一種兼有串聯(lián)和功率分流模式的機(jī)電耦合系統(tǒng)研究

黃河，徐向陽，趙江靈,，董鵬，朱永明，李瑤瑤

(1.廣州汽車集團(tuán)股份有限公司汽車工程研究院，廣東廣州 511434；2.北京航空航天大學(xué)交通科學(xué)與工程學(xué)院，北京 102206)

0 引言

中國(guó)承諾要力爭(zhēng)在2030年實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰，2060年實(shí)現(xiàn)碳中和，這給汽車行業(yè)帶來巨大挑戰(zhàn)；《節(jié)能與新能源汽車技術(shù)路線圖 2.0》提出在2035年，混合動(dòng)力汽車和純電動(dòng)汽車各占新車銷售50%的目標(biāo)。這些政策和法規(guī)要求，促使各汽車公司大力開發(fā)混合動(dòng)力汽車和純電動(dòng)汽車。

碳排放是以產(chǎn)品整個(gè)生命周期來計(jì)算的。純電動(dòng)汽車在使用過程中基本沒有碳排放，但在電池的生產(chǎn)報(bào)廢過程中碳排放較高，在目前煤電比重超過70%的狀態(tài)下，長(zhǎng)續(xù)航純電動(dòng)車由于電池多、質(zhì)量大、電耗高，在整個(gè)生命周期內(nèi)其碳排放與節(jié)油率高的混合動(dòng)力汽車是相當(dāng)?shù)?。另外，目前?guó)內(nèi)市場(chǎng)純電動(dòng)車占比不到10%，減碳效果遠(yuǎn)不如傳統(tǒng)燃油汽車混動(dòng)化有效。

文中系統(tǒng)分析了當(dāng)前國(guó)內(nèi)外的混合動(dòng)力技術(shù)路線，提出了一種新型機(jī)電耦合系統(tǒng)，為混合動(dòng)力機(jī)電耦合系統(tǒng)開發(fā)提供了一種解決方案。

1 混動(dòng)技術(shù)路線及方案設(shè)計(jì)要點(diǎn)

1.1 混動(dòng)技術(shù)路線

目前各個(gè)國(guó)家、各汽車公司都在大力發(fā)展混合動(dòng)力汽車。根據(jù)國(guó)情及自身情況不同，采取了不同的技術(shù)路線。歐洲主要采用P2技術(shù)路線，美國(guó)主要采用功率分流技術(shù)路線，日本主要采用功率分流和串并聯(lián)技術(shù)路線，中國(guó)主要采用的是串并聯(lián)技術(shù)路線。

機(jī)電耦合系統(tǒng)分串并聯(lián)和功率分流兩大類別。串并聯(lián)以本田 i-MMD為代表，可以通過增程模式，將發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和扭矩與整車的需求解耦，讓發(fā)動(dòng)機(jī)一直處于最經(jīng)濟(jì)的工作狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)較好的經(jīng)濟(jì)性。功率分流以豐田THS系統(tǒng)為代表，通過功率分流模式，讓發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和扭矩與整車的需求解耦，讓發(fā)動(dòng)機(jī)一直處于最經(jīng)濟(jì)的工作狀態(tài)。另外還可以基于傳統(tǒng)自動(dòng)變速箱開發(fā)P2的混動(dòng)系統(tǒng)，這類系統(tǒng)對(duì)自動(dòng)變速箱的依賴度高，可以通過電機(jī)調(diào)解發(fā)動(dòng)機(jī)的扭矩，通過自動(dòng)變速器的各個(gè)擋位，優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，但是不能實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速與輪端完全解耦，所以P2類型的混動(dòng)系統(tǒng)的節(jié)油率有限。功率分流的混動(dòng)系統(tǒng)、串并聯(lián)的混動(dòng)系統(tǒng)及P2的混動(dòng)系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比見表1。

表1 各類型混合動(dòng)力機(jī)電耦合系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比

1.2 混動(dòng)方案設(shè)計(jì)要點(diǎn)

發(fā)展混合動(dòng)力汽車，機(jī)電耦合的構(gòu)型是關(guān)鍵。混合動(dòng)力系統(tǒng)簡(jiǎn)圖如圖1所示。

圖1 混合動(dòng)力系統(tǒng)簡(jiǎn)圖

專用混動(dòng)變速器(dedicated hybrid transmission，DHT)一般都是包含兩個(gè)電機(jī)?？梢园寻l(fā)動(dòng)機(jī)及發(fā)電機(jī)作為一個(gè)單元(通過定軸齒輪或行星排等連接)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)及車輪作為一個(gè)單元(通過齒輪/行星排/差減等連接)，這兩個(gè)單元之間的不同耦合方式，就形成了各種不同的構(gòu)型。例如，豐田THS 的耦合方式是行星排，本田i-MMD的耦合方式是定軸齒輪和離合器。在構(gòu)型尋優(yōu)時(shí)，重點(diǎn)是解決好動(dòng)力耦合問題。

