混合動(dòng)力汽車雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)技術(shù)分析

伍慶龍 張?zhí)鞆?qiáng) 楊鈁

（中國(guó)第一汽車集團(tuán)有限公司 新能源開發(fā)院，長(zhǎng)春 130013）

主題詞：混合動(dòng)力汽車 雙電機(jī)系統(tǒng) 工作模式 控制策略

1 前言

為了有效降低汽車燃油消耗量和尾氣排放，滿足雙積分政策的要求，越來(lái)越多的汽車廠商進(jìn)行推廣和研發(fā)混合動(dòng)力汽車?；旌蟿?dòng)力汽車?yán)秒姵亟o電機(jī)提供動(dòng)力來(lái)源，并通過(guò)電機(jī)來(lái)調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)的工作點(diǎn)，可以有效降低油耗和排放，進(jìn)一步提高整車動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性[1-2]。同時(shí)，混合動(dòng)力汽車?yán)秒姍C(jī)制動(dòng)，借助新增零部件，可以進(jìn)行有效的能量回收和能量管理，不同的混合動(dòng)力系統(tǒng)構(gòu)型方案可以實(shí)現(xiàn)不同的扭矩分配功能[3]。在構(gòu)型方案上，混合動(dòng)力汽車可以采用單電機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)構(gòu)型也可以采用雙電機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)構(gòu)型，而深混的混合動(dòng)力系統(tǒng)多采用雙電機(jī)構(gòu)型，以便實(shí)現(xiàn)全部的混合動(dòng)力功能，比如串聯(lián)功能、并聯(lián)功能和串并聯(lián)混合功能等。本文通過(guò)對(duì)兩款典型的雙電機(jī)系統(tǒng)車型進(jìn)行技術(shù)分析，包括構(gòu)型方案、系統(tǒng)功能及工作模式等，旨在為后續(xù)混合動(dòng)力系統(tǒng)開發(fā)提供借鑒意義。

2 本田i-MMD雙電機(jī)系統(tǒng)構(gòu)型

本田雅閣i-MMD（Intelligent Multi-Mode Drive）系統(tǒng)技術(shù)方案結(jié)構(gòu)如圖1所示[4]，其動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)主要包括2.0 L發(fā)動(dòng)機(jī)、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、發(fā)電機(jī)、離合器以及傳動(dòng)機(jī)構(gòu)等。其中，驅(qū)動(dòng)電機(jī)、發(fā)電機(jī)以及離合器集成形成了電動(dòng)耦合e-CVT，取代了傳統(tǒng)的變速箱，發(fā)電機(jī)始終與發(fā)動(dòng)機(jī)相連，主要用于發(fā)電，驅(qū)動(dòng)電機(jī)與驅(qū)動(dòng)車輪相連，主要用于驅(qū)動(dòng)車輛行駛，在制動(dòng)的時(shí)候，電機(jī)可以回收能量對(duì)電池進(jìn)行充電。

雅閣混合動(dòng)力汽車搭載了i-MMD雙電機(jī)系統(tǒng)，整車動(dòng)力來(lái)源采用了以驅(qū)動(dòng)電機(jī)為主，發(fā)動(dòng)機(jī)為輔的設(shè)計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)純電動(dòng)、混合動(dòng)力以及發(fā)動(dòng)機(jī)直驅(qū)的模式功能。純電動(dòng)模式下利用驅(qū)動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)車輪；混動(dòng)模式下發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)通過(guò)發(fā)電機(jī)給驅(qū)動(dòng)電機(jī)充電，再讓驅(qū)動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)車輪；發(fā)動(dòng)機(jī)直驅(qū)模式下離合器閉合，發(fā)動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力源與傳動(dòng)系相連驅(qū)動(dòng)車輪。通過(guò)三種模式有效切換，使得車輛表現(xiàn)出了更為出色的動(dòng)力與節(jié)油優(yōu)勢(shì)。

