混合動力汽車動力分配結(jié)構(gòu)及耦合模式分析*

張立慶 李 旭 于鎰隆 靖春勝

（1-中國汽車技術(shù)研究中心有限公司 天津 300300 2-河北工業(yè)大學(xué)）

引言

隨著乘用車燃料消耗量第四階段國家標(biāo)準(zhǔn)的實行、雙積分政策的實施以及電氣化時代的來臨，國內(nèi)新能源汽車市場得到很大發(fā)展，純電動汽車在新能源汽車市場占比達75%。但受限于目前電池能量密度的瓶頸，純電動汽車在購車群體中認可度相對偏低，而作為傳統(tǒng)燃料到動力電池過渡階段的油電混合/插電式混合動力汽車則備受市場青睞?；旌蟿恿ζ嚥坏軌驈浹a電驅(qū)動的續(xù)航能力，而且通過動力耦合的方式使發(fā)動機長期運轉(zhuǎn)在經(jīng)濟區(qū)域，具備良好的燃油經(jīng)濟性與駕駛特性。近年來，油電混合動力汽車銷量增長較為穩(wěn)健，布局較早的豐田以及性能優(yōu)異的本田都具有較強的市場競爭力。國內(nèi)外汽車企業(yè)開始布局混合動力技術(shù)路線，加大研發(fā)投入。國內(nèi)市場受國家補貼政策紅利，汽車企業(yè)主推插電式混合動力車型以占領(lǐng)市場先機。2018 年，國內(nèi)插電式混合動力汽車產(chǎn)銷分別完成28.3 萬輛和27.1 萬輛，比2017 年分別增長122%和118%[1]；2019 年一季度，國內(nèi)插電式混合動力汽車產(chǎn)銷分別完成7.8 萬輛和7.2萬輛，比2018 年同期分別增長85.2%和79.1%[2]。混合動力汽車在國內(nèi)市場增速顯著，未來市場潛力巨大。因此，作為混合動力汽車核心的機電耦合系統(tǒng)成為汽車企業(yè)現(xiàn)階段研發(fā)的新契機。

1 混合動力技術(shù)分類

混合動力技術(shù)可以按照系統(tǒng)架構(gòu)形式、混合度等方面進行分類，本文通過分析國內(nèi)外混動技術(shù)路線以及混合動力汽車發(fā)動機與電機的動力分配機構(gòu)，將混合動力系統(tǒng)耦合模式劃分為轉(zhuǎn)矩耦合、轉(zhuǎn)速耦合、功率耦合等3 種模式?；靹蛹夹g(shù)分類如表1 所示。

表1 混合動力技術(shù)分類

2 動力耦合技術(shù)發(fā)展

動力耦合系統(tǒng)包含動力源分配機構(gòu)、電控單元等2 大核心部件，根據(jù)并聯(lián)或混聯(lián)車型的駕駛工況需求，合理分配發(fā)動機與電機的能量輸出，實現(xiàn)高效的動力耦合。動力耦合系統(tǒng)的性能直接影響著混合動力汽車的動力性與燃油經(jīng)濟性，成為衡量混合動力汽車性能優(yōu)劣的重要指標(biāo)。面對新能源汽車市場的崛起，汽車企業(yè)開始加大動力耦合系統(tǒng)的研發(fā)，對控制策略進行升級，高效簡潔、集成化、低成本的動力耦合系統(tǒng)已成為下一階段的發(fā)展趨勢。

目前，市場上的動力耦合系統(tǒng)以豐田THS 的功率分流（功率耦合）系統(tǒng)最具代表性。隨著2019 年其專利技術(shù)的對外開放，必將成為眾多汽車企業(yè)攻破自身技術(shù)壁壘，進行逆向設(shè)計的借鑒方案。自1997年上市以來，豐田THS 高效的功率分流動力耦合系統(tǒng)已發(fā)展至第4 代。而本田汽車公司在2013 年推出了I-MMD 系統(tǒng)，相比豐田THS 系統(tǒng)，本田I-MMD系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，通過離合器可以實現(xiàn)發(fā)動機轉(zhuǎn)矩直接驅(qū)動輸出軸。通用汽車公司在2016 年推出第二代Voltec 系統(tǒng)，利用雙行星齒輪、雙離合、機電高度集成的結(jié)構(gòu)實現(xiàn)高效智能的功率分流。此外，由GKN公司生產(chǎn)并應(yīng)用在三菱插電式混合動力汽車上的多模減速器，在實現(xiàn)轉(zhuǎn)矩耦合的同時，其各部件結(jié)構(gòu)相對獨立，可以很好地滿足后期針對不同車型的匹配選型要求。

