冷却流量比例控制
精确的压力输出 – 分离离合器和主油路
经验证的插装式电磁阀技术
主油路压力兼容 – 可升级为按需供给电子油泵
该方案的优点在于：
所有功能集成到一个组件中
可直接添加到现有变速箱上
用单个转接头作为电路连接
兼容冲击启动
现今全球对于提升汽车传动系统效率的发展趋势正深刻影响着未来的变速箱架构。与此相关的电液控制系统以及液压控制模块(HCM)也必须与时俱进，以支持这些新的变速箱架构。在理解 HCM 设计元素、构造方案及设计权衡后，就可以选取合适的 HCM 以优化各种变速箱应用。博格华纳作为液压控制模块全球技术领先者，已为传统、混动(HEV)及纯电动(BEV)变速箱应用做好了准备。
作者：Steven Roskowski, BSEE, MSEE