圖1 i-MMD系統(tǒng)技術(shù)方案結(jié)構(gòu)[4]

3 本田i-MMD雙電機(jī)系統(tǒng)工作模式

3.1 純電動(dòng)模式驅(qū)動(dòng)

在純電動(dòng)模式下，動(dòng)力系統(tǒng)能量傳遞如圖2中所示的箭頭方向。在這種模式下，發(fā)動(dòng)機(jī)不工作，動(dòng)力分離裝置離合器斷開，驅(qū)動(dòng)車輛行駛的能量直接來(lái)源于動(dòng)力電池，動(dòng)力電池儲(chǔ)存的電能經(jīng)由逆變器提供給驅(qū)動(dòng)電機(jī)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)車輛前進(jìn)或者后退。在車輛制動(dòng)時(shí)，所產(chǎn)生的能量將被回收充入動(dòng)力電池內(nèi)進(jìn)行儲(chǔ)存。

圖2 純電動(dòng)模式能量傳遞

3.2 混合動(dòng)力模式驅(qū)動(dòng)

在混合動(dòng)力模式下，動(dòng)力系統(tǒng)能量傳遞如圖3中所示的箭頭方向。在這種模式下，仍由驅(qū)動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)車輪，雖然發(fā)動(dòng)機(jī)工作但動(dòng)力分離裝置離合器斷開，發(fā)動(dòng)機(jī)只負(fù)責(zé)發(fā)電，不直接參與驅(qū)動(dòng)，發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行在能發(fā)揮最高效率的轉(zhuǎn)速區(qū)間內(nèi)，通過(guò)發(fā)電機(jī)向驅(qū)動(dòng)電機(jī)輸送電能，產(chǎn)生足夠多的電能可以為動(dòng)力電池充電。車輛需要急加速時(shí)，動(dòng)力電池可以輸出額外的電能給驅(qū)動(dòng)電機(jī)，使驅(qū)動(dòng)電機(jī)瞬時(shí)產(chǎn)生大扭矩輸出。在車輛減速制動(dòng)時(shí)，可為動(dòng)力電池提供額外的能量回收。

圖3 混合動(dòng)力模式能量傳遞

3.3 發(fā)動(dòng)機(jī)直驅(qū)模式驅(qū)動(dòng)

在發(fā)動(dòng)機(jī)直驅(qū)模式下，動(dòng)力系統(tǒng)能量傳遞如圖4中所示的箭頭方向。在此模式下，發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)動(dòng)力分離裝置離合器處于閉合狀態(tài)，駕駛員直接控制油門，發(fā)動(dòng)機(jī)輸出扭矩，并通過(guò)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)將動(dòng)力直接傳遞給車輪。動(dòng)力電池一般情況下是處于待機(jī)狀態(tài)，為了在加速時(shí)候提供更大的動(dòng)力，在需要大扭矩輸出的時(shí)候可提供電能給驅(qū)動(dòng)電機(jī)，讓驅(qū)動(dòng)電機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)共同驅(qū)動(dòng)車輛。

圖4 發(fā)動(dòng)機(jī)直驅(qū)模式能量傳遞

3.4 模式切換控制

從整個(gè)系統(tǒng)的燃油經(jīng)濟(jì)性上來(lái)講，在不同的工況下，采用合適的模式控制，使得發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行在最小有效燃油消耗率曲線上，通過(guò)三種模式之間的合理切換，可提高從發(fā)動(dòng)機(jī)到驅(qū)動(dòng)軸之間的能量傳輸效率。在起步和低速行駛時(shí)，采用純電動(dòng)模式，以避免發(fā)動(dòng)機(jī)在低負(fù)載工況下運(yùn)行增加油耗。在中速行駛時(shí)，采用純電動(dòng)和混合動(dòng)力模式為主適時(shí)切換，使發(fā)動(dòng)機(jī)效率和電池充放電之間達(dá)成平衡。在高速行駛時(shí)，采用純電動(dòng)模式和發(fā)動(dòng)機(jī)直驅(qū)模式為主適時(shí)切換，能量的傳輸更加直接及效率更高。