相比于國外混合動力技術(shù)，比亞迪股份有限公司作為國內(nèi)新能源汽車的領(lǐng)軍企業(yè)，早在2008 年就將自主開發(fā)的DM 動力耦合系統(tǒng)投入市場，經(jīng)過技術(shù)更新迭代，發(fā)展至如今的DM3 系統(tǒng)，DM3 系統(tǒng)以P0+P3+P4 的架構(gòu)實現(xiàn)了豐富的駕駛模式與強勁的動力輸出。上海汽車集團股份有限公司自主研發(fā)的混合動力電驅(qū)變速器EDU 搭載車型于2014 年上市，通過雙離合與兩擋速比的模式切換進行轉(zhuǎn)矩耦合，實現(xiàn)動力總成效率的優(yōu)化。2017 年，廣州汽車集團股份有限公司自主研發(fā)的機電耦合系統(tǒng)G-MC 搭載車型量產(chǎn)問世。國內(nèi)混合動力技術(shù)正在逐漸成熟，與合資品牌競爭日趨激烈。

為了便于分析動力耦合模式，將動力耦合系統(tǒng)簡化如下：

圖1 動力耦合示意圖

2.1 轉(zhuǎn)矩耦合

在并聯(lián)與混聯(lián)驅(qū)動架構(gòu)中，轉(zhuǎn)矩耦合系統(tǒng)將發(fā)動機與電機的轉(zhuǎn)矩疊加在一起傳遞給驅(qū)動輪，發(fā)動機與電機的轉(zhuǎn)矩相互獨立，但2 者的轉(zhuǎn)速與車速互成比例，不可獨立控制[3]。在不考慮傳遞損失的理想狀態(tài)下，轉(zhuǎn)矩耦合疊加原理如下：

式中：P1、P2、P3分別為發(fā)動機、電機、轉(zhuǎn)矩耦合系統(tǒng)的功率，kW；T1、T2、T3分別為發(fā)動機、電機、轉(zhuǎn)矩耦合系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩，N·m；ω1、ω2、ω3分別為發(fā)動機、電機、轉(zhuǎn)矩耦合系統(tǒng)的角速度，rad/s；k1、k2分別為轉(zhuǎn)矩耦合系統(tǒng)的傳動比。

在轉(zhuǎn)矩耦合模式中，輸出動力為發(fā)動機與驅(qū)動電機在各自傳動比下的動力疊加。當(dāng)k1=k2=1 時，輸出動力為發(fā)動機與驅(qū)動電機的動力直接疊加然后傳遞給驅(qū)動輪。轉(zhuǎn)矩耦合模式的特點是在保證動力需求的條件下，動力源可以相互獨立進行動力分配；而發(fā)動機與電機的轉(zhuǎn)速各自與車速線性相關(guān)，僅在串聯(lián)（增程）工作狀態(tài)下可以實現(xiàn)發(fā)動機轉(zhuǎn)速與車速的解耦。

本田I-MMD 系統(tǒng)、GKN 多模減速器、上汽EDU智能電驅(qū)變速器以及廣汽G-MC 機電耦合系統(tǒng)均屬于轉(zhuǎn)矩耦合模式，其各自轉(zhuǎn)矩耦合結(jié)構(gòu)分別如圖2、圖3、圖4、圖5 所示。

圖2 本田I-MMD 結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 GKN 多模減速器結(jié)構(gòu)示意圖

