混合動力電動汽車機電耦合系統構型分析

吳為理，張雄，李東東，趙江靈

(廣州汽車集團股份有限公司汽車工程研究院，廣東廣州 511434)

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混合動力電動汽車機電耦合系統構型分析

吳為理，張雄，李東東，趙江靈

(廣州汽車集團股份有限公司汽車工程研究院，廣東廣州 511434)

摘要：基于混合動力汽車機電耦合系統的實際應用情況和實現動力耦合裝置的不同，參考機械式變速器的定義，將機電耦合系統分為固定軸式和行星齒輪式2大類型，并通過實例進行了耦合方式、工作模式、動力傳遞路徑等拓撲學分析。基于對發動機工況的優化和系統效率，對2種機電耦合系統構型進行了分析評價，可根據實際使用情況進行最優選擇。

關鍵詞：混合動力電動汽車；機電耦合系統；構型分析；固定軸式；行星齒輪式

0引言

混合動力汽車是目前市場表現最好的新能源汽車，而對將內燃機和電機動力進行耦合輸出的機電耦合系統的研究也是目前汽車行業的熱點之一[1-2]。機電耦合系統的結構決定了混合動力汽車的運行模式，也是整車控制策略制定的依據，直接影響整車動力性和經濟性。目前市場上主要的混合動力汽車也有著不同的機電耦合系統方案和技術路線，如以豐田THS、通用Volt為代表的采用行星齒輪的機電耦合系統，以本田i-MMD為代表的采用定軸齒輪的機電耦合系統，以及科研機構提出的技術方案[3-4]。文中從耦合方式和運動特性入手，對機電耦合系統構型進行歸類分析和評價，這對于混合動力汽車機電耦合系統方案選擇、參數設計和控制策略制定都具有重要的指導意義。

1耦合方式及耦合特性

混合動力汽車的動力系統主要分3類：串聯式(Series Hybrid)、并聯式(Parallel Hybrid)和混聯式(Series-parallel Hybrid)[5]。其中串聯式系統結構和能量流相對簡單，文獻[5]將該串聯式系統的耦合方式稱為電耦合；而并聯式和混聯式的動力系統中都存在直接的機械能耦合，根據耦合方式和運動特性不同，機械耦合又可分為轉矩耦合和轉速耦合[5-6]。

1.1轉矩耦合

轉矩耦合是指各動力源輸出的轉矩獨立，轉速符合一定的比例關系，動力耦合輸出的轉矩等于各動力源轉矩的線性和。常見的機械轉矩耦合結構及轉速轉矩特性如圖1所示。

在忽略能量損耗的穩定工作狀態下，轉矩耦合的輸出功率應等于其輸入功率之和。

P3=T3ω3=T1ω1+T2ω2

(1)

進而可表示為：

T3=T1k1+T2k2

(2)

式中：P3為轉矩耦合的輸出功率；T3為轉矩耦合器的輸出轉矩；T1、T2為轉矩耦合的輸入轉矩；k1、k2為轉矩耦合的結構參數：傳動比；ω1、ω2、ω3分別為轉矩耦合輸入輸出的角速度。由于式(1)的約束，角速度ω1、ω2、ω3存在如下所示關聯：

(3)

從式(2)和(3)可知：發動機和電動機轉矩T1、T2彼此無關，可分別獨立控制；而角速度ω1、ω2、ω3相互關聯，不能獨立控制，轉速轉矩關系(動力傳遞)較為簡明清晰。

1.2轉速耦合

轉速耦合是指各動力源的轉速相互獨立，而轉矩則成一定比例關系，動力耦合輸出的轉速等于各動力源轉速的線性和。常見的機械轉速耦合有行星齒輪耦合、定子浮動式電機耦合等，以下以單排行星齒輪結構為例分析轉速耦合的運動特性。

根據行星齒輪運動特性，轉速耦合裝置的各轉速關系可表示為：

ω1+igω2-(1+ig)ω3=0

(4)

或

(5)

式中：ig=Z2/Z1，轉速耦合的結構參數，其中Z2為齒圈齒數，Z1為太陽輪齒數，是與結構和幾何形狀設計相關的常數。

同時，根據系統能量守恒原理，忽略系統能量損耗，結合式(4)可得到轉速耦合裝置的各轉矩關系如下：

(6)

