單行星排式功率分流機電耦合傳動方案

趙江靈，尚 陽，祖國強，蘇倩汝

（1.廣州汽車集團(tuán)股份有限公司 汽車工程研究院，廣州 511434；2.北京航空航天大學(xué) 交通科學(xué)與工程學(xué)院，北京 100191）

開發(fā)混合動力汽車已經(jīng)成為國內(nèi)外各汽車公司的當(dāng)務(wù)之急，這也是各整車廠在2025年前的重點開發(fā)項目?；旌蟿恿C電耦合系統(tǒng)［1-7］的模塊化與專用化設(shè)計不僅可以使成本降低，同時集成式的控制策略也讓整車的動力性和燃油經(jīng)濟性有大幅度的增強。

對于專用混動變速箱（DHT）分串并聯(lián)和功率分流是兩大類別。串并聯(lián)以本田i-MMD為代表，可以通過增程模式，將發(fā)動機的轉(zhuǎn)速和扭矩與整車的需求解耦，讓發(fā)動機一直工作在經(jīng)濟性最優(yōu)的工作點，實現(xiàn)較好的經(jīng)濟性。功率分流以豐田THS系統(tǒng)為代表，通過功率分流模式（ECVT模式），讓發(fā)動機的轉(zhuǎn)速和扭矩與整車的需求解耦，讓發(fā)動機一直工作在經(jīng)濟性最優(yōu)的工作點［8-12］。

串并聯(lián)和功率分流都可以讓發(fā)動機與整車的需求解耦，讓發(fā)動機一直工作在最優(yōu)的工作區(qū)間。串并聯(lián)類的機電耦合系統(tǒng)通過增程模式將發(fā)動機的所有能量轉(zhuǎn)化為電能；功率分流類的機電耦合系統(tǒng)，通過功率分流模式，發(fā)動機的能量一部分產(chǎn)生電能，一部分直接傳遞到輪端。因機械傳遞效率高于電能的轉(zhuǎn)化效率，所以功率分流類的系統(tǒng)效率要高于串并聯(lián)類的機電耦合系統(tǒng)效率。

功率分流機電耦合系統(tǒng)作為新型的高性能動力傳動系統(tǒng)，不僅有利于電機和機械傳動高轉(zhuǎn)速發(fā)展，而且能夠提高功率密度、優(yōu)化各動力源的工作區(qū)域，比其他動力傳動結(jié)構(gòu)具有更大的節(jié)能潛力和更好的發(fā)展前景。

1 功率分流的類型

功率分流機電耦合系統(tǒng)根據(jù)分流方式的不同，可以分為輸入分流式、輸出分流式以及復(fù)合分流式［13-16］。

1.1 輸入功率分流

1）行星齒輪機構(gòu)位于傳動系統(tǒng)輸入端；

2）發(fā)動機、發(fā)電機、輸出軸分別與行星齒輪相連；

3）驅(qū)動電機與輸出軸以扭矩耦合方式連接。

輸入功率分流代表為豐田的THS系統(tǒng)，該類型系統(tǒng)高速模式會產(chǎn)生功率循環(huán)，適合低速模式。

1.2 輸出功率分流

1）行星齒輪機構(gòu)位于傳動系統(tǒng)輸出端；

2）發(fā)動機、驅(qū)動電機、輸出軸分別與行星齒輪機構(gòu)相連。

輸出功率分流的代表為通用VOLTEC-Ⅰ，該類型系統(tǒng)與輸入分流式相反，適合高速模式。

1.3 復(fù)合功率分流

1）采用兩個或多個行星齒輪機構(gòu)置于傳動系統(tǒng)輸入端與輸出端；

2）發(fā)電機、驅(qū)動電機分別與行星齒輪機構(gòu)相連。

復(fù)合功率分流的代表為科力遠(yuǎn)的CHS系統(tǒng)，該類型系統(tǒng)兩個機械點之間系統(tǒng)效率高，遠(yuǎn)離兩個機械點系統(tǒng)效率變低。

根據(jù)包含動力分流模式的數(shù)量，也可以將功率分流系統(tǒng)分為單模系統(tǒng)和雙模系統(tǒng)。如豐田的THS系統(tǒng)為單模系統(tǒng)，通用的VOLTEC-Ⅱ為雙模系統(tǒng)。

