目前全球范圍內(nèi)乘用車最主流的混動(dòng)系統(tǒng)主要有:?jiǎn)?a target="_blank">電機(jī)并聯(lián)、雙電機(jī)串并聯(lián)(混聯(lián))、以及動(dòng)力分流三種混動(dòng)結(jié)構(gòu)。本文從豐田THS 1/2代和通用Voltech2代的結(jié)構(gòu)入手,分析了這兩套系統(tǒng)各自行駛模式下的動(dòng)力流。
歐洲廠商相對(duì)更傾向使用單電機(jī)并聯(lián)的混動(dòng)結(jié)構(gòu)。按照電機(jī)在整個(gè)傳動(dòng)系中不同的布置位置,又可以分為P0,P1,P2,P3,P4等結(jié)構(gòu)(見圖1)。例如德國大眾Glof GTE(DQ400E)將電機(jī)和電機(jī)離合器布置于發(fā)動(dòng)機(jī)與變速器之間,為P2的結(jié)構(gòu);國內(nèi)市場(chǎng)熱銷的比亞迪秦將電機(jī)布置在差速器前,為P3結(jié)構(gòu);比亞迪唐在秦的基礎(chǔ)上,在后橋上又增加了一個(gè)電機(jī),形成了P3+P4的雙電機(jī)并聯(lián)結(jié)構(gòu),同時(shí)實(shí)現(xiàn)了電四驅(qū);此外,目前熱門的48V弱混系統(tǒng)大都是將單電機(jī)布置在原來發(fā)電機(jī)的位置,即為P0結(jié)構(gòu)。
圖1 單電機(jī)并聯(lián)結(jié)構(gòu)
Fig.1 Single-EM Parallel Structure
上海汽車的榮威E550(圖2),三菱歐藍(lán)德PHEV以及本田的i-MMD混動(dòng)系統(tǒng)采用的都是雙電機(jī)混聯(lián)結(jié)構(gòu),可以實(shí)現(xiàn)串聯(lián)、并聯(lián)、發(fā)動(dòng)機(jī)直驅(qū)等混動(dòng)模式,本文不作過多的介紹。
在美日混動(dòng)乘用車市場(chǎng)占據(jù)絕對(duì)主力的混動(dòng)結(jié)構(gòu)則是以豐田THS (TOYOTA Hybrid System)以及通用Voltech為代表的E-CVT動(dòng)力分流(Power-Split)混動(dòng)系統(tǒng)。下面將對(duì)這兩種系統(tǒng)做詳細(xì)深入的介紹和分析。
圖2 上海汽車榮威e550 EDU結(jié)構(gòu)圖
Fig.2 SAIC Rowea E550 Twin-EM Series/Parallel Structure
1 豐田THS 1/2代系統(tǒng)
豐田普銳斯、卡羅拉雙擎、雷凌雙擎,雷克薩斯CT200h等混動(dòng)車型使用的均為THS(TOYOTA Hybrid System)混動(dòng)系統(tǒng)[4-6]。
1.1 結(jié)構(gòu)原理
THS 1/2代混動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成如圖3所示,由一臺(tái)阿特金森發(fā)動(dòng)機(jī)(ICE),兩個(gè)電機(jī)(EM1,EM2)以及一個(gè)簡(jiǎn)單行星輪組成。
ICE與行星架(C)連接, EM1與太陽輪(S)連接, EM2與齒圈(R)連接并與差速器連接以輸出動(dòng)力。該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn) 純電(EV Mode) 及 動(dòng)力分流(Power-Split Mode) 兩種行駛模式。
為了便于后面計(jì)算分析,這里定義簡(jiǎn)單行星輪的齒圈齒數(shù)Zr與太陽輪齒數(shù)Zs比∝為:
(1)
圖3 TOYOTA THS Gen1/2結(jié)構(gòu)原理
Fig.3 Structure of THS Gen1/2
1.2 不同駕駛模式的動(dòng)力流分析
1) 純電模式(EV Mode):
純電模式下,如圖4所示, ICE處于停機(jī)狀態(tài)(鎖止),EM2通過齒圈直接驅(qū)動(dòng)車輛行駛,此時(shí)EM1由于簡(jiǎn)單行星輪的運(yùn)動(dòng)關(guān)系處于反向空轉(zhuǎn)的狀態(tài)。假設(shè)車輛前進(jìn)時(shí)齒圈順時(shí)針旋轉(zhuǎn)(下同),則EM1和EM2運(yùn)動(dòng)關(guān)系如圖5所示。