不同工況下，發(fā)動(dòng)機(jī)的工作點(diǎn)對(duì)整車油耗有較大影響，如圖2所示，把發(fā)動(dòng)機(jī)的工作區(qū)域分類，不同的構(gòu)型會(huì)解決不同區(qū)域的效率問題。根據(jù)整車的運(yùn)行工況，可以劃分為3個(gè)低效區(qū)，分別為低速工況的低效區(qū) Ⅰ、低扭工況的低效區(qū)Ⅱ和大功率工況的低效區(qū)Ⅲ。對(duì)于不同類型的機(jī)電耦合系統(tǒng)，有不同的控制策略，可以將這些低效工況區(qū)的發(fā)動(dòng)機(jī)的工作點(diǎn)與輪端解耦，讓發(fā)動(dòng)機(jī)的工作重點(diǎn)轉(zhuǎn)移到高效區(qū)。

圖2 雙電機(jī)混動(dòng)系統(tǒng)的發(fā)動(dòng)機(jī)工作點(diǎn)

對(duì)于串并聯(lián)式的機(jī)電耦合系統(tǒng)，可以利用串聯(lián)增程模式和動(dòng)力電池削峰填谷的作用，使發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和扭矩與輪端的需求解耦，讓發(fā)動(dòng)機(jī)一直工作在高效區(qū)，提高系統(tǒng)的效率。但是串并聯(lián)式的機(jī)電耦合系統(tǒng)主要是可以改善低效區(qū)Ⅰ和低效區(qū)Ⅱ的工作點(diǎn)。對(duì)于低效區(qū)Ⅲ，需要3個(gè)動(dòng)力源共同工作，滿足整車的大功率扭矩需求，系統(tǒng)效率也不是非常理想。

對(duì)于功率分流的機(jī)電耦合系統(tǒng)，可以利用功率分流模式和動(dòng)力電池削峰填谷的作用，使發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和扭矩與輪端的需求解耦，讓發(fā)動(dòng)機(jī)一直工作在高效區(qū)，提高系統(tǒng)的效率。但是功率分流式的機(jī)電耦合系統(tǒng)主要是改善低效區(qū)Ⅰ和低效區(qū)Ⅲ。對(duì)于低效區(qū)Ⅱ的高速小扭矩的工況，存在功率回流的問題，導(dǎo)致系統(tǒng)效率較低。

2 機(jī)電耦合系統(tǒng)方案

2.1 系統(tǒng)原理分析

根據(jù)上述原則，提出了一種新型機(jī)電耦合系統(tǒng)方案——新型雙行星排系統(tǒng)(new double planet coupling，NDPC)?；靹?dòng)系統(tǒng)原理如圖3所示，該系統(tǒng)將發(fā)電機(jī)、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、離合器、傳動(dòng)系統(tǒng)、差減速器及液壓系統(tǒng)等集成于一體。兩個(gè)行星排各有一個(gè)構(gòu)件是相連(共用)的，將這個(gè)構(gòu)件制動(dòng)(固定)時(shí)，則兩個(gè)行星排只是兩個(gè)變速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。

圖3 混動(dòng)系統(tǒng)原理

機(jī)電耦合系統(tǒng)工作模式分析見表2，該機(jī)電耦合系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)純電驅(qū)動(dòng)、串聯(lián)驅(qū)動(dòng)、功率分流、發(fā)動(dòng)機(jī)直驅(qū)、制動(dòng)能量回收、駐車發(fā)電等多種工作模式。

表2 機(jī)電耦合系統(tǒng)工作模式分析

(1)當(dāng)整車的電量充足時(shí)，車輛可在純電驅(qū)動(dòng)模式下工作。此時(shí)制動(dòng)器B2制動(dòng)，另外兩個(gè)制動(dòng)器斷開，驅(qū)動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，功率流經(jīng)行星排傳遞到中間軸,再經(jīng)主減速齒輪傳遞至輪端。該模式下功率流如圖4所示。

圖4 純電驅(qū)動(dòng)模式

(2)串聯(lián)驅(qū)動(dòng)模式時(shí)，制動(dòng)器B2制動(dòng)，另外兩個(gè)制動(dòng)器斷開，發(fā)動(dòng)機(jī)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)出電能，驅(qū)動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)整車。該模式下功率流如圖5所示。