雙模系統(tǒng)，多組行星排的組合使系統(tǒng)獲得了更大的速比范圍以及更多的工作模式，實現(xiàn)了動力性與燃油經(jīng)濟性的提升。結(jié)構(gòu)復(fù)雜，控制難度較高，成本較高。

如圖1所示，功率分流系統(tǒng)不僅可以實現(xiàn)無級變速，還可以將動力源轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩與車輛負(fù)載轉(zhuǎn)矩、車速的解耦，即動力源轉(zhuǎn)速不受車輛負(fù)載轉(zhuǎn)矩、車速的約束，讓發(fā)動機一直在最優(yōu)的工作點工作。

圖1 功率分流對動力源的效率優(yōu)化

雖然行星排的增加實現(xiàn)了系統(tǒng)速比范圍及動力性與燃油經(jīng)濟性的提升，但其復(fù)雜的控制策略以及大幅增加的成本同樣是亟需解決的問題。表1是各類系統(tǒng)的優(yōu)缺點對比。E-CVT技術(shù)已經(jīng)較為成熟，在空間占有率、節(jié)油率上有一定優(yōu)勢，但其依然存在開發(fā)難度大、成本較高的問題。

表1 各類型混合動力機電耦合系統(tǒng)的優(yōu)缺點對比

2 行星齒輪的連接及效率分析

2.1 行星齒輪的連接關(guān)系

行星齒輪機構(gòu)包含3個構(gòu)件，分別是太陽輪、行星架、齒圈。機電耦合系統(tǒng)一般也包含兩個動力源，即發(fā)動機、電機。所以，發(fā)動機和電機與行星齒輪機構(gòu)的連接方式也有多種組合。

表2 行星齒輪與動力源的連接關(guān)系

行星齒輪機構(gòu)包含3個構(gòu)件，也可以通過固定某個構(gòu)件，實現(xiàn)某些功能。行星排的特征參數(shù)是指齒圈的齒數(shù)與太陽的齒數(shù)之比用i0表示，i0的取值范圍一般是1.5～6。

2.1.1 太陽輪固定

行星架主動，齒圈被動，行星架到齒圈的速比為：

齒圈主動，行星架被動，齒圈到行星架的速比為：

太陽輪固定，齒圈和行星架2個構(gòu)件轉(zhuǎn)速方向相同。

2.1.2 行星架固定

太陽輪主動，齒圈被動，太陽輪到齒圈的速比為：

齒圈主動，太陽輪被動，齒圈到太陽輪的速比為：

行星架固定，太陽輪和齒圈2個構(gòu)件轉(zhuǎn)速方向相反。

2.1.3 內(nèi)齒圈固定

太陽輪主動，行星架被動，太陽輪到行星架的速比為：

行星架主動，太陽輪被動，行星架到太陽輪的速比為：

內(nèi)齒圈固定，太陽輪和行星架2個構(gòu)件轉(zhuǎn)速方向相同。

2.2 行星齒輪的傳遞效率分析

行星輪式混聯(lián)系統(tǒng)有3種能量傳遞方式：

1）直接機械能傳遞方式，由行星機構(gòu)將機械能直接傳遞到輪端。

行星齒輪機構(gòu)可能是固定某個構(gòu)件，或者通過離合器，讓行星排整體旋轉(zhuǎn)。發(fā)動機的動力由行星機構(gòu)將機械能直接傳遞到輪端。此時發(fā)動機的速比是固定速比。系統(tǒng)的效率為：

按照兩級傳遞，η1、η2為每級齒輪的效率，按照99%計算。

2）直接電能傳遞方式，該傳遞不通過電池存儲。此時，發(fā)電機所發(fā)的電量剛好滿足驅(qū)動電機的需求。系統(tǒng)為功率分流模式（ECVT）或增程模式，發(fā)動機帶動發(fā)電機發(fā)電，所發(fā)的電直接供給驅(qū)動電機使用。此時，系統(tǒng)的效率為兩個電機效率的乘積：

式中：ηE1為發(fā)電機充電效率；ηE2為驅(qū)動電機驅(qū)動效率，取88%（含控制器的效率）。

3）緩存電能傳遞方式，能量通過發(fā)電機、電池、驅(qū)動電機再到車輪。電池起緩存作用，低負(fù)荷發(fā)電高負(fù)荷使用。系統(tǒng)為功率分流模式（ECVT）或增程模式，此時系統(tǒng)的效率為：