圖4 純電模式動(dòng)力流
Fig.4 EV Mode Power Flow
圖5 EV Mode行星齒輪各元件運(yùn)動(dòng)關(guān)系
Fig.5 EV Mode kinematic relation
通過杠桿法(The Level Analogy[7])我們可以對(duì)該運(yùn)行模式下的行星輪各運(yùn)動(dòng)元件進(jìn)行轉(zhuǎn)速及扭矩的分析,如圖6所示。
此時(shí)EM2正轉(zhuǎn)輸出功率,EM1反向空轉(zhuǎn),且轉(zhuǎn)速為EM2的α倍(式2),整個(gè)系統(tǒng)的輸出扭矩Tsum即為TEM2(式3):
(2)
(3)
圖6 EV Mode杠桿法轉(zhuǎn)速分析
Fig.6 EV Mode Level Analogy Analysis
由于EM1轉(zhuǎn)速為EM2的α倍,受限于EM1的最高轉(zhuǎn)速,純電模式下車速最高只能達(dá)到40MPH(約64KPH,基于普銳斯α=2.6得出),之后發(fā)動(dòng)機(jī)必須啟動(dòng),以降低EM1的轉(zhuǎn)速。
2) 動(dòng)力分流模式(Power-Split Mode):
動(dòng)力分流模式下,如圖7所示, ICE處于運(yùn)行狀態(tài)將功率通過行星架輸入到行星輪系中,EM1處于負(fù)功率的發(fā)電狀態(tài),EM2處于輸出功率的狀態(tài)。行星輪系各元件運(yùn)動(dòng)關(guān)系如圖8所示。
圖7 動(dòng)力分流模式
Fig.7 Power-Split Mode Power Flow
圖8 Power-Split Mode行星齒輪各元件運(yùn)動(dòng)關(guān)系
Fig.8 Power-Split Mode kinematic relation
同樣通過杠桿法對(duì)該運(yùn)行模式下的行星輪各運(yùn)動(dòng)元件進(jìn)行轉(zhuǎn)速及扭矩的分析(見圖9)。
圖9 Power-Split Mode杠桿法轉(zhuǎn)速扭矩分析
Fig.9 Power-Split Mode Level Analogy Analysis
從圖9我們可以得出發(fā)動(dòng)機(jī)(ICE)、EM1、EM2的轉(zhuǎn)速關(guān)系滿足式4:
(4)
ICE,EM1和輸出到差速器的扭矩相互平衡,滿足式5:
(5)
由α=2.6,帶入式4和式5后可得式6式7,即發(fā)動(dòng)機(jī)輸入到行星輪系中的扭矩的72%輸出到差速器驅(qū)動(dòng)車輛,28%通過EM1進(jìn)行發(fā)電。
(6)
(7)
整個(gè)系統(tǒng)輸出到差速器用于驅(qū)動(dòng)車輛的總扭矩如下式所示:
(8)
綜上,當(dāng)車輛瞬時(shí)的行駛狀態(tài)一定時(shí)(即輸出轉(zhuǎn)速nEM2/OUT及行駛阻力扭矩TOUT確定):
● 由式6可知,通過控制EM1的轉(zhuǎn)速,可以調(diào)整發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速;
● 由式8可知,通過控制EM2的扭矩,可以調(diào)整發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出扭矩。
圖10展示了某傳統(tǒng)汽油發(fā)動(dòng)機(jī)的油耗特性曲線,對(duì)于這臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)而言,當(dāng)轉(zhuǎn)速在2600轉(zhuǎn),扭矩在130Nm左右時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)的瞬時(shí)油耗最低(淺綠色區(qū)域)。所以對(duì)于雙電機(jī)動(dòng)力分流的混動(dòng)系統(tǒng)來說,在動(dòng)力分流行駛模式下,發(fā)動(dòng)機(jī)的扭矩與轉(zhuǎn)速可以解耦地進(jìn)行調(diào)整,這樣發(fā)動(dòng)機(jī)可以盡可能地工作在最佳油耗區(qū)域。這一結(jié)論同樣適用與之后將介紹的通用Voltech 2代混動(dòng)系統(tǒng)。[8-9]
