Design and application of electric oil pump
in automatic transmission
Abstract: For the purpose of improving efficiency and realizing start–stop function, an electric oil pump (EOP) is integrated into an 8-speed automatic transmission (AT). A mathematical model is built to calculate the transmission power loss and the hydraulic system leakage. Based on this model, a flow-based control strategy is developed for EOP to satisfy the system flow requirement. This control strategy is verified through the forward driving simulation. The results indicate that there is a best combination for the size of mechanical oil pump (MOP) and EOP in terms of minimum energy consumption. In order to get a quick and smooth starting process, control strategies of the EOP and the on-coming clutch are proposed. The test environment on a prototype vehicle is built to verify the feasibility of the integrated EOP and its control strategies. The results show that the selected EOP can satisfy the flow requirement and a quick and smooth starting performance is achieved in the start–stop function. This research has a high value for the forward design of EOP in automatic transmissions with respect to efficiency improvement and start–stop function.
1Introduction
Thanks to the increasing requirements for CO2 reduction and fuel economy, automatic transmissions tend to have more speeds in recent years. However, when automatic transmissions have more than 8 speeds, continuing increasing the gear number will not improve the fuel economy significantly. Therefore, some hybrid functions are integrated into automatic transmissions to further reduce the fuel consumption. Start–stop function is one option and it is easy to implement compared with other hybrid systems. Among different methods of integrating start–stop function into automatic transmissions, an add-on electric oil pump (EOP) is a good solution because of its small modifications in design. In addition, the EOP can supplement the oil flow at low engine speeds, thus the size of the mechanical oil pump (MOP) can be reduced to further improve the hydraulic efficiency.
Nowadays, many modern automatic transmissions have been equipped with a two-pump system (one EOP and one MOP). A compact EOP is integrated in the Aisin new generation of 6 and 8-speed transverse automatic transmission [1]. However, it is only designed to meet the market need for the start–stop function. Whether the EOP can work together with the MOP to give a further fuel economy potential is not mentioned in the reference. Mercedes-Benz new 9-speed automatic transmission also applies the two-pump system by integrating an EOP [2]. In addition to realization of the start–stop function, this EOP can also help to support the line pressure and supplement the oil flow for lubrication and cooling at low engine speeds. But, how to choose the size of the EOP and the MOP to get the lowest energy consumption is not considered in the reference. HWANG et al [3] designed a different two-pump system to improve the efficiency and performance of its 6-speed automatic transmission. The difference is that in this system the two pumps are all EOPs and there is no MOP. By controlling these two EOPs depending on the vehicle operating conditions, the optimal flow rate can be supplied, thus the energy loss can be reduced. However, only using the EOP is not the best solution through the investigation of our work. And two EOPs are not good in terms of weight and cost. Some control strategies have been proposed for the EOP of the two-pump system [4–6]. In the development of these control strategies, the minimization of the EOP energy consumption is always an important consideration. Toyota develops a new start clutch control system by employing an electric oil pump [7]. This electric oil pump is only designed for the start–stop function, thus its control strategy only serves for the smooth and quick vehicle start. SHUNSUKE et al [8] also developed a control strategy for the EOP with respect to start–stop function. Besides, new types of EOP and MOP with higher efficiencies have also been developed and applied in automatic transmissions [9–11] for a better fuel economy.
Figure 1 shows the two-dimensional structure of an 8-speed automatic transmission which have entered into the mass production. The MOP locates behind the torque converter and is connected to the pump of the torque converter directly. In current design, this MOP has a big displacement volume which results in a big hydraulic loss at high engine speeds. Therefore, the objectives of this work are listed as follows.
(1)Replacing this big MOP with a two-pump system to realize start–stop function and improve hydraulic efficiency.
(2)Developing a control strategy for the EOP to satisfy the flow requirement of the automatic transmission.
(3)Developing a control strategy for the EOP to fast build up the hydraulic line pressure when engine restarts.
(4)Developing a control strategy for the on-coming clutch to realize a quick and smooth vehicle starting performance.