式中：ηE1為發(fā)電機充電效率；ηB1為電池充電效率；ηB2為電池放電效率；ηE2為驅(qū)動電機驅(qū)動效率。ηE1、ηE2取88%（含控制器的效率），ηB1、ηB2取97.5%。

如圖2所示，從系統(tǒng)傳遞效率來分析，方案1的效率最高。但在實際使用中還需考慮發(fā)動機的效率。方案1中發(fā)動機的速比是固定速比，發(fā)動機的動力與輪端需求相關(guān)聯(lián)，發(fā)動機的效率為非最優(yōu)工作點。方案2和方案3屬于功率分流模式（ECVT），可以通過電機調(diào)節(jié)發(fā)動機的轉(zhuǎn)速和扭矩讓發(fā)動機工作在最優(yōu)工作點。所以，我們需要根據(jù)工況實時調(diào)整控制策略，讓整車的經(jīng)濟性達(dá)到最優(yōu)。

圖2 行星齒輪能量傳遞方式

3 豐田THS構(gòu)型演變分析

以豐田THS-Ⅰ～THS-Ⅳ為例，分析豐田THS系統(tǒng)的機構(gòu)特點及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)演變原因。如表3所示，豐田THS-Ⅰ～THS-Ⅳ，第1個行星排的連接關(guān)系沒有變化，一直是發(fā)動機連接行星架，發(fā)電機連接太陽輪，齒圈輸出。豐田THS-Ⅰ～THS-Ⅳ，只是驅(qū)動電機的連接關(guān)系有變化。

1）THS-Ⅰ／Ⅱ，驅(qū)動電機連接行星排的齒圈，驅(qū)動電機到輪端的速比為4.113，速比小。所以驅(qū)動電機的扭矩需求大，轉(zhuǎn)速低。

2）THS-Ⅲ，驅(qū)動電機通過行星排減速（固定行星架），驅(qū)動電機到輪端的速比為8.615，提高速比，降低系統(tǒng)對驅(qū)動電機的扭矩需求，提高了對最高轉(zhuǎn)速的需求。

3）THS-Ⅳ，驅(qū)動電機通過定軸齒輪與中間軸嚙合，驅(qū)動電機的速比為10，進(jìn)一步提高速比，降低系統(tǒng)對驅(qū)動電機的扭矩需求，提高了對最高轉(zhuǎn)速的需求。

綜上所述，THS-Ⅰ～THS-Ⅳ演變的一個重要原因就是提高驅(qū)動電機到輪端的速比，減小驅(qū)動電機的扭矩，提高驅(qū)動電機的轉(zhuǎn)速。因電機的大小與扭矩正相關(guān)，所以減小扭矩需求，可以降低電機的尺寸和成本，也可以提高系統(tǒng)的效率。

針對豐田THS-Ⅲ與THS-Ⅳ進(jìn)行了詳細(xì)計算，結(jié)果如表4所示。

1）從純電動計算結(jié)果可以看出：驅(qū)動電機的扭矩由200 N·m降低到163 N·m，差速器輸出端的扭矩可以維持在1 600 N·m左右，通過調(diào)節(jié)驅(qū)動電機的速比，對純電動的動力性無明顯影響；

2）從混動模式急加速工況可以看出：驅(qū)動電機的扭矩由200 N·m降低到163 N·m，差速器輸出端的扭矩可以維持在1 950 N·m左右，通過調(diào)節(jié)驅(qū)動電機的速比，對混動的動力性無明顯影響；

3）從混動模式高速工況可以看出：通過調(diào)節(jié)驅(qū)動電機的最高轉(zhuǎn)速，可以彌補因為增加驅(qū)動電機速比，帶來對最高車速的限制。

表3 豐田THS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特點分析

表4 THS-Ⅲ與THS-Ⅳ計算對比

4 功率回流及解決方案

4.1 功率分流的控制方法

功率分流的控制的核心思想是在每一個特定工況滿足整車需求的情況下，通過協(xié)調(diào)發(fā)動機與電機的功率輸出，達(dá)到最大程度上的節(jié)能減排。

功率分流混動系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)控制就是對發(fā)動機目標(biāo)工作點（轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩）的控制。E-CVT的穩(wěn)態(tài)控制可以實現(xiàn)車輛燃油經(jīng)濟性的提升以及實現(xiàn)車輪對駕駛員操作的響應(yīng)。圖3為發(fā)動機目標(biāo)工作點的確定方法。

