混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)機(jī)電耦合系統(tǒng)構(gòu)型分析

吳為理，張雄，李東東，趙江靈

(廣州汽車(chē)集團(tuán)股份有限公司汽車(chē)工程研究院，廣東廣州 511434)

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混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)機(jī)電耦合系統(tǒng)構(gòu)型分析

吳為理，張雄，李東東，趙江靈

(廣州汽車(chē)集團(tuán)股份有限公司汽車(chē)工程研究院，廣東廣州 511434)

摘要：基于混合動(dòng)力汽車(chē)機(jī)電耦合系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用情況和實(shí)現(xiàn)動(dòng)力耦合裝置的不同，參考機(jī)械式變速器的定義，將機(jī)電耦合系統(tǒng)分為固定軸式和行星齒輪式2大類(lèi)型，并通過(guò)實(shí)例進(jìn)行了耦合方式、工作模式、動(dòng)力傳遞路徑等拓?fù)鋵W(xué)分析?；趯?duì)發(fā)動(dòng)機(jī)工況的優(yōu)化和系統(tǒng)效率，對(duì)2種機(jī)電耦合系統(tǒng)構(gòu)型進(jìn)行了分析評(píng)價(jià)，可根據(jù)實(shí)際使用情況進(jìn)行最優(yōu)選擇。

關(guān)鍵詞：混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)；機(jī)電耦合系統(tǒng)；構(gòu)型分析；固定軸式；行星齒輪式

0引言

混合動(dòng)力汽車(chē)是目前市場(chǎng)表現(xiàn)最好的新能源汽車(chē)，而對(duì)將內(nèi)燃機(jī)和電機(jī)動(dòng)力進(jìn)行耦合輸出的機(jī)電耦合系統(tǒng)的研究也是目前汽車(chē)行業(yè)的熱點(diǎn)之一[1-2]。機(jī)電耦合系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)決定了混合動(dòng)力汽車(chē)的運(yùn)行模式，也是整車(chē)控制策略制定的依據(jù)，直接影響整車(chē)動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性。目前市場(chǎng)上主要的混合動(dòng)力汽車(chē)也有著不同的機(jī)電耦合系統(tǒng)方案和技術(shù)路線(xiàn)，如以豐田THS、通用Volt為代表的采用行星齒輪的機(jī)電耦合系統(tǒng)，以本田i-MMD為代表的采用定軸齒輪的機(jī)電耦合系統(tǒng)，以及科研機(jī)構(gòu)提出的技術(shù)方案[3-4]。文中從耦合方式和運(yùn)動(dòng)特性入手，對(duì)機(jī)電耦合系統(tǒng)構(gòu)型進(jìn)行歸類(lèi)分析和評(píng)價(jià)，這對(duì)于混合動(dòng)力汽車(chē)機(jī)電耦合系統(tǒng)方案選擇、參數(shù)設(shè)計(jì)和控制策略制定都具有重要的指導(dǎo)意義。

1耦合方式及耦合特性

混合動(dòng)力汽車(chē)的動(dòng)力系統(tǒng)主要分3類(lèi)：串聯(lián)式(Series Hybrid)、并聯(lián)式(Parallel Hybrid)和混聯(lián)式(Series-parallel Hybrid)[5]。其中串聯(lián)式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和能量流相對(duì)簡(jiǎn)單，文獻(xiàn)[5]將該串聯(lián)式系統(tǒng)的耦合方式稱(chēng)為電耦合；而并聯(lián)式和混聯(lián)式的動(dòng)力系統(tǒng)中都存在直接的機(jī)械能耦合，根據(jù)耦合方式和運(yùn)動(dòng)特性不同，機(jī)械耦合又可分為轉(zhuǎn)矩耦合和轉(zhuǎn)速耦合[5-6]。

