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    雙電機(jī)混合動(dòng)力電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)模式分析

    2017-07-18 11:48:28徐東
    關(guān)鍵詞:輪系行星發(fā)電機(jī)

    徐東

    (無錫商業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院汽車技術(shù)學(xué)院,江蘇無錫 214153)

    雙電機(jī)混合動(dòng)力電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)模式分析

    徐東

    (無錫商業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院汽車技術(shù)學(xué)院,江蘇無錫 214153)

    混合動(dòng)力汽車是目前最為現(xiàn)實(shí)和可行的節(jié)能汽車車型,為了提高混合動(dòng)力汽車的燃油經(jīng)濟(jì)性和排放性,簡(jiǎn)化動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu),對(duì)雙電機(jī)混合動(dòng)力電動(dòng)汽車的驅(qū)動(dòng)模式進(jìn)行了分析。分析表明雙電機(jī)全功能混合動(dòng)力驅(qū)動(dòng)技術(shù),可靈活地根據(jù)工況來調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)的功率輸出和電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)。八種模式轉(zhuǎn)換行駛充分利用了發(fā)動(dòng)機(jī)和電池的高效率區(qū),使其整體效能達(dá)到最高,適用于多種類型的混合動(dòng)力汽車。

    混合動(dòng)力;電動(dòng)汽車;電機(jī);驅(qū)動(dòng)模式

    電能作為未來汽車的動(dòng)力之源,能實(shí)現(xiàn)高能效比及零排放,是一種相當(dāng)理想的能源。但由于目前電池及電機(jī)技術(shù)的限制,使得純電動(dòng)汽車在續(xù)航里程及能源補(bǔ)充時(shí)間上都比不上傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)汽車。再加上純電動(dòng)車充電設(shè)施暫未完善,使得純電動(dòng)汽車暫不能普及。為了應(yīng)對(duì)純電動(dòng)汽車充電時(shí)間長(zhǎng)和續(xù)航里程短的缺點(diǎn),各汽車公司紛紛推出了混合動(dòng)力汽車?;旌蟿?dòng)力汽車能夠有效降低汽車的排放,同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)與傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車相同的續(xù)航里程?;旌蟿?dòng)力汽車的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中加入了驅(qū)動(dòng)電機(jī),發(fā)動(dòng)機(jī)工作在最高效率區(qū),通過對(duì)電機(jī)的控制來實(shí)現(xiàn)汽車運(yùn)行工況的變化,從而達(dá)到節(jié)能減排的目的。

    一、混合動(dòng)力汽車動(dòng)力系統(tǒng)連接方式

    混合動(dòng)力汽車按照其動(dòng)力系統(tǒng)的連接方式可分為串聯(lián)、并聯(lián)和混聯(lián)三種形式。串聯(lián)式混合動(dòng)力汽車僅由電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)車輛行駛,發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力并未用于驅(qū)動(dòng)車輪,而只是帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。串聯(lián)式混合動(dòng)力汽車存在能量轉(zhuǎn)換損失,能量利用率低,一般用于城市公交車。并聯(lián)式混合動(dòng)力汽車的發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)均可為汽車提供驅(qū)動(dòng)力,發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)可以各自獨(dú)立驅(qū)動(dòng)車輛行駛,也可以協(xié)同工作,共同驅(qū)動(dòng)車輛。目前,并聯(lián)混合動(dòng)力車型多用于微混合與輕混合車輛,電動(dòng)機(jī)多用于車輛起步和大負(fù)荷行駛時(shí)輔助發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)?;炻?lián)式混合動(dòng)力汽車以電機(jī)為主要驅(qū)動(dòng)力,發(fā)動(dòng)機(jī)為輔助驅(qū)動(dòng)力,電動(dòng)機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)都可單獨(dú)驅(qū)動(dòng)汽車行駛也可共同驅(qū)動(dòng)汽車行駛?;炻?lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、技術(shù)難度大,但其兼有串聯(lián)混合系統(tǒng)和并聯(lián)混合系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn),既提高了燃油經(jīng)濟(jì)性又能保證汽車的動(dòng)力性,已經(jīng)成為混合動(dòng)力汽車的主流形式。豐田普銳斯、凱美瑞尊瑞、雷克薩斯CT200h、比亞迪秦、上汽榮威E550等車型都使用了混聯(lián)式結(jié)構(gòu)。

    二、混聯(lián)式混合動(dòng)力汽車關(guān)鍵技術(shù)