圖4 上汽EDU 智能電驅(qū)變速器示意圖

圖5 廣汽G-MC 機電耦合系統(tǒng)示意圖

4 種動力耦合結(jié)構(gòu)對比見表2。

根據(jù)電機位置的不同，轉(zhuǎn)矩耦合方式可進一步劃分為齒輪耦合式、磁場耦合式、鏈或帶耦合式、牽引力耦合式[4]。其中，鏈或帶耦合式多見于P0 結(jié)構(gòu)，電機作為附件布置在發(fā)動機前端，通過附件皮帶進行傳動，耦合結(jié)構(gòu)簡單。磁場耦合式在P1、P2 結(jié)構(gòu)中最為常見，電機轉(zhuǎn)子直接與發(fā)動機輸出端剛性連接或通過離合器控制，通過磁場作用使電機轉(zhuǎn)矩與發(fā)動機轉(zhuǎn)矩直接疊加耦合輸出，結(jié)構(gòu)緊湊且耦合沖擊小。牽引力耦合式中，發(fā)動機與電機分別控制汽車前后輪的動力輸出，最終動力輸出為前后輪驅(qū)動力疊加，多以四驅(qū)、后橋電機P4 形式出現(xiàn)，如圖6 所示。

表2 4 種動力耦合結(jié)構(gòu)對比分析

圖6 牽引力耦合結(jié)構(gòu)示意圖

在不考慮傳遞損失的理想狀態(tài)下，牽引力耦合疊加原理如下：

式中：F1、F2、F3分別為前輪驅(qū)動力、后輪驅(qū)動力、整車驅(qū)動力，N；T1、T2分別為發(fā)動機、P4 電機的轉(zhuǎn)矩，N·m；i1為發(fā)動機至前輪速比，i2為電機至后輪速比；r 為車輪半徑，mm。

比亞迪DM3 混合動力技術(shù)以P0+P3+P4 為架構(gòu)，發(fā)動機與P3 電機負責(zé)前軸動力輸出，P4 電機負責(zé)后軸驅(qū)動，其前輪動力驅(qū)動系統(tǒng)與后輪電機可以實現(xiàn)牽引力耦合，結(jié)構(gòu)如圖7 所示。

圖7 比亞迪雙模動力系統(tǒng)DM3 結(jié)構(gòu)示意圖

牽引力耦合系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，可以針對不同車型進行發(fā)動機、電機的匹配選型，裝配便捷。同時，由于整車具備四輪驅(qū)動，駕駛模式多樣化，在動力系統(tǒng)控制上需要合理優(yōu)化分配，實現(xiàn)高效節(jié)油。此外，牽引力耦合是前后驅(qū)動橋轉(zhuǎn)矩的線性疊加，是轉(zhuǎn)矩耦合的一種特殊形式。

目前，轉(zhuǎn)矩耦合結(jié)構(gòu)多以齒輪耦合式為主，如上述4 個汽車企業(yè)的混合動力轉(zhuǎn)矩耦合機構(gòu)，借助齒輪副組件可以合理布局核心部件的空間位置以及分配動力源的輸出比例，使其在控制上得到簡化。但齒輪傳動容易產(chǎn)生沖擊，需嚴格控制齒輪傳遞誤差，著重優(yōu)化動力耦合過程中的平順性。

2.2 轉(zhuǎn)速耦合

在并聯(lián)與混聯(lián)驅(qū)動架構(gòu)中，轉(zhuǎn)速耦合系統(tǒng)將發(fā)動機與電機的轉(zhuǎn)速疊加在一起，2 者可獨立控制，但轉(zhuǎn)矩互成比例。

轉(zhuǎn)速耦合系統(tǒng)基本采用行星齒輪機構(gòu)，由中心齒輪(太陽輪）、齒圈和行星齒輪支架等3 個基本構(gòu)件構(gòu)成[5]，如圖8 所示。

圖8 行星齒輪結(jié)構(gòu)示意圖

轉(zhuǎn)速耦合系統(tǒng)一般將太陽輪和齒圈作為輸入端，分別與發(fā)動機和電機連接，而行星齒輪支架作為輸出端與驅(qū)動輪連接，其耦合結(jié)構(gòu)如圖9 所示。