1.1轉(zhuǎn)矩耦合

轉(zhuǎn)矩耦合是指各動(dòng)力源輸出的轉(zhuǎn)矩獨(dú)立，轉(zhuǎn)速符合一定的比例關(guān)系，動(dòng)力耦合輸出的轉(zhuǎn)矩等于各動(dòng)力源轉(zhuǎn)矩的線(xiàn)性和。常見(jiàn)的機(jī)械轉(zhuǎn)矩耦合結(jié)構(gòu)及轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩特性如圖1所示。

在忽略能量損耗的穩(wěn)定工作狀態(tài)下，轉(zhuǎn)矩耦合的輸出功率應(yīng)等于其輸入功率之和。

P3=T3ω3=T1ω1+T2ω2

(1)

進(jìn)而可表示為：

T3=T1k1+T2k2

(2)

式中：P3為轉(zhuǎn)矩耦合的輸出功率；T3為轉(zhuǎn)矩耦合器的輸出轉(zhuǎn)矩；T1、T2為轉(zhuǎn)矩耦合的輸入轉(zhuǎn)矩；k1、k2為轉(zhuǎn)矩耦合的結(jié)構(gòu)參數(shù)：傳動(dòng)比；ω1、ω2、ω3分別為轉(zhuǎn)矩耦合輸入輸出的角速度。由于式(1)的約束，角速度ω1、ω2、ω3存在如下所示關(guān)聯(lián)：

(3)

從式(2)和(3)可知：發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩T1、T2彼此無(wú)關(guān)，可分別獨(dú)立控制；而角速度ω1、ω2、ω3相互關(guān)聯(lián)，不能獨(dú)立控制，轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩關(guān)系(動(dòng)力傳遞)較為簡(jiǎn)明清晰。

1.2轉(zhuǎn)速耦合

轉(zhuǎn)速耦合是指各動(dòng)力源的轉(zhuǎn)速相互獨(dú)立，而轉(zhuǎn)矩則成一定比例關(guān)系，動(dòng)力耦合輸出的轉(zhuǎn)速等于各動(dòng)力源轉(zhuǎn)速的線(xiàn)性和。常見(jiàn)的機(jī)械轉(zhuǎn)速耦合有行星齒輪耦合、定子浮動(dòng)式電機(jī)耦合等，以下以單排行星齒輪結(jié)構(gòu)為例分析轉(zhuǎn)速耦合的運(yùn)動(dòng)特性。

根據(jù)行星齒輪運(yùn)動(dòng)特性，轉(zhuǎn)速耦合裝置的各轉(zhuǎn)速關(guān)系可表示為：

ω1+igω2-(1+ig)ω3=0

(4)

或

(5)

式中：ig=Z2/Z1，轉(zhuǎn)速耦合的結(jié)構(gòu)參數(shù)，其中Z2為齒圈齒數(shù)，Z1為太陽(yáng)輪齒數(shù)，是與結(jié)構(gòu)和幾何形狀設(shè)計(jì)相關(guān)的常數(shù)。

同時(shí)，根據(jù)系統(tǒng)能量守恒原理，忽略系統(tǒng)能量損耗，結(jié)合式(4)可得到轉(zhuǎn)速耦合裝置的各轉(zhuǎn)矩關(guān)系如下：

(6)

由式(5)和(6)可知：角速度ω1、ω2、ω3中，有2個(gè)轉(zhuǎn)速是彼此無(wú)關(guān)的，可獨(dú)立控制，從而使得瞬時(shí)的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速不受車(chē)輛的負(fù)載轉(zhuǎn)矩和車(chē)速制約；而發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩、彼此關(guān)聯(lián)，不能獨(dú)立控制。

為更直觀(guān)地了解圖2所示行星齒輪機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)速耦合的轉(zhuǎn)速關(guān)系和功率流向，可轉(zhuǎn)化為圖3。圖3(a)所示為單排行星齒輪3個(gè)輸入輸出端的轉(zhuǎn)速關(guān)系，可通過(guò)任意調(diào)節(jié)其中2個(gè)轉(zhuǎn)速達(dá)到滿(mǎn)足第3個(gè)轉(zhuǎn)速要求的效果；當(dāng)3個(gè)端口轉(zhuǎn)速方向一致時(shí)，可完成圖3(b)或與圖3(b)相反的功率分流或耦合。因此，通過(guò)改變輸入轉(zhuǎn)速的方向?qū)崿F(xiàn)更多的動(dòng)力傳遞路徑。