    混動(dòng)技術(shù)最初采用的是一個(gè)行星齒輪組,將電機(jī)與曲軸直接連接,這種系統(tǒng)無法純電動(dòng)行駛,弊端是發(fā)動(dòng)機(jī)或電動(dòng)機(jī)無法保證同時(shí)在最佳工況下工作。或者采用“串聯(lián)+發(fā)動(dòng)機(jī)直驅(qū)”加上離合器,這套機(jī)構(gòu)的原理簡(jiǎn)單,但是僅在內(nèi)燃機(jī)和變速器之間安裝驅(qū)動(dòng)電機(jī)是不能完全實(shí)現(xiàn)混合動(dòng)力汽車功能的。目前混聯(lián)式混動(dòng)系統(tǒng)則是由兩組電機(jī)、兩組行星輪和三組離合器組成?;炻?lián)式混動(dòng)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)純電動(dòng)模式(低負(fù)荷行駛)、混動(dòng)模式(低負(fù)荷行駛)、混動(dòng)模式(高負(fù)荷行駛)、能量回收模式(減速—制動(dòng))四種動(dòng)力輸出方式,其結(jié)構(gòu)相對(duì)比較復(fù)雜。

    目前汽車公司主推的插電式混合動(dòng)力汽車可通過電網(wǎng)進(jìn)行充電,具有節(jié)能效果好、排放污染小、續(xù)航里程長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn),是目前最具應(yīng)用前景的新能源汽車車型。插電式混合動(dòng)力汽車對(duì)于控制電機(jī)的可靠性、功率與運(yùn)行精度要求非常高,是一款雙行星齒輪系、雙電機(jī)混合動(dòng)力系統(tǒng)。混合動(dòng)力、增程器、純電動(dòng)汽車等新技術(shù)的應(yīng)用,使得混合動(dòng)力汽車的混合度不斷加強(qiáng)。發(fā)動(dòng)機(jī)大多數(shù)時(shí)候都工作在最高效率區(qū),在汽車高負(fù)荷行駛時(shí),通過驅(qū)動(dòng)電機(jī)將動(dòng)力電池的電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能,協(xié)同發(fā)動(dòng)機(jī)提高驅(qū)動(dòng)力。

    綜上所述,要實(shí)現(xiàn)多功能、多用途,輕混、重混、插電、純電動(dòng)全功能覆蓋,混合動(dòng)力電動(dòng)汽車的動(dòng)力系統(tǒng)離不開雙電機(jī)、雙行星齒輪系結(jié)構(gòu),它具有減速、多動(dòng)力耦合和離合器的作用,只要恰當(dāng)使用鎖止制動(dòng)器,整體自動(dòng)變速混合系統(tǒng)就可以得到多個(gè)解決方案。

    三、雙電機(jī)混合動(dòng)力汽車驅(qū)動(dòng)模式

    在雙電機(jī)混合動(dòng)力電動(dòng)汽車的動(dòng)力系統(tǒng)中,將發(fā)動(dòng)機(jī)主軸與第一級(jí)行星輪系中的內(nèi)齒圈輪相連接,第一級(jí)行星輪系中的星輪架與第二級(jí)行星輪系中的太陽輪通過傳動(dòng)軸相連接,MG1電機(jī)/發(fā)電機(jī)與第一級(jí)行星輪系中的太陽輪相連接,MG2電機(jī)與第二級(jí)行星輪系中的內(nèi)齒圈相連接,第二級(jí)行星輪系中星輪架與輸出軸差速器相連接,離合器S1、S2、S3、S4控制機(jī)構(gòu)的鎖止和放開,由此組成雙電機(jī)全功能混合動(dòng)力系統(tǒng)(見圖1),從而得到不同的驅(qū)動(dòng)模式。

    (一)MG1電機(jī)/發(fā)電機(jī)啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)與發(fā)電模式

    如圖1所示,放開S1、S4,鎖止S2、S3,使得第一級(jí)行星輪系中的星輪架與第二級(jí)行星輪系中的太陽輪相連接,傳動(dòng)軸固定不轉(zhuǎn)動(dòng),開啟MG1電機(jī)/發(fā)電機(jī),太陽輪齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)行星輪齒輪,行星輪齒輪帶動(dòng)齒圈至發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng),發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)之后MG1電機(jī)/發(fā)電機(jī)可以發(fā)電,對(duì)電池組進(jìn)行充電,發(fā)動(dòng)機(jī)可設(shè)定在最佳轉(zhuǎn)速、最佳扭矩和最佳油耗狀態(tài)下工作。