1.3 動(dòng)力分流混動(dòng)效率分析
為了考量動(dòng)力分流模式下的混動(dòng)效率,我們提出下面兩個(gè)假設(shè)前提:
1) 整車為HEV,即非插電式混動(dòng);
2) 不考慮電池SOC,即發(fā)電電機(jī)的發(fā)電功率完全供給驅(qū)動(dòng)電機(jī)用于驅(qū)動(dòng)車輛,即PEM1=-PEM2。
在以上兩個(gè)假設(shè)條件下,混動(dòng)模式中發(fā)動(dòng)機(jī)輸出的功率越多地參與驅(qū)動(dòng)車輛,越少地用于發(fā)電后再通過另一電機(jī)驅(qū)動(dòng)車輛(多次能量轉(zhuǎn)換),能量轉(zhuǎn)換的損失就越小,即可以理解為理論上的混動(dòng)效率越高。
通過上一節(jié)中的杠桿法所作的分析,我們可以求得兩個(gè)電機(jī)功率PEM與發(fā)動(dòng)機(jī)功率PICE關(guān)系式9:
(9)
兩個(gè)電機(jī)轉(zhuǎn)速nEM與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速nICE比的關(guān)系式10,式11:
圖10 某傳統(tǒng)汽油發(fā)動(dòng)機(jī)油耗特性曲線
Fig.10 Gasoline Engine Fuel Consumption Diagram (Example)
(10)
(11)
兩個(gè)電機(jī)扭矩TEM與發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩TICE比的關(guān)系滿足式12,式13:
(12)
(13)
根據(jù)式9-13分別作出功率比、扭矩比、轉(zhuǎn)速比的曲線,如圖11所示:
圖11 電機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)功率比、扭矩比、轉(zhuǎn)速比曲線
Fig.11 EM,ICE Power Ratio, Torque Ratio, Rotation speed Ratio
從圖上可見,該系統(tǒng)中有一個(gè)節(jié)點(diǎn)P(Knot),其對(duì)應(yīng)的速比K為0.72(如上節(jié)所述,設(shè)α=2.6),在這個(gè)節(jié)點(diǎn)上EM1和EM2的功率都為零,其中EM2的扭矩TEM2=0,EM1的轉(zhuǎn)速nEM1=0,此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)輸出的所有功率均用于驅(qū)動(dòng)車輛。
當(dāng)速比大于節(jié)點(diǎn)K=0.72時(shí)(0.72左側(cè)),EM1發(fā)電(負(fù)功率),且發(fā)電所得所有功率都用于EM2輸出功率驅(qū)動(dòng)車輛,當(dāng)速比為∞時(shí),兩個(gè)電機(jī)與發(fā)動(dòng)機(jī)功率比為±1,即發(fā)動(dòng)機(jī)功率全部用于EM2發(fā)電后供給EM1驅(qū)動(dòng)車輛。
當(dāng)速比小于節(jié)點(diǎn)K=0.72時(shí)(0.72右側(cè)),EM2開始發(fā)電(負(fù)功率),EM1開始輸出正功率,此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)的功率在系統(tǒng)輸出端(齒圈)進(jìn)行分流,一部分用于驅(qū)動(dòng)車輛,一部分由EM2發(fā)電后再將功率提供給EM1驅(qū)動(dòng)太陽輪,這樣就形成了動(dòng)力回流(Power Circulation),效率相對(duì)較低。
因此,在實(shí)際運(yùn)行時(shí),速比K一般會(huì)控制在節(jié)點(diǎn)0.72以上(圖中0.72左側(cè))。