混動車輛結(jié)構(gòu)與控制策略比較復(fù)雜，因此混動系統(tǒng)參數(shù)的匹配與優(yōu)化是目前研究和開發(fā)的重點。

4.2 功率回流問題闡述

豐田的THS系統(tǒng)一直堅持不使用離合器和制動器，結(jié)構(gòu)簡單。該系統(tǒng)在Prius的車型上，也取得了較好的節(jié)油效果。因無離合器等執(zhí)行元件，系統(tǒng)工作模式少，只有純電動模式、功率分流（ECVT）模式和制動能量回收3種模式。

在理想情況下，發(fā)動機的動力分兩種路徑傳遞：①發(fā)動機部分能量帶動發(fā)電機發(fā)電，將電能存儲在動力電池中；②發(fā)動機部分能量直接驅(qū)動車輛。驅(qū)動電機則通過動力電池提供的電能驅(qū)動車輛。

圖3 發(fā)動機目標(biāo)工作點的確定方法

當(dāng)整車功率需求較小時，THS系統(tǒng)的發(fā)電機為了平衡發(fā)動機的動力，發(fā)電機驅(qū)動，驅(qū)動電機發(fā)電，有一部分通過驅(qū)動電機發(fā)電給發(fā)電機平衡發(fā)動機的動力，從而形成功率回流。系統(tǒng)的功率回流會降低系統(tǒng)的效率。

功率回流的根本原因是發(fā)動機采用功率跟隨控制，即輪端的功率主要來源于發(fā)動機和電池，一直循環(huán)的那部分功率主要是為了行星齒輪系統(tǒng)的平衡。

4.3 規(guī)避功率回流的方法

功率回流會降低系統(tǒng)的效率，影響整車的燃油經(jīng)濟性能。一般有以下方法解決功率回流問題。

4.3.1 不改機電耦合系統(tǒng)構(gòu)型

1）優(yōu)化行星齒輪特征參數(shù)（K值），可以改善回流的工作區(qū)間；

2）優(yōu)化行星機構(gòu)到差速器輸出端速比。

4.3.2 改構(gòu)型

1）增加行星排（如通用Voltec系統(tǒng)）或使用復(fù)合行星排（科力遠(yuǎn)CHS系統(tǒng)）。如通用Voltec方案所示，通過增加行星排，增加ECVT模式，避免功率回流。

2）增加兩擋，降低齒圈轉(zhuǎn)速。如圖6所示，豐田基于THS系統(tǒng)，在混動系統(tǒng)后端增加2AT或4AT的方式，增加ECVT模式和發(fā)動機直驅(qū)模式，提高系統(tǒng)的效率。

圖6 豐田L(fēng)exusGS450h混動方案

5 結(jié)束語

全球新能源汽車機電耦合系統(tǒng)存在多種技術(shù)方案，如以P0～P4為代表的單電機耦合系統(tǒng)、以本田i-MMD為代表的串并聯(lián)式機電耦合系統(tǒng)、以豐田THS為代表的功率分流式機電耦合系統(tǒng)、在后驅(qū)或四輪驅(qū)動平臺上應(yīng)用的縱向布置機電耦合系統(tǒng)，其主要發(fā)展趨勢為集成化和系統(tǒng)效率最優(yōu)化。

功率分流類機電耦合系統(tǒng)是重要的發(fā)展方向，對行星排的連接方案的分析、能量傳遞和效率分析有利于開發(fā)功率分流類的機電耦合系統(tǒng)。對豐田功率分流系統(tǒng)結(jié)構(gòu)演變原因的分析，有助于更好地了解功率分流類的機電耦合系統(tǒng)。提出豐田功率分流系統(tǒng)存在的問題及解決方案，為開發(fā)功率分流系統(tǒng)提供一些思路。

在設(shè)計功率分流機電耦合系統(tǒng)時，不僅要考慮發(fā)動機、發(fā)電機、驅(qū)動電機與行星齒輪的連接關(guān)系，還需要考慮所組成的系統(tǒng)是否會形成功率回流。通過傳動方案設(shè)計和參數(shù)匹配優(yōu)化，盡量避免系統(tǒng)功率回流，從而提高系統(tǒng)的效率，改善整車的燃油經(jīng)濟性能。