    圖1 MG1電機(jī)/發(fā)電機(jī)啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)

    (二)MG1電機(jī)/發(fā)電機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)混合變速驅(qū)動(dòng)模式

    如圖2所示,啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)后,鎖止S3,放開S4,MG1電機(jī)/發(fā)電機(jī)反轉(zhuǎn)速度與發(fā)電時(shí)的速度相對(duì)一致,發(fā)動(dòng)機(jī)參與起步,完全規(guī)避了發(fā)動(dòng)機(jī)中低速的運(yùn)轉(zhuǎn)區(qū)間。在發(fā)動(dòng)機(jī)保持發(fā)電的恒定轉(zhuǎn)速下,MG1電機(jī)/發(fā)電機(jī)將反向速度逐漸降低至零隨即正向轉(zhuǎn)動(dòng),通過與發(fā)動(dòng)機(jī)同時(shí)驅(qū)動(dòng)或通過傳動(dòng)軸將動(dòng)力傳至輸出軸差速器,驅(qū)動(dòng)車輪完成汽車起步。MG1電機(jī)/發(fā)電機(jī)從反轉(zhuǎn)速度逐漸降低至零再轉(zhuǎn)化為正轉(zhuǎn)而且不斷提高轉(zhuǎn)速,這就是汽車加速的過程。在對(duì)加速性要求不高的場(chǎng)合,汽油發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)耦合工作,提供可與汽油發(fā)動(dòng)機(jī)相當(dāng)?shù)能囕v起步性能。在制動(dòng)時(shí),MG1電機(jī)/發(fā)電機(jī)能回收大部分制動(dòng)能量,并將其貯存起來供加速時(shí)再用,又能在車輛高速行駛狀態(tài)下提高車輛的加速性能。從而充分利用發(fā)動(dòng)機(jī)的高效率工況,以實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的目的。

    圖2 MG1電機(jī)/發(fā)電機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)混合驅(qū)動(dòng)

    (三)MG2電機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)混合變速驅(qū)動(dòng)模式

    如圖3所示,啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)后,S1、S2、S3、S4全放開,MG1電機(jī)/發(fā)電機(jī)反轉(zhuǎn)速度與發(fā)電時(shí)的速度一致,發(fā)動(dòng)機(jī)保持發(fā)電的轉(zhuǎn)速,將MG1電機(jī)/發(fā)電機(jī)反轉(zhuǎn)速度逐漸降低至零即把S4鎖止,此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)車輛行駛,在MG1電機(jī)/發(fā)電機(jī)反轉(zhuǎn)速度逐漸降低至零時(shí),MG2電機(jī)也從靜止不斷提高轉(zhuǎn)速,汽車開始加速。此后,MG2電機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)混合變速驅(qū)動(dòng)汽車。汽車高速行駛工況下,發(fā)動(dòng)機(jī)、電動(dòng)機(jī)雙動(dòng)力驅(qū)動(dòng)車輛。在制動(dòng)時(shí),MG2電機(jī)能回收大部分制動(dòng)能量,并將其向動(dòng)力電池充電,沒有功率浪費(fèi)的問題。

    圖3 MG2電機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)混合驅(qū)動(dòng)

    (四)強(qiáng)混模式、雙電機(jī)多擋位發(fā)動(dòng)機(jī)混合變速驅(qū)動(dòng)