為了彌補(bǔ)純電模式下的最高車速較低這一系統(tǒng)限值,豐田在新一代的THS系統(tǒng)中增加了一組簡(jiǎn)單行星輪作為減速機(jī)構(gòu),如圖12所示。第2組簡(jiǎn)單行星輪的加入一方面可以解決EM1在純電模式下空轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速高的問題,對(duì)于PHEV的意義更大,另一方面可以降低系統(tǒng)對(duì)于EM2的功率扭矩要求。
圖12 TOYOTA THS Gen3結(jié)構(gòu)原理圖
Fig.12 Structure THS Gen3
2 通用沃蘭達(dá) Voltech 2代混動(dòng)系統(tǒng)
2.1 結(jié)構(gòu)原理
通用汽車在全新一代沃蘭達(dá)Volt上使用了Voltech 2代混動(dòng)變速器。其結(jié)構(gòu)如圖13所示,由一臺(tái)75kW發(fā)動(dòng)機(jī),兩個(gè)電機(jī)(EM1,EM2),一個(gè)單向離合器,兩組多片式離合器組成。可以實(shí)現(xiàn)以下5種行駛模式,其中模式3為單分流模式,模式5為復(fù)合分流模式:
1) 單電機(jī)純電模式(Single-EM EV Mode);
圖13 GM Voltech 2代結(jié)構(gòu)原理圖
Fig.13 Structure GM Voltech2
2) 雙電機(jī)純電模式(Twin-EM EV Mode);
3) 低增程模式(Low Extended Range Mode);
4) 定速比增程模式(Fixed Ratio Extended Mode);
5) 高增程模式(High Extended Range Mode)。
2.2 不同行駛模式的動(dòng)力流分析
由于本文主要討論和研究混動(dòng)效率,因此這里僅對(duì)模式3“低增程模式“ 和模式5“高增程模式”運(yùn)用杠桿法進(jìn)行分析。其他的運(yùn)行模式僅作簡(jiǎn)要的動(dòng)力流介紹。
1) 單電機(jī)純電模式(Single-EM EV Mode):
如圖14所示,單電機(jī)純電模式下,ICE處于熄火狀態(tài),離合器2接合使得簡(jiǎn)單行星輪2的齒圈固定,EM2輸出動(dòng)力到行星輪2的太陽輪,最終由行星輪2的行星架將動(dòng)力輸出至差速器驅(qū)動(dòng)車輛。
圖14 單電機(jī)純電模式動(dòng)力流
Fig.14 Single-EM EV Mode Power Flow
2) 雙電機(jī)純電模式(Twin-EM EV Mode):
如圖15所示,在單電機(jī)純電模式的基礎(chǔ)上,雙電機(jī)模式下EM1也同時(shí)參與驅(qū)動(dòng),其與行星輪1的太陽輪連接,行星輪1的齒圈由于單向離合器的作用而被固定,EM1的動(dòng)力由行星輪1的行星架輸出到差速器共同參與驅(qū)動(dòng)車輛。
圖15 雙電機(jī)純電模式動(dòng)力流
Fig.15 Twin-EM EV Mode Power Flow
3) 低增程模式(Low Extended Range Mode):
如圖16所示,低增程模式與豐田THS的動(dòng)力分流模式類似,為一種單分流模式。此時(shí)ICE運(yùn)行輸出功率到簡(jiǎn)單行星輪1的齒圈,一部分功率驅(qū)動(dòng)EM1進(jìn)行發(fā)電,其余功率通過行星輪1的行星架輸出到差速器參與驅(qū)動(dòng)車輛;EM2輸出正功率,通過行星輪2的行星架輸出共同驅(qū)動(dòng)車輛。
圖16 低增程模式動(dòng)力流
Fig.16 Low Extended Range Mode Power Flow
首先運(yùn)用杠桿法對(duì)低增程模式中的簡(jiǎn)單行星輪1進(jìn)行運(yùn)動(dòng)和扭矩分析,各元件的轉(zhuǎn)速和扭矩關(guān)系如圖17所示:
圖17 低增程模式杠桿法分析_簡(jiǎn)單行星輪1
Fig.17 Low Extended Range Mode Level Analogy Analysis:
Single Planet Gear 1
從圖17可以得出ICE、EM1以及輸出端行星架C1的轉(zhuǎn)速關(guān)系滿足式14,輸出端扭矩TOUT與EM1的扭矩TEM1滿足式15:
(14)
(15)
如圖18再對(duì)簡(jiǎn)單行星輪2進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析,可得式16:
(16)
合并式9與式10,可得ICE、EM1、EM2的轉(zhuǎn)速關(guān)系式17:
(17)
圖18 低增程模式杠桿法分析_簡(jiǎn)單行星輪2
Fig.18 Low Extended Range Mode Level Analogy Analysis:
Single Planet Gear 2
最終可以得到EM與ICE的功率比關(guān)系式:
(18)
EM與ICE的轉(zhuǎn)速比關(guān)系式:
(19)
(20)
EM與ICE的扭矩比關(guān)系式:
(21)
(22)
4) 定速比增程模式(Fixed Ratio Extended Mode):
如圖19所示,此模式下兩個(gè)離合器都接合,電機(jī)1、行星輪1的太陽輪、行星輪2的齒圈都被固定,ICE動(dòng)力輸入到行星輪1的齒圈,通過行星架2輸出動(dòng)力到車輪,此時(shí)EM2可以輸出功率,也可以發(fā)電。但是從發(fā)動(dòng)機(jī)到車輪的速比是固定不變的。
圖19 定速比增程模式動(dòng)力流
Fig.19 Fixed Ratio Extended Mode Power Flow
圖20 高增程模式動(dòng)力流
Fig.20 High Extended Range Mode Power Flow
5) 高增程模式(High Extended Range Mode):
此為第二種動(dòng)力分流模式,是一種復(fù)合分流模式。此時(shí)離合器1接合,離合器2脫開,ICE輸出的功率一部分輸出到車輪,一部分可以通過EM2發(fā)電,同時(shí)EM1輸出正功率參與驅(qū)動(dòng)。
再次運(yùn)用杠桿法進(jìn)行運(yùn)動(dòng)和扭矩分析,將兩個(gè)行星輪進(jìn)行合成后,各元件的轉(zhuǎn)速和扭矩關(guān)系如圖21所示,為了簡(jiǎn)化計(jì)算,取a=∝1,b=∝1∝2-1:
圖21 高增程模式杠桿法分析
Fig.21 High Extended Range Mode Level Analogy Analysis
最終可以得到EM與ICE的功率比關(guān)系式:
(23)
EM與ICE的轉(zhuǎn)速比關(guān)系式:
(24)
(25)
EM與ICE的扭矩比關(guān)系式:
(26)
(27)
2.3 動(dòng)力分流混動(dòng)效率分析
從相關(guān)資料中查得Voltech2代兩個(gè)行星輪實(shí)際的參數(shù)∝1=∝2=2.4(即a=∝1=2.4,b=∝1∝2-1=4.76),根據(jù)得出的關(guān)系式(單分流見式18-22,復(fù)合分流見式23-27),可以分別作出兩種模式的電機(jī)/發(fā)動(dòng)機(jī)功率比、扭矩比、轉(zhuǎn)速比對(duì)應(yīng)速比K及速比倒數(shù)(1/K)的曲線,如圖22所示。圖中直線表示單分流模式,曲線表示復(fù)合分流模式。
由下圖可見,這套動(dòng)力分流系統(tǒng)有三個(gè)節(jié)點(diǎn)P0,P1和P2。單分流模式對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn)為P0,復(fù)合分流模式對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn)為P1和P2。實(shí)際求得單分流的節(jié)點(diǎn)P0和復(fù)合分流的節(jié)點(diǎn)P1重合,對(duì)應(yīng)速比K=1.42,P2對(duì)應(yīng)的速比K=0.83。在這兩個(gè)節(jié)點(diǎn)上兩個(gè)電機(jī)的功率均等于0,兩個(gè)電機(jī)的扭矩和轉(zhuǎn)速滿足表1的關(guān)系,而模式4定速比模式(Fixed Ratio Extended Mode)恰恰對(duì)應(yīng)的是P1節(jié)點(diǎn)。