由式(5)和(6)可知：角速度ω1、ω2、ω3中，有2個轉速是彼此無關的，可獨立控制，從而使得瞬時的發動機轉速不受車輛的負載轉矩和車速制約；而發動機和電動機轉矩、彼此關聯，不能獨立控制。

為更直觀地了解圖2所示行星齒輪機構轉速耦合的轉速關系和功率流向，可轉化為圖3。圖3(a)所示為單排行星齒輪3個輸入輸出端的轉速關系，可通過任意調節其中2個轉速達到滿足第3個轉速要求的效果；當3個端口轉速方向一致時，可完成圖3(b)或與圖3(b)相反的功率分流或耦合。因此，通過改變輸入轉速的方向實現更多的動力傳遞路徑。

2構型分類分析

目前市場上常見的混合動力汽車機電耦合系統有轉矩耦合、轉速耦合、同時含轉矩耦合和轉速耦合。如舍弗勒P2系統和本田i-MMD采用的是轉矩耦合，科力遠CHS采用的轉矩耦合方式，豐田THS和通用Volt則同時采用了轉速耦合和轉矩耦合，而實現動力耦合的裝置則以定軸齒輪和行星齒輪為主。因此，參考機械式變速器的定義，將采用不同耦合裝置的機電耦合系統構型分為固定軸式機電耦合系統和行星齒輪式機電耦合系統。

2.1固定軸式機電耦合系統

固定軸式機電耦合系統是指所有軸的旋轉中心固定不變的機電耦合系統，而根據集成電機數量的不同又可分為單電機固定軸式機電耦合系統和雙電機固定軸式機電耦合系統。目前市場上主流的單電機固定軸式機電耦合系統主要有舍弗勒P2、比亞迪秦等混合動力系統；而主流的雙電機固定軸式機電耦合系統主要有本田i-MMD、三菱歐藍德PHEV前驅系統等。圖4所示為本田i-MMD的構型簡化圖。

如圖4所示，整個機電耦合系統采用定軸齒輪進行，通過控制離合器改變發動機的動力輸出，從而實現不同的驅動模式，且所有傳動均為定速比傳動。該結構在中高速時可由發動機直接驅動車輛，在低速時以EV或串聯驅動模式為主，因此可同時兼顧不同車輛工況下的動力系統效率，以降低能耗。i-MMD驅動模式見表1。

在混合動力模式下，為了提高燃油效率，系統會考慮SOC、車速等條件，在EV、串聯混合動力、并聯混合動力之中選擇燃油效率最好的模式；在SOC偏低的狀態下，進入發動機直驅模式后，在發動機工作期間，發電也會同步進行，從而提升SOC。當SOC上升到一定程度后，發動機將停止運轉，切換到EV模式行駛。

2.2行星齒輪式機電耦合系統

行星齒輪式機電耦合系統是指采用行星齒輪進行動力耦合和傳動的機電耦合系統。采用行星齒輪式機電耦合系統的混合動力汽車一般為雙電機系統，豐田THS、通用Volt、科力遠CHS等均為行星齒輪式機電耦合系統。各行星齒輪式機電耦合系統的差異主要體現在采用的行星齒輪的型式和數量，如豐田THS采用單個行星齒輪機構，新一代通用Volt則采用雙行星齒輪進行動力耦合，而科力遠CHS采用的是復合式行星齒輪機構。圖5所示為新一代通用Volt構型。

如圖5所示，Volt整個機電耦合系統含3個單排行星齒輪機構，其中主要有1個行星齒輪機構(R1/C1/S1)用于動力耦合。通過3個離合器的控制，可實現多種不同動力傳遞路徑和驅動模式。由于行星齒輪機構能實現轉速耦合，輸入輸出轉速彼此解耦，可實現更多的動力傳遞路徑和驅動模式，動力傳遞路徑也更為復雜。

由表2可知：Volt較i-MMD多出2個混合驅動模式，當SOC偏低時，系統可根據車速、油門信號等條件，在混動模式1、發動機定速比驅動、混動模式2之中選擇兼顧系統效率和動力輸出的模式，從而在任意工況下保證良好的整車經濟性和動力性。根據前文對轉速耦合的特性分析，可將3種驅動模式的工作原理用圖6示意，其中混動模式1、混動模式2還具有無級變速功能；從圖中3種模式的耦合特性可看出：混動模式1、發動機定速比驅動、混動模式2一般用于低、中、高車速工況。