圖5 串聯(lián)驅(qū)動(dòng)模式

(3)功率分流模式時(shí)，3個(gè)制動(dòng)器均斷開，控制發(fā)動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)、驅(qū)動(dòng)電機(jī)協(xié)同工作，共同驅(qū)動(dòng)車輛。該模式下功率流如圖6所示。

圖6 功率分流模式

(4)發(fā)動(dòng)機(jī)直驅(qū)模式時(shí)，制動(dòng)器B1和制動(dòng)器B3制動(dòng)，制動(dòng)器B2斷開，發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力經(jīng)過兩個(gè)行星排傳遞到中間軸，再傳遞到輪端。該模式下功率流如圖7所示。

圖7 發(fā)動(dòng)機(jī)直驅(qū)模式

(5)制動(dòng)能量回收模式時(shí)，制動(dòng)器B2結(jié)合，此時(shí)輪端的動(dòng)力，經(jīng)過中間軸，傳遞到驅(qū)動(dòng)電機(jī)，帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)發(fā)電，存儲(chǔ)在電池中。該模式下功率流如圖8所示。

圖8 制動(dòng)能量回收模式

2.2 系統(tǒng)優(yōu)缺點(diǎn)分析

2.2.1 系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)

該構(gòu)型有如下優(yōu)勢(shì)：

(1)同時(shí)有本田i-MMD 增程模式和豐田THS 功率分流模式。

(2)結(jié)構(gòu)緊湊，三軸，質(zhì)量小，體積小，較好地利用了行星排同軸、傳動(dòng)比大的優(yōu)勢(shì)。

(3)直驅(qū)模式發(fā)動(dòng)機(jī)不用帶著兩電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)，無拖曳損耗(鐵耗)，可改善高速工況的經(jīng)濟(jì)性。

(4)可利用電機(jī)調(diào)速和制動(dòng)堵轉(zhuǎn)后，再結(jié)合制動(dòng)器。對(duì)于制動(dòng)器B1和制動(dòng)器B3無滑摩要求，制動(dòng)器無須電磁閥精準(zhǔn)控制的行程控制;對(duì)油品清潔度要求不高，可大幅降低液壓模塊成本。

(5)兩個(gè)電機(jī)制動(dòng)器短時(shí)制動(dòng)可由電機(jī)堵轉(zhuǎn)替代，可降低對(duì)制動(dòng)器的要求，從而降低控制難度。

2.2.2 系統(tǒng)存在的問題

該構(gòu)型主要存在以下問題：

(1)發(fā)動(dòng)機(jī)直驅(qū)模式時(shí)傳動(dòng)環(huán)節(jié)多，單純機(jī)械效率偏低；但由于兩電機(jī)轉(zhuǎn)子不轉(zhuǎn)動(dòng)，避 免了永磁電機(jī)的磁力損耗(鐵耗)，發(fā)動(dòng)機(jī)直驅(qū)的總效率仍然高于本田i-MMD。

(2)制動(dòng)器B2的制動(dòng)扭矩大。

(3)功率分流模式控制難度大。

3 混動(dòng)控制策略分析

由于文中介紹的機(jī)電耦合系統(tǒng)，包含串聯(lián)和功率分流兩大工作模式，利用合理的模式控制策略，可有效避免本田i-MMD混動(dòng)系統(tǒng)高速高扭工況效率低和豐田THS系統(tǒng)高速工況功率回流的一些問題。

混合動(dòng)力系統(tǒng)模式劃分如圖9所示。

圖9 混合動(dòng)力系統(tǒng)模式劃分

對(duì)于低轉(zhuǎn)速和高速低扭矩的①區(qū)，多采用增程充電模式，發(fā)動(dòng)機(jī)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)充電，讓發(fā)動(dòng)機(jī)一直工作在高效區(qū)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)根據(jù)車輛的輪端需求，驅(qū)動(dòng)車輛行駛。

對(duì)于低轉(zhuǎn)速的②區(qū)，多采用增程隨需模式，即增程所發(fā)的電量剛好滿足驅(qū)動(dòng)電機(jī)所需，電池不充電也不放電。

對(duì)于低速高扭和高速低扭的③區(qū)，多采用增程放電模式，此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，所發(fā)的電能不足以滿足車輛驅(qū)動(dòng)所需，需要從動(dòng)力電池放電，供驅(qū)動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)車輛行駛。

對(duì)于中速低扭的④區(qū)，多采用混合驅(qū)動(dòng)模式，此時(shí)輪端的功率需求較小，發(fā)動(dòng)機(jī)的工作點(diǎn)效率較低。通過增加發(fā)動(dòng)機(jī)的功率，一部分滿足輪端的需求，另一部分功率給電池充電。