    如圖4所示,啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)后,S1、S2、S4全放開,S3鎖止,使得第一級(jí)行星輪系中的星輪架與第二級(jí)行星輪系中的太陽輪相連接,傳動(dòng)軸固定不轉(zhuǎn)動(dòng),切斷兩級(jí)行星輪系的關(guān)聯(lián),讓其各自運(yùn)轉(zhuǎn)。在MG1電機(jī)/發(fā)電機(jī)反轉(zhuǎn)速度與發(fā)電時(shí)的速度一致時(shí),發(fā)動(dòng)機(jī)保持發(fā)電的轉(zhuǎn)速,MG1電機(jī)/發(fā)電機(jī)反轉(zhuǎn)速度逐漸降低至零隨即正向轉(zhuǎn)動(dòng),同時(shí),MG2電機(jī)也從靜止不斷提高轉(zhuǎn)速(放開S3),汽車開始加速。在整個(gè)過程中,通過MG1電機(jī)和MG2電機(jī)分別呈相反方向的旋轉(zhuǎn)來驅(qū)動(dòng)車輛起步。車輛急加速時(shí),發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)同時(shí)輸出動(dòng)力驅(qū)動(dòng)車輛行駛,實(shí)現(xiàn)最大動(dòng)力輸出。MG1電機(jī)/發(fā)電機(jī)配置功率比MG2電機(jī)功率小,而兩電機(jī)各自有合適的傳動(dòng)比,再加上兩種耦合的疊加傳動(dòng)比,即可有多個(gè)擋位使用。每個(gè)擋位都能使功率與速度對(duì)應(yīng),各電機(jī)在高效率區(qū)轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)使用,物盡其用,能量回收盡可能在高效率區(qū),續(xù)航里程大幅提高。在此模式中雙電機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)可共同參與加速,加速度最大,加速時(shí)間最短,超車加速能力最強(qiáng),同時(shí)可達(dá)到最高速度。汽車行駛工況變化時(shí),電動(dòng)機(jī)輸出的動(dòng)力與汽車行駛阻力保持平衡,從而使動(dòng)力系統(tǒng)工作在高效率區(qū)。動(dòng)力系統(tǒng)根據(jù)汽車行駛工況的變化來調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率和電機(jī)的轉(zhuǎn)數(shù)和扭矩。全功能混合動(dòng)力技術(shù)是目前最新的混動(dòng)技術(shù),可靠性也更高。整車控制器通過扭矩傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)汽車的行駛工況,來判斷是否需要啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī),對(duì)車輛純發(fā)動(dòng)機(jī)模式、純電動(dòng)模式和混動(dòng)驅(qū)動(dòng)模式進(jìn)行精確的判斷,并且不受車輛行駛速度的限制,既能在低速行駛時(shí)保證足夠的驅(qū)動(dòng)力,又能在高速行駛時(shí),提高車輛的燃油經(jīng)濟(jì)性,同時(shí)提高車輛的加速性能,這是一種比較完美的組合。

    圖4 雙電機(jī)多擋位發(fā)動(dòng)機(jī)混合驅(qū)動(dòng)

    (五)MG1電機(jī)/發(fā)電機(jī)純電動(dòng)驅(qū)動(dòng)模式

    如圖5所示,S2、S4放開,S1、S3鎖止,由MG1電機(jī)/發(fā)電機(jī)完成啟動(dòng)、停止、速度調(diào)節(jié)。車輛制動(dòng)時(shí)回饋發(fā)電,并將其存儲(chǔ)在動(dòng)力電池中。MG1電機(jī)/發(fā)電機(jī)配置功率比MG2電機(jī)功率小,特別適合在城市道路上,對(duì)加速性要求不太高或輕載的場(chǎng)合行駛。

    圖5 MG1電機(jī)/發(fā)電機(jī)純電動(dòng)驅(qū)動(dòng)

    (六)增程式發(fā)電、MG2電機(jī)純電動(dòng)驅(qū)動(dòng)模式

    如圖6所示,啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)后,MG2電機(jī)從靜止不斷提高轉(zhuǎn)速,汽車開始加速。S3保持鎖止?fàn)顟B(tài),即兩組行星輪系動(dòng)力相隔開。MG1電機(jī)/發(fā)電機(jī)發(fā)電與MG2電機(jī)驅(qū)動(dòng)互不干擾,啟動(dòng)、停止、速度的快慢,整個(gè)行駛過程由MG2電機(jī)驅(qū)動(dòng),中高速時(shí)使用回饋制動(dòng),由MG2電機(jī)回收能量,向電池組充電,并將其暫時(shí)貯存起來供加速時(shí)再用。通過系統(tǒng)優(yōu)化控制,實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)的高效率工作。即使車輛行駛在城市擁堵路段,也能夠降低燃油消耗。當(dāng)車輛采用增程式驅(qū)動(dòng)模式時(shí),可以保證車輛的續(xù)航里程,而且發(fā)動(dòng)機(jī)工作在高效率、低油耗、低噪音的最佳工作狀態(tài),排放低、動(dòng)力強(qiáng)。而且車輛消耗的電能都來源于發(fā)動(dòng)機(jī)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電,補(bǔ)充能源時(shí)不需向動(dòng)力電池充電,只需向油箱加油即可。

    圖6 MG2電機(jī)純電動(dòng)驅(qū)動(dòng)(增程發(fā)電)