圖9 轉(zhuǎn)速耦合結(jié)構(gòu)示意圖

圖8 中，作用于太陽輪的轉(zhuǎn)矩T1與作用于齒圈的轉(zhuǎn)矩T2同向，均為逆時針方向，而作用于行星齒輪支架的轉(zhuǎn)矩T3與T1和T2方向相反，為順時針方向。定義逆時針方向為正角速度方向，順時針方向為負角速度方向。根據(jù)能量守恒定律，3 個基本構(gòu)件的輸入和輸出功率的代數(shù)和為0，轉(zhuǎn)速耦合疊加原理如下：

式中：P1、P2、P3分別為發(fā)動機、電機、轉(zhuǎn)速耦合系統(tǒng)的功率，kW；T1、T2、T3分別為太陽輪、齒圈、行星齒輪支架的轉(zhuǎn)矩，N·m；ω1、ω2、ω3分別為太陽輪、齒圈、行星齒輪支架的角速度，rad/s；k1、k2為與轉(zhuǎn)速耦合系統(tǒng)相關(guān)聯(lián)的常數(shù)。

可以得出行星齒輪機構(gòu)運動規(guī)律的特征方程如下：

式中：Z1和Z2分別為太陽輪和齒圈的齒數(shù)；ig為行星齒輪結(jié)構(gòu)中齒圈與太陽輪齒數(shù)的比值；k1、k2為與轉(zhuǎn)速耦合系統(tǒng)相關(guān)聯(lián)的常數(shù)。

2.3 功率耦合

功率耦合也被稱為混合式耦合，是轉(zhuǎn)矩耦合與轉(zhuǎn)速耦合相互組合構(gòu)成的動力耦合系統(tǒng)，系統(tǒng)輸出轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速分別是發(fā)動機、電機轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的線性代數(shù)和。因此，動力分配機構(gòu)采用功率耦合模式，可以實現(xiàn)發(fā)動機的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的自由控制[6]。

以豐田THS 功率分流機構(gòu)為例，發(fā)動機與發(fā)電機通過單排行星齒輪組件進行轉(zhuǎn)速耦合，2 者的合成動力與驅(qū)動電機再進行轉(zhuǎn)矩耦合。THS 功率分流的主要特點是發(fā)動機的轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩同車輪的轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩實現(xiàn)解耦，發(fā)動機與電機可以獨立控制，利用2 者協(xié)同工作，使發(fā)動機維持在經(jīng)濟區(qū)域高效運轉(zhuǎn)[7]。

國產(chǎn)化的豐田第三代THS 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖10 所示，發(fā)動機、電機MG1 在功率分流行星齒輪同側(cè)，電機MG2 在另一側(cè)，3 者同軸布置。其中，發(fā)動機、電機MG1 分別與功率分流行星齒輪的行星架、太陽輪連接，而電機MG2 與減速行星齒輪的太陽輪連接，行星架固定不運轉(zhuǎn)。THS 系統(tǒng)功率匯集到2 個剛性連接的行星齒輪組齒圈上，再通過齒輪副將動力傳遞至驅(qū)動軸。

圖10 豐田第三代THS 結(jié)構(gòu)示意圖

豐田第三代THS 行星齒輪組參數(shù)見表3。

表3 豐田第三代THS 行星齒輪組參數(shù)

THS 定義電機減速行星齒輪的太陽輪轉(zhuǎn)向與車輪同向時為旋轉(zhuǎn)正方向，而功率分流行星齒輪的太陽輪與行星架的旋轉(zhuǎn)正方向與之相反，即與車輪反方向旋轉(zhuǎn)時為正。忽略系統(tǒng)傳遞損失，當(dāng)THS 處于并聯(lián)模式時，系統(tǒng)的輸出轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩耦合原理如下：

式中：ωice、ωMG1、ωMG2分別為發(fā)動機、電機MG1、電機MG2 的角速度，rad/s；TTHS、Tice、TMG2分別為齒圈輸出轉(zhuǎn)矩、發(fā)動機轉(zhuǎn)矩、電機MG2 轉(zhuǎn)矩，N·m；k1、k2為行星齒輪結(jié)構(gòu)參數(shù)。