2Power loss model
The power loss of an automatic transmission is comprised of mechanical loss (gear, bearing, seal, shifting loss, and drag torque loss in the open shifting elements), hydraulic loss (torque converter, and MOP), and electric loss (electric power demand for the solenoids, sensors, transmission control unit, and EOP). The power loss generates heat in the transmission and must be dissipated by the transmission housing and the cooling oil flow. The necessary cooling oil flow is supplied at the expense of the hydraulic loss (from MOP and EOP) and the electric losses (from EOP). In this section, the power loss model of the 8-speed automatic transmission is established. This power
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自动变速器中电动油泵的设计与应用
文摘:
为了提高效率和实现起止功能，将电动油泵(EOP)集成到8档自动变速器(AT)中。建立了一种计算输电功率损耗和液压系统泄漏的数学模型。基于此模型，为EOP开发了一种基于流的控制策略，以满足系统的流量要求。通过前端驱动仿真验证了该控制策略。结果表明，在最小能耗条件下，机械油泵(MOP)和EOP的尺寸是最佳组合。为了得到一个快速、平稳的启动过程，提出了EOP控制策略和即将出现的离合器。建立了样车的测试环境，验证了集成EOP及其控制策略的可行性。结果表明，所选的EOP能够满足流量要求，在起止函数中实现了快速、平稳的起动性能。本研究对自动变速箱在提高效率和起止功能方面的设计具有很高的价值。
1介绍
由于二氧化碳减排和燃油经济性的要求越来越高，近年来自动变速箱的档位数越来越多。然而，当自动变速箱的档位超过8档时，继续增加齿轮数将不会显著提高燃油经济性。因此，一些混合功能被集成到自动变速箱中以进一步降低燃料消耗。起止函数是一个选项，与其他混合系统相比，它易于实现。在将起止函数集成到自动变速器的不同方法中，一个附加的电动油泵(EOP)是一个很好的解决方案，因为它在设计上有很小的改动。此外，EOP可以在低发动机转速下对油流进行补充，因此可以减少机械油泵(MOP)的尺寸，从而进一步提高液压效率。
如今，许多现代化的自动变速箱都配备了双泵系统(一台EOP和一个MOP)。一个紧凑的EOP集成在Aisin新一代的6和8档横置自动变速器中。然而，它的设计只是为了满足市场对起止功能的需求。在参考文献中没有提到EOP是否能与MOP一起工作，从而进一步提高燃料的经济潜力。梅赛德斯-奔驰新的9档自动变速箱也通过集成EOP来应用双泵系统。该EOP除了实现了起止功能外，还可以帮助支持管路压力，并在低发动机转速下补充润滑和冷却的油流。但是，如何选择EOP和MOP的大小来获得最低的能耗是没有考虑到的。HWANG等设计了一个不同的双泵系统，以提高其6档自动变速器的效率和性能。不同之处在于，在这个系统中，两个泵都是EOPs，没有MOP。通过控制这两个EOPs，根据车辆的运行情况，可以提供最佳的流量，从而减少能量损失。然而，仅仅使用EOP并不是通过调查我们工作的最佳解决方案。两个EOPs在重量和成本方面并不好。对双泵系统的EOP提出了一些控制策略。在这些控制策略的发展中，EOP能耗的最小化一直是一个重要的考虑因素。丰田采用电动油泵开发了新的启动离合器控制系统。该电动油泵仅为起止功能设计，因此其控制策略只适用于平稳快速的车辆启动。SHUNSUKE等也针对起止函数制定了EOP控制策略。此外，新型的EOP和MOP具有更高的效率，也被开发和应用于自动变速器以获得更好的燃油经济性。
图1显示了一个8档自动变速器的二维结构，它已经进入了批量生产。MOP位于变矩器的后面，直接连接到变矩器的泵上。在目前的设计中，这个MOP有一个很大的位移量，在高发动机转速情况下会导致一个大的液压损失。因此，这项工作的目标如下。
(1)用双泵系统代替大MOP，实现起止功能，提高液压效率。
(2)制定EOP控制策略，满足自动变速器的流量要求。
(3)在发动机重新启动时，制定EOP的控制策略，快速建立液压管路压力。