    (七)雙電機(jī)多擋位變速驅(qū)動(dòng)純電動(dòng)模式

    在該系統(tǒng)裝置中,MG1電機(jī)/發(fā)電機(jī)與第二級(jí)行星輪系中星輪架輸出軸的傳動(dòng)比比MG2電機(jī)與第二級(jí)行星輪系中星輪架輸出軸的傳動(dòng)比大。在保證動(dòng)力輸出的條件下,系統(tǒng)可根據(jù)車輛行駛工況的變化,使電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)力與車輛行駛阻力始終保持平衡,從而保證車輛的高效率行駛。如圖7所示,在純電動(dòng)模式下,系統(tǒng)由MG1電機(jī)/發(fā)電機(jī)和MG2電機(jī)共同參與起步并根據(jù)不同需要,采用不同擋位行駛。每個(gè)檔位都有相對(duì)應(yīng)的傳動(dòng)比,通過MG1電機(jī)/發(fā)電機(jī)和MG2電機(jī)的相互配合可以實(shí)現(xiàn)四種工作狀態(tài):MG1電機(jī)/發(fā)電機(jī)反轉(zhuǎn)、MG2電機(jī)正轉(zhuǎn);MG1電機(jī)/發(fā)電機(jī)正傳、MG2電機(jī)停轉(zhuǎn);MG2電機(jī)正轉(zhuǎn)、MG1電機(jī)/發(fā)電機(jī)停轉(zhuǎn);MG1電機(jī)/發(fā)電機(jī)、MG2電機(jī)均正轉(zhuǎn)。這樣就可以實(shí)現(xiàn)較高的傳動(dòng)效率和更多的擋位及更寬范圍的傳動(dòng)比,降低車輛對(duì)MG2電機(jī)功率及速度等級(jí)的要求,爬坡有力,中高速行駛動(dòng)力性強(qiáng)。

    圖7 雙電機(jī)多擋位純電動(dòng)驅(qū)動(dòng)

    (八)純發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)

    在電池組電力不足時(shí),為了避免電池組電量過度損耗,降低電池組壽命,此時(shí)不使用電機(jī)驅(qū)動(dòng)。在公路上巡航時(shí)讓發(fā)動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng),可以一直工作在最佳工作模式,沒有功率浪費(fèi)的問題,如圖8所示。制動(dòng)時(shí)根據(jù)速度的不同,MG1電機(jī)/發(fā)電機(jī)MG2電機(jī)分別或共同回饋發(fā)電,并將其存儲(chǔ)在動(dòng)力電池中。

    圖8 純發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)

    四、結(jié)語

    雙電機(jī)全功能混合動(dòng)力驅(qū)動(dòng)技術(shù),避免了使用體積大的離合器,采用相對(duì)耐用的鎖止制動(dòng)器,有效地減少了零部件的數(shù)量和重量,更減少了維修的次數(shù)與時(shí)間。不同擋位、八種模式轉(zhuǎn)換行駛使得電氣系統(tǒng)、液壓控制系統(tǒng)可得到最簡(jiǎn)化的配置。在各種狀態(tài)下,發(fā)動(dòng)機(jī)、電機(jī)分別都能在高效率區(qū)內(nèi)工作。動(dòng)力系統(tǒng)根據(jù)汽車行駛工況的變化來靈活調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率和電機(jī)的轉(zhuǎn)數(shù)和扭矩??刂破骺梢造`活地根據(jù)不同需要駕馭車輛。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在采用集成化和智能化的控制策略后適應(yīng)性更強(qiáng),可應(yīng)用于多種類型的混合動(dòng)力汽車。

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    (編輯:林鋼)

    Drive Mode of Double-motor Hybrid Electric Vehicles:An Analysis

    XU Dong
    (School of Automotive Technology,Wuxi Institute of Commerce,Wuxi 214153,China)

    Hybrid vehicles are currently the most practical and feasible energy-efficient models,therefore,in order to improve their fuel economy and exhaust emission standard,and simplify their structure of power system, this paper analyzes the drive mode of double-motor hybrid electric vehicles.The analysis shows that the dualmotor full-featured hybrid drive technology can flexibly adjust the engine power output and motor operation according to working conditions,and that the eight switch modes of driving system,making full use of the efficient range of the engine and battery and achieving the best overall performance,are suitable for a wide range of hybrid vehicles.

    hybrid power;electric car;electric motor;drive mode

    U 469.7

    A

    1671-4806(2017)03-0097-04

    2017-02-07

    徐東(1980—),男,遼寧遼陽人,講師,碩士,研究方向?yàn)樾履茉雌嚰夹g(shù)。

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