結(jié)合上述推導(dǎo)的轉(zhuǎn)速關(guān)系，THS 中，轉(zhuǎn)速耦合可以用等效杠桿圖表示。發(fā)動機和電機MG2 同時輸出動力的并聯(lián)工作模式的杠桿圖如圖11 所示。

圖11 豐田第三代THS 轉(zhuǎn)速協(xié)調(diào)杠桿圖

豐田第三代THS 系統(tǒng)通過智能協(xié)調(diào)控制電機和發(fā)動機的轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩，使其長期維持在經(jīng)濟區(qū)間運轉(zhuǎn)，實現(xiàn)高效的能量管理，動力平順輸出。

通用第二代Voltec 同樣屬于功率耦合式，與豐田THS 系統(tǒng)殊途同歸。第二代Voltec 采用2 個離合器、雙電機、雙行星排高度集成化的結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)高效動力的輸出，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖12 所示。

豐田第三代THS、通用第二代Voltec 的雙行星齒輪功率耦合結(jié)構(gòu)可以實現(xiàn)無級變速，在控制策略上通過調(diào)整電機的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩，將發(fā)動機工作點限制在經(jīng)濟油耗區(qū)域，保證系統(tǒng)動力平穩(wěn)輸出，提高經(jīng)濟性[8]。

圖12 通用第二代Voltec 結(jié)構(gòu)示意圖

3 動力耦合技術(shù)對比

對比當(dāng)前市場上主流汽車企業(yè)的混合動力系統(tǒng)架構(gòu)，混合動力耦合技術(shù)開發(fā)傾向于轉(zhuǎn)矩耦合與功率耦合，集成高熱效率發(fā)動機、高效電機、大容量電池以及電控模塊等驅(qū)動機構(gòu)，實現(xiàn)機電一體化，智能協(xié)調(diào)動力分配，使發(fā)動機在寬廣的轉(zhuǎn)速區(qū)間段均處于高效區(qū)，以滿足整車多種驅(qū)動形式的無縫切換。表4 是市場上幾種主流動力耦合系統(tǒng)的技術(shù)匯總。

表4 市場主流動力耦合技術(shù)匯總

4 結(jié)論

1）動力耦合模式以功率耦合最具技術(shù)含金量，可以自由切換動力源，實現(xiàn)動力配比最優(yōu)控制，可采用無級變速，發(fā)動機性能與整車性能兼具優(yōu)越性表現(xiàn)。其中，豐田第三代THS、通用第二代Voltec 技術(shù)代表了當(dāng)前最為先進的動力耦合技術(shù)，利用行星齒輪結(jié)構(gòu)特性，采用功率分流的方式實現(xiàn)高效、平順的動力輸出。

2）眾多汽車企業(yè)開發(fā)出了高度集成的機電耦合式多模減速器，根據(jù)需求智能調(diào)配各個動力源，使之長期工作在高效區(qū)，并將成本和尺寸控制在合理范圍內(nèi)，提高車輛的經(jīng)濟性與舒適性，以滿足市場需求。

3）隨著更加嚴格的乘用車燃料消耗量第五階段國家標(biāo)準(zhǔn)、國ⅥB 排放標(biāo)準(zhǔn)的實行以及國家政策的實施和市場導(dǎo)向的推動，混合動力汽車的市場占有率將大幅度提高。因此，混合動力汽車的動力耦合技術(shù)將成為各汽車企業(yè)的核心研發(fā)技術(shù)。目前，國內(nèi)自主研發(fā)的動力耦合系統(tǒng)與國外混合動力耦合系統(tǒng)競爭日益激烈，市場在不斷推進技術(shù)的更新迭代，高效、環(huán)保、驅(qū)動形式多元化已成為動力耦合系統(tǒng)開發(fā)的宗旨。

4）通過分析動力耦合模式以及市場混合動力耦合系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)差異與技術(shù)特點可知，未來先進混合動力系統(tǒng)的開發(fā)將以混聯(lián)模式架構(gòu)、功率耦合式、重度混合、制動能量回收、高效匹配集成的技術(shù)方案為主流，且在控制策略上更加精確智能動態(tài)化。