2構(gòu)型分類(lèi)分析

目前市場(chǎng)上常見(jiàn)的混合動(dòng)力汽車(chē)機(jī)電耦合系統(tǒng)有轉(zhuǎn)矩耦合、轉(zhuǎn)速耦合、同時(shí)含轉(zhuǎn)矩耦合和轉(zhuǎn)速耦合。如舍弗勒P2系統(tǒng)和本田i-MMD采用的是轉(zhuǎn)矩耦合，科力遠(yuǎn)CHS采用的轉(zhuǎn)矩耦合方式，豐田THS和通用Volt則同時(shí)采用了轉(zhuǎn)速耦合和轉(zhuǎn)矩耦合，而實(shí)現(xiàn)動(dòng)力耦合的裝置則以定軸齒輪和行星齒輪為主。因此，參考機(jī)械式變速器的定義，將采用不同耦合裝置的機(jī)電耦合系統(tǒng)構(gòu)型分為固定軸式機(jī)電耦合系統(tǒng)和行星齒輪式機(jī)電耦合系統(tǒng)。

2.1固定軸式機(jī)電耦合系統(tǒng)

固定軸式機(jī)電耦合系統(tǒng)是指所有軸的旋轉(zhuǎn)中心固定不變的機(jī)電耦合系統(tǒng)，而根據(jù)集成電機(jī)數(shù)量的不同又可分為單電機(jī)固定軸式機(jī)電耦合系統(tǒng)和雙電機(jī)固定軸式機(jī)電耦合系統(tǒng)。目前市場(chǎng)上主流的單電機(jī)固定軸式機(jī)電耦合系統(tǒng)主要有舍弗勒P2、比亞迪秦等混合動(dòng)力系統(tǒng)；而主流的雙電機(jī)固定軸式機(jī)電耦合系統(tǒng)主要有本田i-MMD、三菱歐藍(lán)德PHEV前驅(qū)系統(tǒng)等。圖4所示為本田i-MMD的構(gòu)型簡(jiǎn)化圖。

如圖4所示，整個(gè)機(jī)電耦合系統(tǒng)采用定軸齒輪進(jìn)行，通過(guò)控制離合器改變發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力輸出，從而實(shí)現(xiàn)不同的驅(qū)動(dòng)模式，且所有傳動(dòng)均為定速比傳動(dòng)。該結(jié)構(gòu)在中高速時(shí)可由發(fā)動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)車(chē)輛，在低速時(shí)以EV或串聯(lián)驅(qū)動(dòng)模式為主，因此可同時(shí)兼顧不同車(chē)輛工況下的動(dòng)力系統(tǒng)效率，以降低能耗。i-MMD驅(qū)動(dòng)模式見(jiàn)表1。

在混合動(dòng)力模式下，為了提高燃油效率，系統(tǒng)會(huì)考慮SOC、車(chē)速等條件，在EV、串聯(lián)混合動(dòng)力、并聯(lián)混合動(dòng)力之中選擇燃油效率最好的模式；在SOC偏低的狀態(tài)下，進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)直驅(qū)模式后，在發(fā)動(dòng)機(jī)工作期間，發(fā)電也會(huì)同步進(jìn)行，從而提升SOC。當(dāng)SOC上升到一定程度后，發(fā)動(dòng)機(jī)將停止運(yùn)轉(zhuǎn)，切換到EV模式行駛。

2.2行星齒輪式機(jī)電耦合系統(tǒng)