4 上汽榮威EDU雙電機(jī)系統(tǒng)

上汽榮威EDU電驅(qū)動(dòng)（Electric Drive Unit）系統(tǒng)技術(shù)方案結(jié)構(gòu)如圖5所示，其動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)主要包括1.5 L發(fā)動(dòng)機(jī)、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、發(fā)電機(jī)、離合器C1、離合器C2以及傳動(dòng)機(jī)構(gòu)等。其中，C1位于發(fā)電機(jī)端，C2位于驅(qū)動(dòng)電機(jī)端，通過(guò)離合器C1、C2及換檔協(xié)調(diào)控制，可以在發(fā)動(dòng)機(jī)和雙電機(jī)3個(gè)動(dòng)力源之間進(jìn)行選擇輸入、控制和輸出，實(shí)現(xiàn)純電動(dòng)、串聯(lián)、并聯(lián)和能量回收等模式的切換。根據(jù)整車運(yùn)行工況需求，協(xié)調(diào)控制各動(dòng)力源，使其始終處于最佳工作區(qū)域，從而實(shí)現(xiàn)車輛的油耗和廢氣排放處于最低水平。

圖5 EDU電驅(qū)系統(tǒng)技術(shù)方案結(jié)構(gòu)

榮威e550搭載了EDU雙電機(jī)系統(tǒng)，采用全時(shí)全混三核驅(qū)動(dòng)技術(shù)，通過(guò)開發(fā)雙電機(jī)扭矩協(xié)調(diào)混聯(lián)式的插電式功能，使其擁有了多種混合動(dòng)力行駛模式，同時(shí)系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)根據(jù)行駛狀態(tài)判斷，選擇相應(yīng)的動(dòng)力源輸出，最終使得整車達(dá)到了低油耗和強(qiáng)動(dòng)力的綜合表現(xiàn)。

4.1 純電動(dòng)模式驅(qū)動(dòng)

純電動(dòng)模式下，動(dòng)力系統(tǒng)能量傳遞如圖6中所示的箭頭方向。在這種模式下，動(dòng)力系統(tǒng)控制離合器C1斷開，C2閉合，動(dòng)力電池給驅(qū)動(dòng)電機(jī)供電，驅(qū)動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)車輪，車輛的驅(qū)動(dòng)來(lái)源僅由驅(qū)動(dòng)電機(jī)提供，經(jīng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)輸出給驅(qū)動(dòng)車輪，具有較強(qiáng)的驅(qū)動(dòng)響應(yīng)能力。此時(shí)車輛處于行駛狀態(tài)中，發(fā)動(dòng)機(jī)不工作，發(fā)電機(jī)不工作，利用驅(qū)動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)車輛。

圖6 純電動(dòng)模式能量傳遞

4.2 串聯(lián)模式驅(qū)動(dòng)

串聯(lián)模式下，動(dòng)力系統(tǒng)能量傳遞如圖7中所示的箭頭能方向。在這種模式下，動(dòng)力系統(tǒng)控制離合器C1斷開，C2閉合，動(dòng)力電池給驅(qū)動(dòng)電機(jī)供電，驅(qū)動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)車輪，發(fā)動(dòng)機(jī)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)動(dòng)力電池充電，可根據(jù)驅(qū)動(dòng)電機(jī)消耗及SOC平衡功率需求確定串聯(lián)發(fā)電需求功率，在發(fā)動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)運(yùn)行范圍內(nèi)選擇發(fā)電效率在最優(yōu)經(jīng)濟(jì)區(qū)域。此時(shí)車輛處于行駛狀態(tài)，發(fā)動(dòng)機(jī)工作，發(fā)電機(jī)給電池進(jìn)行充電，利用驅(qū)動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)車輛。

圖7 串聯(lián)模式能量傳遞

4.3 并聯(lián)模式驅(qū)動(dòng)