(4)为即将到来的离合器制定控制策略，实现快速、平稳的车辆启动性能。
输出
输入
图表1 八档变速器二维结构图
2功率损耗模型
自动变速箱的功率损失由机械损耗(齿轮、轴承、密封、移动损耗、以及在开移元件上的阻力扭矩损失)、液压损失(扭矩变换器和MOP)和电气损耗(电磁阀、传感器、传输控制单元和EOP)的损耗组成。功率损耗在传输过程中产生热量，必须通过变速箱和冷却油流动来消除。必要的冷却油流量是以牺牲液压损失(从MOP和EOP)和电力损耗(从EOP)提供的。在此部分，建立了8档自动变速器的功率损耗模型。该功率损失模型可用于必要的冷却油流的计算。
3泄漏模型
图2显示了8档自动变速器的液压原理图。在参考文献中介绍了其功能的详细描述。在这个液压系统中，所有的阀门(比例电磁阀和滑阀)都有泄漏。泄漏油流必须通过泵系统进行补偿。液压系统有两种泄漏。考虑偏心环隙的泄漏，如图3(a)所示。滑阀和滑阀之间的泄漏就像这种形式。另一种称为孔板泄漏，如图3(b)所示。该形式考虑了比例电磁阀的泄漏。
图3 液压系统的两种泄露模型：偏心环间隙泄漏 孔泄漏
图2 八档自动变速器原理图
4.基于流程的EOP控制策略
为了用一个双泵系统(一个EOP和一个MOP)取代旧的大MOP，开发了一个基于流的控制策略。这种基于流的控制策略只是利用了信息。计算流量的要求。在流量足够传输的条件下，EOP不需要额外的能量。因此，该控制策略可以最大限度地减少EOP的负荷。
5.eop控制策略和启动-停止功能离合器的控制策略
所选的EOP也应满足起止函数的流量要求。其中，起止函数的详细控制策略可分为三个阶段。
5.1发动机停止阶段
在这个阶段，发动机在车辆静止时关闭。制动器B1和离合器C4都参与准备第一齿轮。他们的压力只比他们的接触点大一点点。这可以降低管路压力的要求，从而使EOP能够以低速工作，保持低线压力，以补偿泄漏。与此同时，离合器C1是打开的，断开引擎从传动系统。它是启动-停止函数中即将到来的离合器。
5.2启动器牵引阶段
当车辆的制动踏板被释放时，发动机控制单元对车辆的判断将启动，因此马达起动器在短时间内使发动机转速为怠速。在发动机转速达到怠速前，EOP必须快速建立一个高的管路压力，以保证制动B1和离合器C4的充分接触。因此，在此阶段开始输送足够的油流以达到这一高压时，EOP速度会立即增加。此外，即将到来的离合器C1开始填补这一阶段。因此，EOP的流量要求也应包括在预定时间内对离合器C1的充油。当离合器C1被填满时，液压管路压力不应下降太多。
5.3动力传动系统相连接
在以上两个阶段，由于即将到来的离合器C1是打开的，启动器重新启动没有车辆负载的引擎。它由一个三角形压力命令快速填充，用于准备扭矩传递。在进入传动系连接阶段后，离合器C1的压力会增大，减小其滑移。为了获得一个平稳快速的过程，这个阶段又被划分为三个阶段。
阶段:本阶段的目的是确保离合器滑移的减少。它的最终标志可以通过校准一个预定义的速度值nI来调整。在这一阶段，离合器C1的压力迅速增加，以减少它的滑动，即使发动机转速加快，当司机踢下驾驶踏板。
6测试验证
仿真结果表明，该方法能有效地降低EOP和MOP的损耗。在此基础上，设计并应用于8档自动变速箱。图4显示了它的3D模型。EOP安装在变速箱外壳外面。MOP位于扭矩变换器后的原始位置，并缩小。原型是制造和组装的。将EOP和起止函数的开发控制策略集成到传输控制单元中。图5显示了配备8档AT的测试车辆。通过校准软件CANape及时读取测试数据。
图6描述了在NEDC驱动循环中测量的油温。ATF温度升高是由于高加速度和频繁变化。然而，两泵系统在基于流的控制策略下，为冷却和润滑提供了足够的油流。油温可以维持在一个正常水平80°C和90°C之间在开车。此外，耐久性试验也得到了证实。由于热应力和润滑油流不足，没有零件失效。该双泵系统和基于流量的EOP控制策略能够满足流量要求。图7显示了车辆起止功能的测试结果。当发动机停止运行时，管路压力保持在EOP的3。105 Pa左右。司机没有听到噪音，因为EOP以低速运行。司机释放制动踏板后,bgi的迅速增加了管路压力约8times;105 Pa。自动变速箱的液压系统在发动机启动前就准备好了。因此，起止函数的响应可以得到改善。
图7 发动机起止功能测试结果
图6 NEDC行驶循环油温测试
图4 加装EOP的八档变速器3D模型
图5 发动机测试
与此同时，即将到来的离合器C1已经快速填补了启动牵引阶段。在发动机转速达到怠速后，命令压力首先快速增加，以减少离合器滑移。实际的离合器压力可以紧跟着指令。此时，离合器C1开始传递扭矩，车辆开始移动。在离合器滑移到一定水平后，试验结果表明，压力增加明显变慢。因此，在最终的同步点可以实现平滑的接触。驾驶员在测试中的主观感受也非常积极。在对EOP和即将到来的离合器的开发策略的控制下，可以实现平稳快速的起动性能。
7结论