3機電耦合系統構型評價

混合動力汽車發展的主要優勢和目的是節能減排，在保證良好的動力性前提下盡量降低整車油耗和排放，因此機電耦合系統的評價主要基于是否有利于優化發動機的工作狀況，從而降低油耗和排放，同時保證良好的動力性能。

3.1固定軸式機電耦合系統

采用固定軸式機電耦合系統的混合動力汽車可實現的驅動模式較少，主要耦合方式有電耦合和轉矩耦合。電耦合時，可獨立控制發動機運行工況，控制發動機工作在最經濟區域，但能量經2次轉化后，總體效率將有所降低。轉矩耦合時，發動機的轉矩可控，轉速不可獨立控制，因而可以通過控制電機轉矩，使發動機工作在經濟區域；為定速比傳動，不可變速，可增加多擋位設置使發動機盡量運行在更小更精確的經濟區域。

固定軸式機電耦合系統結構簡單，混動驅動模式動力傳遞路徑比較單一，控制相對簡單，傳動效率高，也方便在傳統車現有結構上進行改裝。

3.2行星齒輪式機電耦合系統

采用行星齒輪式機電耦合系統的混合動力汽車可實現更多的混合驅動模式，以轉速耦合為主，發動機轉速可獨立控制，轉矩不可控，可通過調節電機轉速使發動機工作在經濟區域，在不改變發動機轉速的情況下，也可通過連續調整電機轉速使車速連續變化，具有無級變速的特性。可通過實現不同的混動模式，改變動力傳遞路徑，以在不同工況均保持較高的系統效率。

行星齒輪式機電耦合系統結構和控制相對復雜，具有更多的混動模式和動力傳遞路徑，系統效率可維持在一個較高的水平，同時具有無級變速功能，無須再單獨設置變速器。

4總結

基于混合動力汽車實際搭載應用情況，將機電耦合系統分為固定軸式機電耦合系統和行星齒輪式機電耦合系統2大類型，基于實例對2種構型進行了耦合方式、工作模式、動力傳遞路徑等拓撲學分析，并給出了分析方法。

基于對發動機工況的優化和系統效率，對固定軸式機電耦合系統和行星齒輪式機電耦合系統進行了分析評價。2種類型的機電耦合系統均可優化發動機的運行區域，但2種構型的提升系統效率的方式和控制難易程度則有較大區別，可根據實際使用情況進行最優選擇。

參考文獻:

【1】GOKASAN M,BOGOSYAN S,GOERING D J.Sliding Mode Based Powertrain Control for Efficiency Improvement in Series Hybrid Electric Vehicles[J].IEEE Transactions on Power Electronics,2006,21(3):779-790.

【2】鄒乃威.無級變速混合動力汽車動力禍合及速比控制研究[D].長春：吉林大學，2009.

【3】袁慶強,徐達.新型混合動力驅動系統與控制策略的設計[J].上海汽車,2007(8):7-10.

【4】張欣.一種新型混合動力驅動系統的設計[J].車輛與動力技術,2009(1):7-11.

【5】EHSANI M,GAO Y,EMADI A.現代電動汽車、混合動力電動汽車和燃料電池車—基本原理、理論和設計[M].倪光正,熊素銘,譯.2版.北京:機械工業出版社,2010.

【6】高建平，何洪文，孫逢春.混合動力電動汽車機電耦合系統歸類分析[J].北京理工大學學報,2008,28(3):197-201.

Configuration Analysis of Mechatronic Coupling System in Hybrid Electric Vehicle

WU Weili, ZHANG Xiong, LI Dongdong, ZHAO Jiangling

(Automotive Engineering Institute, Guangzhou Automobile Group Co.,Ltd., Guangzhou Guangdong 511434,China)

Keywords:Hybrid electric vehicle；Mechatronic coupling system；Configuration analysis；Fixed-shaft type; Planetary type

Abstract:Based on the actual situation of mechatronic coupling system in hybrid electric vehicle and dynamic coupling device, consulting the definition of transmission, mechatronic coupling system was divided into fixed-shaft type and planetary type. Base on coupling mode, working mode and power transmission path, topology analysis was carried out. Based on the optimization of engine operating conditions and system efficiency, the two basic kinds of mechatronic coupling system were evaluated. The optimal selection could be made according to actual usage.

收稿日期：2016-04-06

作者簡介：吳為理(1986—)，男，碩士，研究方向為新能源汽車機電耦合系統。E-mail：524530814@qq.com。

中圖分類號:U469.72

文獻標志碼：B

文章編號：1674-1986(2016)05-001-04