摘要:本文以豐田 THS、 通用 Volt、 本田 i-MMD、 上汽EDU 四大構型,兩大類(動力分流,串并聯)為例,對目前市場上主流雙電機混合動力系統的構型、 特點等加以簡要對比分析。
一、主流雙電機混動系統對比分析
自1997年日本豐田汽車公司推出第一代雙電機混合動力系統的普銳斯以后,其新穎的構思、不俗的動力、超低的油耗、優(yōu)越的駕駛感受引起了世界同行的關注, 同時也掀起了汽車行業(yè)開發(fā)雙電機混合動力汽車的浪潮。
之后,通用 Volt、本田 i-MMD、上汽 EDU 等雙電機混動系統相繼問世, 現就市場上幾款主流雙電機混合動力車型參數(表 1 信息源于網絡公告)及其搭載的雙電機混合動力系統(表 2 圖片源于網絡)做簡要的統計對比及優(yōu)缺點分析。
表 1 主流混合動力車型參數對比
表 2 主流混合動力系統及功能對比
對比整車參數來看, 這幾款雙電機混合動力車均為中型車,綜合 油 耗 在 4.1~5.88L/100km,比 同 級 別 燃油車節(jié)油率均在 30%以上(綜合油耗),燃油經濟性十分亮眼;百公里加速時間在 8.13~9S 之間,相較于同級別燃油車動力性也均有不同程度的提高。
從這四款車型搭載的雙電機混合動力系統 (表 2)來看,四種構型都有各自的優(yōu)點及不足:
1、結構簡易程度
就國內目前的工業(yè)水平,平行軸式軸齒相較于行星排,設計、工藝更簡單,繼承性更好,資源更容易獲得, 因此平行軸式布局結構在國內應用更廣泛一些。
由表 2 對比信息可知,通用 Volt 耦合部件采用兩組行星排、一組制動器、一組離合器組合搭配,在四種構型中最為復雜;本田 i-MMD 發(fā)動機和驅動電機各只有一檔平行軸減速齒輪,一組離合器,其結構最為簡單。
2、控制簡易程度
在混合動力系統中,需要控制的元件有發(fā)動機、電機、離合器、制動器等。行星排(動力分流)結構,是通過發(fā)動機、電機、輸出元件的杠桿平衡原理(后文中以 TSH-Ⅳ為例做簡要介紹)進行控制調節(jié),再控制離合器、制動器配合完成系統工作,控制難度相對較大。平行軸式結構為定速比調節(jié),系統工作主要在于換檔過程的控制,相較于行星排結構系統控制簡單很多。
3、速比調節(jié)簡易程度:齒輪副正確嚙合條件
式中 mn、mt、αn、β 分別為齒輪法向模數、端面模數、法向壓力角、螺旋角。由齒輪副正確嚙合條件(1)、(2)、(3)可知,在布置空間受限的條件下,同一級減速齒輪中,同時嚙合的齒輪數越多,齒輪參數就越難調整,速比也就越難調節(jié)。
表 2 的四種構型中,只有上汽 EDU 構型沒有出現同級減速中三個以上(含三個)齒輪同時嚙合的情況,因此,上汽 EDU 構型的速比更容易調節(jié)。
4、換檔動力中斷
換檔動力中斷(換檔頓挫感)是駕駛平順性的一個重要評價指標, AT/DCT 可以通過換檔時合理控制制動器、離合器的滑摩,盡可能降低換檔頓挫感;CVT 是真正意義的無極變速器,無固定的速比極差,因此無換檔動力中斷。 而 AMT/MT 變速器內部無滑摩離合器,不可避免的會出現換檔頓挫。
豐田 THS、通用 Volt 為 ECVT,可實現無極變速;本田 i-MMD 發(fā)動機和電機各只有一檔, 只要控制好純電行駛和發(fā)動機介入的模式切換過程,就不會有換檔頓挫。
上汽 EDU變速器本體為 AMT, 且不具備換檔動力補償功能,因 此,換檔動力中斷是其不可回避的硬傷。
5、驅動電機效能的發(fā)揮程度
在整車性能需求(動力性、最高車速)不變的情況下,兩檔變速器與一檔變速器相比, 可降低整車性能對驅動電機的最大扭矩和最高轉速的需求,收窄電機工作區(qū)域,使其更大程度的工作在高效區(qū)(圖 2)。本田 i-MMD 驅動電機只有一檔,在能效發(fā)揮上會受到一定限制。
圖 2 電機需求對比
二、主流雙電機混動系統工作原理介紹
目前雙電機混合動力系統千差萬別, 市場主流構型可歸結為兩大類:
一類是以豐田THS、通用Volt為代表的動力分流式 (行星排結構), 另一類是以本田i-MMD、上汽 EDU 為代表的串并聯式(平行軸結構)。
1、動力分流式:以豐田THS-Ⅳ系統(圖3)為例說明
圖3 THS-Ⅳ結構布局
結構布局:發(fā)電機與發(fā)動機通過單排行星排同軸布置。發(fā)電機與太陽輪固連,發(fā)動機與行星架固連,行星排系統動力通過齒圈輸出;驅動電機與行星排機構平行布置。行星排輸出動力與驅動電機輸出動力通過輸出軸匯合,最終由差速器傳遞給車輪。
圖 4 THS-Ⅳ功能分析
工作原理(圖 4):行星排特性系數為:α=ZR/ZS (4)式中 ZR、ZS 分別為齒圈與太陽輪的齒數;