行星齒輪式機(jī)電耦合系統(tǒng)是指采用行星齒輪進(jìn)行動(dòng)力耦合和傳動(dòng)的機(jī)電耦合系統(tǒng)。采用行星齒輪式機(jī)電耦合系統(tǒng)的混合動(dòng)力汽車(chē)一般為雙電機(jī)系統(tǒng)，豐田THS、通用Volt、科力遠(yuǎn)CHS等均為行星齒輪式機(jī)電耦合系統(tǒng)。各行星齒輪式機(jī)電耦合系統(tǒng)的差異主要體現(xiàn)在采用的行星齒輪的型式和數(shù)量，如豐田THS采用單個(gè)行星齒輪機(jī)構(gòu)，新一代通用Volt則采用雙行星齒輪進(jìn)行動(dòng)力耦合，而科力遠(yuǎn)CHS采用的是復(fù)合式行星齒輪機(jī)構(gòu)。圖5所示為新一代通用Volt構(gòu)型。

如圖5所示，Volt整個(gè)機(jī)電耦合系統(tǒng)含3個(gè)單排行星齒輪機(jī)構(gòu)，其中主要有1個(gè)行星齒輪機(jī)構(gòu)(R1/C1/S1)用于動(dòng)力耦合。通過(guò)3個(gè)離合器的控制，可實(shí)現(xiàn)多種不同動(dòng)力傳遞路徑和驅(qū)動(dòng)模式。由于行星齒輪機(jī)構(gòu)能實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速耦合，輸入輸出轉(zhuǎn)速彼此解耦，可實(shí)現(xiàn)更多的動(dòng)力傳遞路徑和驅(qū)動(dòng)模式，動(dòng)力傳遞路徑也更為復(fù)雜。

由表2可知：Volt較i-MMD多出2個(gè)混合驅(qū)動(dòng)模式，當(dāng)SOC偏低時(shí)，系統(tǒng)可根據(jù)車(chē)速、油門(mén)信號(hào)等條件，在混動(dòng)模式1、發(fā)動(dòng)機(jī)定速比驅(qū)動(dòng)、混動(dòng)模式2之中選擇兼顧系統(tǒng)效率和動(dòng)力輸出的模式，從而在任意工況下保證良好的整車(chē)經(jīng)濟(jì)性和動(dòng)力性。根據(jù)前文對(duì)轉(zhuǎn)速耦合的特性分析，可將3種驅(qū)動(dòng)模式的工作原理用圖6示意，其中混動(dòng)模式1、混動(dòng)模式2還具有無(wú)級(jí)變速功能；從圖中3種模式的耦合特性可看出：混動(dòng)模式1、發(fā)動(dòng)機(jī)定速比驅(qū)動(dòng)、混動(dòng)模式2一般用于低、中、高車(chē)速工況。

3機(jī)電耦合系統(tǒng)構(gòu)型評(píng)價(jià)

混合動(dòng)力汽車(chē)發(fā)展的主要優(yōu)勢(shì)和目的是節(jié)能減排，在保證良好的動(dòng)力性前提下盡量降低整車(chē)油耗和排放，因此機(jī)電耦合系統(tǒng)的評(píng)價(jià)主要基于是否有利于優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)的工作狀況，從而降低油耗和排放，同時(shí)保證良好的動(dòng)力性能。

3.1固定軸式機(jī)電耦合系統(tǒng)

采用固定軸式機(jī)電耦合系統(tǒng)的混合動(dòng)力汽車(chē)可實(shí)現(xiàn)的驅(qū)動(dòng)模式較少，主要耦合方式有電耦合和轉(zhuǎn)矩耦合。電耦合時(shí)，可獨(dú)立控制發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行工況，控制發(fā)動(dòng)機(jī)工作在最經(jīng)濟(jì)區(qū)域，但能量經(jīng)2次轉(zhuǎn)化后，總體效率將有所降低。轉(zhuǎn)矩耦合時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩可控，轉(zhuǎn)速不可獨(dú)立控制，因而可以通過(guò)控制電機(jī)轉(zhuǎn)矩，使發(fā)動(dòng)機(jī)工作在經(jīng)濟(jì)區(qū)域；為定速比傳動(dòng)，不可變速，可增加多擋位設(shè)置使發(fā)動(dòng)機(jī)盡量運(yùn)行在更小更精確的經(jīng)濟(jì)區(qū)域。