并聯(lián)模式下，動(dòng)力系統(tǒng)能量傳遞如圖8中所示的箭頭方向。在這種模式下，動(dòng)力系統(tǒng)控制C1閉合，C2閉合，發(fā)動(dòng)機(jī)一方面對(duì)電池充電，一方面和驅(qū)動(dòng)電機(jī)分別輸出扭矩驅(qū)動(dòng)車輪。驅(qū)動(dòng)電機(jī)提供主要?jiǎng)恿Γ蛔悴糠钟砂l(fā)動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)補(bǔ)充，3個(gè)動(dòng)力源可以同時(shí)驅(qū)動(dòng)車輪，整車有更大的扭矩輸出，表現(xiàn)出更好的加速性能。此時(shí)車輛處于行駛狀態(tài)，發(fā)動(dòng)機(jī)工作，發(fā)電機(jī)工作，驅(qū)動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，3個(gè)動(dòng)力源同時(shí)驅(qū)動(dòng)車輛。

圖8 并聯(lián)模式能量傳遞

4.4 模式切換控制

從整車的經(jīng)濟(jì)性和動(dòng)力性方面而言，采用EDU雙電機(jī)系統(tǒng)，可以基于雙離合器C1及C2，控制協(xié)調(diào)各子系統(tǒng)，適時(shí)選擇相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)、發(fā)電機(jī)及發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力源輸入，最終實(shí)現(xiàn)純電動(dòng)、串聯(lián)、并聯(lián)和能量回收等模式功能的切換。當(dāng)電池電量高并且車輛對(duì)扭矩需求較低的情況下，可進(jìn)入純電動(dòng)模式；當(dāng)電池電量較低，對(duì)扭矩需求不足以進(jìn)入并聯(lián)時(shí)，可進(jìn)入串聯(lián)模式；在較高電池電量和較大扭矩需求下，可進(jìn)入并聯(lián)模式。在不同的運(yùn)行模式下，儀表系統(tǒng)可顯示出不同的混動(dòng)能量流狀態(tài)[5]。根據(jù)當(dāng)前整車工況協(xié)調(diào)控制模式切換，讓各動(dòng)力源處于最佳運(yùn)行狀態(tài)，以使整車表出更好的性能。

5 雙電機(jī)系統(tǒng)起步分析

混合動(dòng)力車輛執(zhí)行完高壓上電流程之后就要考慮車輛起步的問(wèn)題。車輛起步在實(shí)際行駛中經(jīng)常發(fā)生，起步性能的好壞對(duì)整車平順性、經(jīng)濟(jì)性有很大的影響。針對(duì)傳統(tǒng)汽車，由于發(fā)動(dòng)機(jī)的特性關(guān)系，車輛起步需要離合器的滑摩來(lái)完成，但對(duì)混合動(dòng)力汽車，特別是搭載雙電機(jī)的混合動(dòng)力汽車，車輛起步所需要的扭矩可以由電機(jī)來(lái)承擔(dān)。因電機(jī)具有在低速時(shí)的大扭矩輸出特性，適合作為起步動(dòng)力源，因此，只要匹配的電機(jī)滿足車輛起步的扭矩和功率需求，就能避免離合器的起步滑摩，達(dá)到較理想的起步特性。

雙電機(jī)混合動(dòng)力系統(tǒng)電機(jī)在匹配時(shí)，不僅要考慮起步功率需求，還要考慮電機(jī)低速驅(qū)動(dòng)時(shí)的效率，因電機(jī)高效區(qū)工作點(diǎn)集中在低速部分，有利于提高電機(jī)起步時(shí)的性能。在整車控制系統(tǒng)中，需要根據(jù)駕駛員的起步要求，控制電機(jī)輸出扭矩完成車輛的起步，當(dāng)車速達(dá)到或超過(guò)起步車速時(shí)，可以協(xié)調(diào)控制電機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)工作，由相應(yīng)的動(dòng)力源輸出扭矩完成車輛的起步控制。