單級行星排運轉特性方程:ωS+α×ωR-(1+α)× ωC=0 (5)式中,ωS、ωR、ωC 分別為太陽輪、齒圈、行星架的角速度;某一瞬態(tài)下,單級行星排系統扭矩處于平衡狀態(tài),其平衡方程為:TS+TR+TC=0 (6)式中,TS、TR、TC 分別為太陽輪、齒圈、行星架傳遞的扭矩;
現以THS-Ⅳ系統的第一種工況(純電起步 & 低速純電行駛)為例,對動力分流混合動力系統的工作原理進行說明。
①純電起步工況: 驅動電機EM2輸出扭矩TEM2克服輸出軸靜態(tài)阻力矩 Tf, 使輸出軸產生角加速度,驅動車輛起步。
此外,由行單級星排系統扭矩平衡方程式(6)可知,與太陽輪固連的發(fā)電機 EM1 輸出扭矩 TS、與發(fā)動機固連的行星架上的作用扭矩 TC、齒圈上的作用扭矩 TR(等于 EM2 輸出扭矩 TEM2 與輸出軸阻力矩 Tf 的矢量和)三者平衡,既 TC=–(TS+TR)。
若TC小于發(fā)動機的靜態(tài)阻力矩TC0,則發(fā)動機不會產生角加速度,即發(fā)動機轉速維持在零點;若TC大于發(fā)動機靜態(tài)阻力矩TC0,則發(fā)動機將被拖動而產生轉速波動,即 ωC≠0,由單級行星排運轉特性方程(5)可知,此時會引起齒圈轉速變化,進而引起輸出端的輸出平穩(wěn)性。
因此,在實際控制過程中需實時調整發(fā)電機 EM1 的輸出扭矩 TS 與齒圈的作用扭矩TR,使作用在行星架上的扭矩 TC 始終小于發(fā)動機靜態(tài)阻力矩 TC0,以保證行星架轉速控制在零點附近。
②低速純電行駛工況:通過控制發(fā)電機 EM1 的輸出扭矩 TS 與齒圈的作用扭矩 TR, 可使純電加速過程中行星架轉速始終維持在零點,隨著車速增加,輸出軸的阻力矩 Tf 也隨之增加,直至驅動電機 EM2 的輸出扭矩TEM2 與輸出軸的阻力矩 Tf 相平衡,行星排系統杠桿位置保持穩(wěn)定狀態(tài),系統進入勻速純電動行駛模式(為簡化分析模型,忽略各原件轉動慣量及摩擦損耗的影響)。
其他工況模式控制原理基本相同,此處不再贅述。
2、串并聯式:以本田 i-MMD 為例,對串并聯式混合動力系統進行說明
結構布局:發(fā)動機 ICE 與驅動電機 MG2 各只有一檔,且發(fā)動機檔位與驅動電機檔位并聯布置(見圖5)。
圖5 本田 i-MMD 結構布局
驅動電機 MG2 通過減速機構可直接驅動車輪;發(fā)動機ICE 輸出曲軸與發(fā)電機 MG1 通過減速齒輪并聯后,經過離合器 K0 與減速機構耦合,進而驅動車輪。
工作原理
本田 i-MMD 系統雖然結構簡單,但可實現“怠速發(fā)電、EV 行駛、串聯驅動、并聯驅動、發(fā)動機直驅、制動能量回收”等混合動力系統的所有功能模式(如圖 6,依據結構及實車功能分析繪制)。
圖6 本田 i-MMD 系統模式分析
①怠速發(fā)電模式
動力電池 SOC 低于設定值,車輛無起步需求或因動力電池電量過低無法起步時, 系統啟動怠速充電模式, 此時整車處于停止狀態(tài), 離合器K0斷開,驅動電機MG2不工作,發(fā)動機輸出動力通過減速齒輪帶動發(fā)電機MG1發(fā)電,將發(fā)出的電能儲存于動力電池中,以補充動力電池電量。
②EV行駛模式
動力電池SOC值能夠滿足驅動電機MG2驅動整車所需的功率時, 系統不啟動發(fā)動機,離合器K0斷開,此時系統中只有驅動電機MG2工作,驅動車輛行駛。
③發(fā)動機直驅
車輛處于高速巡航時,若動力電池SOC不足以供驅動電機MG2驅動車輛高速行駛,此時車輛對轉速和扭矩的需求基本處在發(fā)動機Map高效區(qū),系統會選擇發(fā)動機直接驅動車輛行駛,避免應用串聯模式而降低動力系統效率。該模式下,驅動電機MG2不工作,K0離合器接合, 發(fā)動機輸出動力經減速機構后, 直接驅動車輛行駛。MG1電機隨時調節(jié)發(fā)動機負荷,使發(fā)動機一直在最高效區(qū)域內工作。
④混動行駛(串聯模式)
動力電池SOC值能夠滿足驅動電機MG2驅動整車所需的功率,且工況未滿足發(fā)動機直驅的條件時, 此時系統選擇斷開離合器K0,發(fā)動機ICE輸出動力帶動發(fā)電機MG1發(fā)電并儲存于動力電池, 以補充動力電池SOC值, 進而為驅動電機MG2驅動車輛行駛提供電能。
⑤混動行駛(并聯模式)
車輛遇到“急加速、爬陡坡”等極端工況時,驅動電機 MG2或發(fā)動機ICE任何單一動力不足以滿足車輛所需的扭矩或功率, 系統選擇驅動電機和發(fā)動機同時工作。此時,離合器K0接合,發(fā)動機ICE輸出動力經離合器K0 后, 與驅動電機MG2輸出的動力耦合后共同驅動車輛行駛, 以應對車輛極端工況對動力的需求。
⑥制動能量回收
駕駛員全收油門溜車或踩下制動踏板時, 系統判斷駕駛員有減速意圖, 此時離合器K0斷開,MG2電機作為發(fā)電機, 提供負扭矩為車輛減速,并將制動能量轉換成電能儲存于動力電池中。
來源:中國汽車 作者:王永廣