（1）根据发动机转矩和发动机转速，研制了一种功率损耗模型来计算传动功率损失。
（2）建立了泄漏模型计算水力泄漏。线压和公差被认为是计算中最大的。
（3）为了满足冷却、润滑和泄漏的流动要求，开发了一种基于流量的EOP控制策略。正向驾驶仿真验证了该控制策略，并表明在最小能耗方面，EOP和MOP的大小是最好的组合。根据仿真结果，设计并应用于8档自动变速箱中，设计并应用了一种具有最小能耗的双泵系统(MOP7 mL, EOP 600 W峰值功率)。
（4）为起止函数开发了EOP控制策略和即将到来的离合器。分阶段分为几个阶段，以实现对车辆启动的精确控制。
（5）车辆试验结果验证了EOP的流量控制策略能满足流量要求。起止函数的控制策略可以在发动机停止时降低能量损失，并在发动机启动前快速建立液压管路压力。该离合器的控制策略可以在起止函数中实现快速、平稳的车辆起动性能。
由于对燃油经济性和二氧化碳减排的要求越来越高,自动变速器往6到8档的方向发展,持续增加齿轮齿数与数量并不会大幅度提高汽车的燃油经济性。因此,一些混合功能集成到自动变速器中进一步减少燃料消耗。起止函数是一个选项，与其他混合系统相比，它更易于实现。使用不同的方法将起停功能集成到自动变速器上,一个插件电动油泵是一个很好的解决方案,因为它修改设计较小。另外，EOP可以在低发动机转速下对油流进行补充，从而降低机械油泵的尺寸，从而进一步提高液压效率。
现在，许多现代化的自动变速器都配备了双泵系统。一个紧凑的Eop集成在新一代的6和8档横置自动变速器上。然而，它的设计只是为了满足市场对起止功能的需求。在参考文献中并没有提到EOP是否能与Mop一起工作，从而进一步提高燃料的经济潜力。梅赛德斯-奔驰新型9档自动变速箱也适用于双泵系统，它集成了一个EOP也可以帮助支持管路压力和补充润滑和冷却的油流量，以低速发动机转速。但是，如何选择EOP和Mop的大小来获得最低的能耗是没有考虑到的。HWANG等人设计了一个不同的双泵系统，以提高其6档自动变速箱的效率和性能。不同的是，在这个系统中两个泵都是EOP没有Mop。
伴随汽车理论技术的发展，微处理器的技术的日益成熟和电子技术在汽车上的广泛应用，人们已经不再只局限于满足汽车的代步功能，对汽车动力性、经济性的要求逐步向易操纵性、机动性、安全性转移，智能型汽车日益成为人们目光中的焦点。商家的“人、车、生活”,“以人为本”等宣传口号也侧面体现了人们对汽车的个性化、人性化的期望。
在汽车智能化的发展方向上，自动变速器的智能化占有重要一席。而自动变速器的智能化又集中体现在换挡规律的制定上。为顺应潮流，为满足人们对汽车的新要求，加强各自车型的竞争优势，目前，世界各大厂商在新车型的换挡规律上大做文章，最引人注意的是标致—雪铁龙集团和雷诺公司开发的AL4 自动变速器竟内置了10 种换挡规律之多。在人—车—路的大系统中，汽车控制的优劣，主要反映在车辆与环境（路）的协调、车辆与人的协调，故电子自动控制系统可存储多种规律供驾驶员选用，不仅有经济性规律、动力性（又称运动型）规律，而且还有一般（日常）规律、环境温度以及随外界条件变化的规律等。 即换挡点可以自由设定为各种规律。在换挡规律智能化的方向上，各方面至今已作了不少的工作，其中部分成果已开始在汽车上应用。但是开发此项智能换挡规律的工作依然艰巨，这主要因为：
（1）现有的智能变速器的智能程度有待提高，它表现在对环境的识别判断的准确度不高，对驾驶员的意图识别不能令人满意。
（2）智能功能还不完善。智能自动变速系统是开放的系统，它应在现有的基础上不断完善、丰富，只有这样才能适应不同驾驶员的驾驶要求，减少驾驶员的
劳动强度，提高汽车的整体性能。适应驾驶员个性的换挡规律是研究项目中的重要一项，为了使汽车能够在选换挡时体现不同驾驶员的风格特点，适应不同驾驶员的对加速的不同要求，前人工作的基础上对适应驾驶员风格的换挡规律作了较为深入的研究，对驾驶员的驾驶意图、风格特点提出了新的识别策略，并系统地提出了换挡智能调整控制的解决方案。
传统设计方法设计汽车变速器与同步器结构参数是一项非常费时和艰苦的工作，而且难以求得较理想的设计参数，不利于产品性能的提高。变速器与同步器的优化设计则可利用计算机在约束域内按预定目标高速有效地优选出最佳的结构参数，是一种理想的高质量的设计方法。研究的主要目标是建立一个载货汽车变速器与同步器结构参数的优化设计数学模型，采用基于K-T(Kuhn-Tucker)方程解的方法进行优化计算，以期提高汽车变速器与同步器的设计水平。汽车传动系是汽车的主要组成部分，变速器又是传动系的重要部件，因此汽车变速器的优化设计十分重要。以轻型载货汽车为例，根据汽车变速器的设计要求与特点，在保证零件的强度、刚度、使用寿命等条件下，以减少重量和体积作为追求目标，分析建立了载货汽车变速器优化设计的数学模型，并通过实例对其进行了参数优化，获得了满意的设计效果。
牵引驱
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