6 雙電機(jī)系統(tǒng)換擋分析

在車輛行駛中，如果換擋過(guò)程沒有控制好，容易發(fā)生動(dòng)力中斷的現(xiàn)象?；旌蟿?dòng)力汽車在換擋過(guò)程中，需要進(jìn)行多動(dòng)力源的協(xié)調(diào)控制[6]。比如在帶有雙離合器的雙電機(jī)系統(tǒng)中，發(fā)電機(jī)和驅(qū)動(dòng)電機(jī)這兩個(gè)雙動(dòng)力源分別通過(guò)各自的離合器與變速箱輸入軸進(jìn)行耦合，并經(jīng)由同步器傳遞到相應(yīng)擋位的齒輪，再通過(guò)變速箱輸出軸傳遞到車輪。換擋過(guò)程涉及到動(dòng)力源的調(diào)速、升扭和降扭的控制，由整車控制系統(tǒng)接收換擋需求信號(hào)指令，然后發(fā)出各動(dòng)力源降扭矩指令并判斷是否降到了目標(biāo)扭矩范圍內(nèi)，然后進(jìn)行動(dòng)力源的調(diào)速，待調(diào)速后轉(zhuǎn)速滿足一定范圍內(nèi)，則控制動(dòng)力源升扭完成換擋過(guò)程。

換擋過(guò)程中應(yīng)注意避免因扭矩不平順或變化太快而引發(fā)的頓挫和沖擊，避免由于動(dòng)力系統(tǒng)輸出扭矩產(chǎn)生波動(dòng)。雙電機(jī)混合動(dòng)力系統(tǒng)的換擋過(guò)程既有對(duì)變速器的控制，又有對(duì)電機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)的控制，既有自動(dòng)變速控制技術(shù)，又有混合動(dòng)力系統(tǒng)控制技術(shù)，是自動(dòng)變速技術(shù)與混合動(dòng)力技術(shù)的綜合協(xié)調(diào)控制過(guò)程。

7 總結(jié)

本文針對(duì)兩種雙電機(jī)串并聯(lián)混合動(dòng)力系統(tǒng)的不同技術(shù)構(gòu)型方案進(jìn)行了分析，對(duì)不同的工作模式進(jìn)行了詳細(xì)描述，可以看出，不同的構(gòu)型方案決定了工作模式的實(shí)現(xiàn)會(huì)有所區(qū)別。另外，本文也對(duì)起步和換擋進(jìn)行了技術(shù)分析，傳統(tǒng)車的動(dòng)力系統(tǒng)在車輛起步和換檔過(guò)程中存在一些劣勢(shì)，而雙電機(jī)混合動(dòng)力系統(tǒng)基于其構(gòu)型的特性，在起步和換檔過(guò)程中通過(guò)協(xié)調(diào)控制發(fā)動(dòng)機(jī)及電機(jī)，可優(yōu)化車輛起步以及克服換檔過(guò)程的動(dòng)力中斷和扭矩突變等問(wèn)題，使雙電機(jī)混合動(dòng)力系統(tǒng)達(dá)到或接近理想的驅(qū)動(dòng)特性。

雙電機(jī)混合動(dòng)力系統(tǒng)目前已取得了一定進(jìn)展，且當(dāng)前市場(chǎng)上也出現(xiàn)了一些應(yīng)用車型，因雙電機(jī)混合動(dòng)力系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)動(dòng)力源有多個(gè)，故需要在不同駕駛需求工況條件下，控制多個(gè)動(dòng)力源發(fā)揮各自的作用。本文所述的技術(shù)分析，可為后續(xù)研發(fā)新能源汽車雙電機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)構(gòu)型方案及控制提供一些借鑒意義，而如何有效控制動(dòng)力系統(tǒng)達(dá)到理想的驅(qū)動(dòng)特性，以及如何控制換檔也是后續(xù)開發(fā)中應(yīng)注意的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。