對(duì)于中速、中小扭矩的⑤區(qū)，此時(shí)輪端需求正好能落在發(fā)動(dòng)機(jī)的高效區(qū)，所以采用發(fā)動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)的工作模式。

對(duì)于中速、中高扭矩的⑥區(qū)，采用混合驅(qū)動(dòng)模式，同時(shí)電池放電，以滿足輪端的需求。

對(duì)于中高速、大扭矩的⑦區(qū)，采用功率分流模式。

4 仿真與集成分析

4.1 仿真分析

匹配2.0TM 發(fā)動(dòng)機(jī)，混動(dòng)系統(tǒng)的參數(shù)見表3。

表3 機(jī)電耦合系統(tǒng)參數(shù)

基于某款大型SUV的HEV車型，進(jìn)行了初步動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性的仿真，并與豐田THS系統(tǒng)做了對(duì)比。仿真結(jié)果見表4，NDPC系統(tǒng)與豐田THS系統(tǒng)的動(dòng)力性與經(jīng)濟(jì)性仿真結(jié)果相當(dāng)。但是與常規(guī)車相比，NDPC系統(tǒng)的整車成本增量約為THS系統(tǒng)的40%，該構(gòu)型去掉3個(gè)制動(dòng)器，可作為最簡(jiǎn)單的增程結(jié)構(gòu)，成本也進(jìn)一步降低。

表4 動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性的仿真結(jié)果

4.2 機(jī)電耦合系統(tǒng)集成

為實(shí)現(xiàn)整車性能提升和成本降低，機(jī)電耦合系統(tǒng)產(chǎn)品正向高速、高壓、高效率和集成化發(fā)展。具體體現(xiàn)如下：

(1)通過電機(jī)的高速化,提高電機(jī)的功率和扭矩密度，減少電機(jī)的材料用量，從而降低電機(jī)的成本。

(2)電機(jī)采用扁線繞組，可有效提高槽滿率，減小電機(jī)體積、電機(jī)質(zhì)量，從而提高電機(jī)功率密度。

(3)采用SIC 的 IGBT 和雙面冷卻技術(shù)，可以有效提高電機(jī)控制器的效率。

(4)采用油冷電機(jī)技術(shù)，進(jìn)一步提高系統(tǒng)的效率。

(5)將電機(jī)、傳動(dòng)系統(tǒng)、電機(jī)控制器、DCDC 等零部件高度集成于一體，可以減小系統(tǒng)質(zhì)量，也可節(jié)約系統(tǒng)的成本。

基于以上設(shè)計(jì)思路，對(duì)文中所設(shè)計(jì)的混合動(dòng)力機(jī)電耦合系統(tǒng)做了概念數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)，方案如圖10和圖11所示。

圖10 機(jī)電耦合系統(tǒng)總成

圖11 機(jī)電耦合系統(tǒng)結(jié)構(gòu)布置

5 結(jié)論

基于國(guó)家制定的2030年實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、2060 年實(shí)現(xiàn)碳中和的目標(biāo)，汽車工業(yè)面臨巨大壓力的同時(shí)，給了混合動(dòng)力汽車很大的發(fā)展空間。目前國(guó)內(nèi)各汽車企業(yè)都在加緊開發(fā)各自的混合動(dòng)力機(jī)電耦合系統(tǒng)，如廣汽的G-MC混動(dòng)系統(tǒng)、上汽的EDU混動(dòng)系統(tǒng)、長(zhǎng)城的檸檬混動(dòng)系統(tǒng)、比亞迪的EHS混動(dòng)系統(tǒng)等。

但是怎樣提高產(chǎn)品的性能、節(jié)約系統(tǒng)的成本、提升產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)力是各汽車企業(yè)面臨的重大問題。而混合動(dòng)力的機(jī)電耦合系統(tǒng)方案對(duì)系統(tǒng)的性能、成本、競(jìng)爭(zhēng)力具有重要影響。

文中提出了一種新型機(jī)電耦合系統(tǒng)方案，該系統(tǒng)方案包含了串聯(lián)和功率分流兩大工作模式，具備本田i-MMD混動(dòng)系統(tǒng)和豐田THS混動(dòng)系統(tǒng)的兩種特點(diǎn)。利用合理的模式控制策略，可有效避免本田i-MMD混動(dòng)系統(tǒng)高速高扭工況效率低和豐田THS系統(tǒng)高速低扭工況功率回流的一些問題，為混合動(dòng)力的機(jī)電耦合系統(tǒng)開發(fā)提供了一種解決方案。