圖22 電機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)功率比、扭矩比、轉(zhuǎn)速比曲線
Fig.22 EM,ICE Power Ratio, Torque Ratio, Rotation speed Ratio
表1 Voltech2代分流模式節(jié)點(diǎn)電機(jī)功率、扭矩、轉(zhuǎn)速關(guān)系
Table 1 Voltech Gen2 EM1,EM2 Power,Torque,Speed on Knot
圖中虛線均表示低效率的動(dòng)力回流工作區(qū)域:對(duì)于單分流模式來說,速比K小于1.42(P0,P1)為動(dòng)力回流區(qū)域;對(duì)于復(fù)合分流模式來說,速比大于1.42(P0,P1)及小于0.83(P2)的區(qū)域均為動(dòng)力回流區(qū)域。
因此,實(shí)際工作中在速比較大時(shí)系統(tǒng)應(yīng)采用低增程(單分流)工作模式;速比小于1.42后切換至高增程(復(fù)合分流)工作模式,模式切換點(diǎn)即為P0,P1節(jié)點(diǎn);車輛高速巡航時(shí),系統(tǒng)可切換至固定速比模式,此時(shí)EM1不參與工作,EM2工作狀態(tài)可視情況而定。
在復(fù)合分流模式下的P1和P2兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間,可以看到兩個(gè)電機(jī)與發(fā)動(dòng)機(jī)的功率相比單分流模式更加接近0,這就意味著發(fā)動(dòng)機(jī)輸出的功率更多地用于直接驅(qū)動(dòng)車輛,因此具有相對(duì)更高的混動(dòng)效率。
3 豐田THS與通用Voltech 2代優(yōu)缺點(diǎn)分析
豐田THS 1/2代混動(dòng)系統(tǒng)由一個(gè)簡(jiǎn)單行星輪組成,無需離合器,機(jī)械結(jié)構(gòu)極其簡(jiǎn)單,因此材料和制造成本方面優(yōu)勢(shì)明顯。但其硬件結(jié)構(gòu)決定了只能實(shí)現(xiàn)單分流混動(dòng)模式,。
通用Voltech 2代由兩個(gè)簡(jiǎn)單行星輪組成,同時(shí)還需要1個(gè)單向離合器和2組多片式離合器進(jìn)行控制,機(jī)械結(jié)構(gòu)上相對(duì)復(fù)雜了不少,對(duì)于變速器布置設(shè)計(jì)和制造都提出了更高的要求,因此制造成本上無疑更高,同時(shí)控制和標(biāo)定也會(huì)更加復(fù)雜。但其復(fù)雜的機(jī)械結(jié)構(gòu)帶來了單分流和復(fù)合分流兩種混動(dòng)模式,使得其速比范圍可以做得更大,同時(shí)在復(fù)合分流模式下具有更高的混動(dòng)效率。
4 總結(jié)和展望
本文從豐田THS 1/2代和通用Voltech2代的結(jié)構(gòu)入手,分析了這兩套系統(tǒng)各自行駛模式下的動(dòng)力流,并通過對(duì)其各自動(dòng)力分流模式下的功率計(jì)算,比較了其理論上的混動(dòng)效率的優(yōu)劣。
目前無論是國際上還是國內(nèi)新能源汽車仍然處于起步階段,其發(fā)展方向很大程度上也取決于外部政策的導(dǎo)向。比如國內(nèi)現(xiàn)在大力鼓勵(lì)發(fā)展插電式混動(dòng)汽車,單電機(jī)并聯(lián)和雙電機(jī)混聯(lián)結(jié)構(gòu)在“大電池”的協(xié)助下,回避了其混動(dòng)效率較低的劣勢(shì),同時(shí)發(fā)揮了其成本低、開發(fā)周期短、控制策略簡(jiǎn)單等優(yōu)勢(shì)。
若在“不插電”這一假設(shè)前提下,動(dòng)力分流的混動(dòng)結(jié)構(gòu)由于可以通過兩個(gè)電機(jī)解耦地對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和扭矩進(jìn)行調(diào)整,使其始終工作在最佳油耗區(qū)域,因此其相較傳統(tǒng)混動(dòng)結(jié)構(gòu)無疑具有更高的混動(dòng)效率。
編輯:黃飛
評(píng)論