混合动力电动汽车机电耦合系统构型分析
吴为理;张雄;李东东;赵江灵
【摘 要】基于混合动力汽车机电耦合系统的实际应用情况和实现动力耦合装置的不同,参考机械式变速器的定义,将机电耦合系统分为固定轴式和行星齿轮式2大类型,并通过实例进行了耦合方式、工作模式、动力传递路径等拓扑学分析.基于对发动机工况的优化和系统效率,对2种机电耦合系统构型进行了分析评价,可根据实际使用情况进行最优选择.
【期刊名称】《汽车零部件》沃尔沃v50
【年(卷),期】2016(000)005
速腾1.8t冠军版【总页数】4页(P1-4)
【关键词】混合动力电动汽车;机电耦合系统;构型分析;固定轴式;行星齿轮式
【作 者】吴为理;张雄;李东东;赵江灵
【作者单位】广州汽车集团股份有限公司汽车工程研究院,广东广州511434;广州汽车集团股份有限公司汽车工程研究院,广东广州511434;广州汽车集团股份有限公司汽车工程研究院,广东广州511434;广州汽车集团股份有限公司汽车工程研究院,广东广州511434
【正文语种】中 文
大众汽车polo>杭州电动汽车租赁【中图分类】U469.72
混合动力汽车是目前市场表现最好的新能源汽车，而对将内燃机和电机动力进行耦合输出的机电耦合系统的研究也是目前汽车行业的热点之一[1-2]。机电耦合系统的结构决定了混合动力汽车的运行模式，也是整车控制策略制定的依据，直接影响整车动力性和经济性。目前市场上主要的混合动力汽车也有着不同的机电耦合系统方案和技术路线，如以丰田THS、通用Volt为代表的采用行星齿轮的机电耦合系统，以本田i-MMD为代表的采用定轴齿轮的机电耦合系统，以及科研机构提出的技术方案[3-4]。文中从耦合方式和运动特性入手，对机电耦合系统构型进行归类分析和评价，这对于混合动力汽车机电耦合系统方案选择、参数设计和控制策略制定都具有重要的指导意义。
混合动力汽车的动力系统主要分3类：串联式(Series Hybrid)、并联式(Parallel Hybrid)和混联式(Series-parallel Hybrid)[5]。其中串联式系统结构和能量流相对简单，文献[5]将该串联式系统的耦合方式称为电耦合；而并联式和混联式的动力系统中都存在直接的机械能耦合，根据耦合方式和运动特性不同，机械耦合又可分为转矩耦合和转速耦合[5-6]。
1.1　转矩耦合
转矩耦合是指各动力源输出的转矩独立，转速符合一定的比例关系，动力耦合输出的转矩等于各动力源转矩的线性和。常见的机械转矩耦合结构及转速转矩特性如图1所示。
在忽略能量损耗的稳定工作状态下，转矩耦合的输出功率应等于其输入功率之和。
P3=T3ω3=T1ω1+T2ω2
进而可表示为：
T3=T1k1+T2k2
式中：P3为转矩耦合的输出功率；T3为转矩耦合器的输出转矩；T1、T2为转矩耦合的输
入转矩；k1、k2为转矩耦合的结构参数：传动比；ω1、ω2、ω3分别为转矩耦合输入输出的角速度。由于式(1)的约束，角速度ω1、ω2、ω3存在如下所示关联：
从式(2)和(3)可知：发动机和电动机转矩T1、T2彼此无关，可分别独立控制；而角速度ω1、ω2、ω3相互关联，不能独立控制，转速转矩关系(动力传递)较为简明清晰。
1.2　转速耦合
转速耦合是指各动力源的转速相互独立，而转矩则成一定比例关系，动力耦合输出的转速等于各动力源转速的线性和。常见的机械转速耦合有行星齿轮耦合、定子浮动式电机耦合等，以下以单排行星齿轮结构为例分析转速耦合的运动特性。瑞风彩之旅
根据行星齿轮运动特性，转速耦合装置的各转速关系可表示为：
ω1+igω2-(1+ig)ω3=0
或
式中：ig=Z2/Z1，转速耦合的结构参数，其中Z2为齿圈齿数，Z1为太阳轮齿数，是与结构
和几何形状设计相关的常数。
同时，根据系统能量守恒原理，忽略系统能量损耗，结合式(4)可得到转速耦合装置的各转矩关系如下：
由式(5)和(6)可知：角速度ω1、ω2、ω3中，有2个转速是彼此无关的，可独立控制，从而使得瞬时的发动机转速不受车辆的负载转矩和车速制约；而发动机和电动机转矩、彼此关联，不能独立控制。
为更直观地了解图2所示行星齿轮机构转速耦合的转速关系和功率流向，可转化为图3。图3(a)所示为单排行星齿轮3个输入输出端的转速关系，可通过任意调节其中2个转速达到满足第3个转速要求的效果；当3个端口转速方向一致时，可完成图3(b)或与图3(b)相反的功率分流或耦合。因此，通过改变输入转速的方向实现更多的动力传递路径。
目前市场上常见的混合动力汽车机电耦合系统有转矩耦合、转速耦合、同时含转矩耦合和转速耦合。如舍弗勒P2系统和本田i-MMD采用的是转矩耦合，科力远CHS采用的转矩耦合方式，丰田THS和通用Volt则同时采用了转速耦合和转矩耦合，而实现动力耦合的装置则
以定轴齿轮和行星齿轮为主。因此，参考机械式变速器的定义，将采用不同耦合装置的机电耦合系统构型分为固定轴式机电耦合系统和行星齿轮式机电耦合系统。
2.1　固定轴式机电耦合系统
固定轴式机电耦合系统是指所有轴的旋转中心固定不变的机电耦合系统，而根据集成电机数量的不同又可分为单电机固定轴式机电耦合系统和双电机固定轴式机电耦合系统。目前市场上主流的单电机固定轴式机电耦合系统主要有舍弗勒P2、比亚迪秦等混合动力系统；而主流的双电机固定轴式机电耦合系统主要有本田i-MMD、三菱欧蓝德PHEV前驱系统等。图4所示为本田i-MMD的构型简化图。
如图4所示，整个机电耦合系统采用定轴齿轮进行，通过控制离合器改变发动机的动力输出，从而实现不同的驱动模式，且所有传动均为定速比传动。该结构在中高速时可由发动机直接驱动车辆，在低速时以EV或串联驱动模式为主，因此可同时兼顾不同车辆工况下的动力系统效率，以降低能耗。i-MMD驱动模式见表1。
在混合动力模式下，为了提高燃油效率，系统会考虑SOC、车速等条件，在EV、串联混合
动力、并联混合动力之中选择燃油效率最好的模式；在SOC偏低的状态下，进入发动机直驱模式后，在发动机工作期间，发电也会同步进行，从而提升SOC。当SOC上升到一定程度后，发动机将停止运转，切换到EV模式行驶。
2.2　行星齿轮式机电耦合系统过户流程
行星齿轮式机电耦合系统是指采用行星齿轮进行动力耦合和传动的机电耦合系统。采用行星齿轮式机电耦合系统的混合动力汽车一般为双电机系统，丰田THS、通用Volt、科力远CHS等均为行星齿轮式机电耦合系统。各行星齿轮式机电耦合系统的差异主要体现在采用的行星齿轮的型式和数量，如丰田THS采用单个行星齿轮机构，新一代通用Volt则采用双行星齿轮进行动力耦合，而科力远CHS采用的是复合式行星齿轮机构。图5所示为新一代通用Volt构型。