固定軸式機(jī)電耦合系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，混動(dòng)驅(qū)動(dòng)模式動(dòng)力傳遞路徑比較單一，控制相對(duì)簡(jiǎn)單，傳動(dòng)效率高，也方便在傳統(tǒng)車(chē)現(xiàn)有結(jié)構(gòu)上進(jìn)行改裝。

3.2行星齒輪式機(jī)電耦合系統(tǒng)

采用行星齒輪式機(jī)電耦合系統(tǒng)的混合動(dòng)力汽車(chē)可實(shí)現(xiàn)更多的混合驅(qū)動(dòng)模式，以轉(zhuǎn)速耦合為主，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速可獨(dú)立控制，轉(zhuǎn)矩不可控，可通過(guò)調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速使發(fā)動(dòng)機(jī)工作在經(jīng)濟(jì)區(qū)域，在不改變發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的情況下，也可通過(guò)連續(xù)調(diào)整電機(jī)轉(zhuǎn)速使車(chē)速連續(xù)變化，具有無(wú)級(jí)變速的特性?？赏ㄟ^(guò)實(shí)現(xiàn)不同的混動(dòng)模式，改變動(dòng)力傳遞路徑，以在不同工況均保持較高的系統(tǒng)效率。

行星齒輪式機(jī)電耦合系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和控制相對(duì)復(fù)雜，具有更多的混動(dòng)模式和動(dòng)力傳遞路徑，系統(tǒng)效率可維持在一個(gè)較高的水平，同時(shí)具有無(wú)級(jí)變速功能，無(wú)須再單獨(dú)設(shè)置變速器。

4總結(jié)

基于混合動(dòng)力汽車(chē)實(shí)際搭載應(yīng)用情況，將機(jī)電耦合系統(tǒng)分為固定軸式機(jī)電耦合系統(tǒng)和行星齒輪式機(jī)電耦合系統(tǒng)2大類(lèi)型，基于實(shí)例對(duì)2種構(gòu)型進(jìn)行了耦合方式、工作模式、動(dòng)力傳遞路徑等拓?fù)鋵W(xué)分析，并給出了分析方法。

基于對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)工況的優(yōu)化和系統(tǒng)效率，對(duì)固定軸式機(jī)電耦合系統(tǒng)和行星齒輪式機(jī)電耦合系統(tǒng)進(jìn)行了分析評(píng)價(jià)。2種類(lèi)型的機(jī)電耦合系統(tǒng)均可優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行區(qū)域，但2種構(gòu)型的提升系統(tǒng)效率的方式和控制難易程度則有較大區(qū)別，可根據(jù)實(shí)際使用情況進(jìn)行最優(yōu)選擇。

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Configuration Analysis of Mechatronic Coupling System in Hybrid Electric Vehicle

WU Weili, ZHANG Xiong, LI Dongdong, ZHAO Jiangling

(Automotive Engineering Institute, Guangzhou Automobile Group Co.,Ltd., Guangzhou Guangdong 511434,China)

Keywords:Hybrid electric vehicle；Mechatronic coupling system；Configuration analysis；Fixed-shaft type; Planetary type

Abstract:Based on the actual situation of mechatronic coupling system in hybrid electric vehicle and dynamic coupling device, consulting the definition of transmission, mechatronic coupling system was divided into fixed-shaft type and planetary type. Base on coupling mode, working mode and power transmission path, topology analysis was carried out. Based on the optimization of engine operating conditions and system efficiency, the two basic kinds of mechatronic coupling system were evaluated. The optimal selection could be made according to actual usage.

收稿日期：2016-04-06

作者簡(jiǎn)介：吳為理(1986—)，男，碩士，研究方向?yàn)樾履茉雌?chē)機(jī)電耦合系統(tǒng)。E-mail：524530814@qq.com。

中圖分類(lèi)號(hào):U469.72

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

文章編號(hào)：1674-1986(2016)05-001-04