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混合动力汽车双电机驱动系统技术分析

2020-03-24 21:53:00·  来源:EDC电驱未来  作者:伍庆龙  
 
1 前言为了有效降低汽车燃油消耗量和尾气排放,满足双积分政策的要求,越来越多的汽车厂商进行推广和研发混合动力汽车。混合动力汽车利用电池给电机提供动力来源
 
 
1 前言
为了有效降低汽车燃油消耗量和尾气排放,满足双积分政策的要求,越来越多的汽车厂商进行推广和研发混合动力汽车。混合动力汽车利用电池给电机提供动力来源,并通过电机来调节发动机的工作点,可以有效降低油耗和排放,进一步提高整车动力性和经济性[1-2]。同时,混合动力汽车利用电机制动,借助新增零部件,可以进行有效的能量回收和能量管理,不同的混合动力系统构型方案可以实现不同的扭矩分配功能[3]。在构型方案上,混合动力汽车可以采用单电机动力系统构型也可以采用双电机动力系统构型,而深混的混合动力系统多采用双电机构型,以便实现全部的混合动力功能,比如串联功能、并联功能和串并联混合功能等。本文通过对两款典型的双电机系统车型进行技术分析,包括构型方案、系统功能及工作模式等,旨在为后续混合动力系统开发提供借鉴意义。
2 本田i-MMD双电机系统构型
本田雅阁i-MMD(Intelligent Multi-Mode Drive)系统技术方案结构如图1所示[4],其动力驱动系统主要包括2.0 L发动机、驱动电机、发电机、离合器以及传动机构等。其中,驱动电机、发电机以及离合器集成形成了电动耦合e-CVT,取代了传统的变速箱,发电机始终与发动机相连,主要用于发电,驱动电机与驱动车轮相连,主要用于驱动车辆行驶,在制动的时候,电机可以回收能量对电池进行充电。
雅阁混合动力汽车搭载了i-MMD双电机系统,整车动力来源采用了以驱动电机为主,发动机为辅的设计,可以实现纯电动、混合动力以及发动机直驱的模式功能。纯电动模式下利用驱动电机驱动车轮;混动模式下发动机启动通过发电机给驱动电机充电,再让驱动电机驱动车轮;发动机直驱模式下离合器闭合,发动机作为动力源与传动系相连驱动车轮。通过三种模式有效切换,使得车辆表现出了更为出色的动力与节油优势。
 
图1 i-MMD系统技术方案结构[4]
3 本田i-MMD双电机系统工作模式
3.1 纯电动模式驱动
在纯电动模式下,动力系统能量传递如图2中所示的箭头方向。在这种模式下,发动机不工作,动力分离装置离合器断开,驱动车辆行驶的能量直接来源于动力电池,动力电池储存的电能经由逆变器提供给驱动电机,驱动电机驱动车辆前进或者后退。在车辆制动时,所产生的能量将被回收充入动力电池内进行储存。
 
图2 纯电动模式能量传递
3.2 混合动力模式驱动
在混合动力模式下,动力系统能量传递如图3中所示的箭头方向。在这种模式下,仍由驱动电机驱动车轮,虽然发动机工作但动力分离装置离合器断开,发动机只负责发电,不直接参与驱动,发动机运行在能发挥最高效率的转速区间内,通过发电机向驱动电机输送电能,产生足够多的电能可以为动力电池充电。车辆需要急加速时,动力电池可以输出额外的电能给驱动电机,使驱动电机瞬时产生大扭矩输出。在车辆减速制动时,可为动力电池提供额外的能量回收。
 
图3 混合动力模式能量传递
3.3 发动机直驱模式驱动
在发动机直驱模式下,动力系统能量传递如图4中所示的箭头方向。在此模式下,发动机工作时动力分离装置离合器处于闭合状态,驾驶员直接控制油门,发动机输出扭矩,并通过传动机构将动力直接传递给车轮。动力电池一般情况下是处于待机状态,为了在加速时候提供更大的动力,在需要大扭矩输出的时候可提供电能给驱动电机,让驱动电机和发动机共同驱动车辆。
 
图4 发动机直驱模式能量传递
3.4 模式切换控制
从整个系统的燃油经济性上来讲,在不同的工况下,采用合适的模式控制,使得发动机运行在最小有效燃油消耗率曲线上,通过三种模式之间的合理切换,可提高从发动机到驱动轴之间的能量传输效率。在起步和低速行驶时,采用纯电动模式,以避免发动机在低负载工况下运行增加油耗。在中速行驶时,采用纯电动和混合动力模式为主适时切换,使发动机效率和电池充放电之间达成平衡。在高速行驶时,采用纯电动模式和发动机直驱模式为主适时切换,能量的传输更加直接及效率更高。
4 上汽荣威EDU双电机系统
上汽荣威EDU电驱动(Electric Drive Unit)系统技术方案结构如图5所示,其动力驱动系统主要包括1.5 L发动机、驱动电机、发电机、离合器C1、离合器C2以及传动机构等。其中,C1位于发电机端,C2位于驱动电机端,通过离合器C1、C2及换档协调控制,可以在发动机和双电机3个动力源之间进行选择输入、控制和输出,实现纯电动、串联、并联和能量回收等模式的切换。根据整车运行工况需求,协调控制各动力源,使其始终处于最佳工作区域,从而实现车辆的油耗和废气排放处于最低水平。
 
图5 EDU电驱系统技术方案结构
荣威e550搭载了EDU双电机系统,采用全时全混三核驱动技术,通过开发双电机扭矩协调混联式的插电式功能,使其拥有了多种混合动力行驶模式,同时系统会自动根据行驶状态判断,选择相应的动力源输出,最终使得整车达到了低油耗和强动力的综合表现。
4.1 纯电动模式驱动
纯电动模式下,动力系统能量传递如图6中所示的箭头方向。在这种模式下,动力系统控制离合器C1断开,C2闭合,动力电池给驱动电机供电,驱动电机驱动车轮,车辆的驱动来源仅由驱动电机提供,经传动机构输出给驱动车轮,具有较强的驱动响应能力。此时车辆处于行驶状态中,发动机不工作,发电机不工作,利用驱动电机驱动车辆。
 
图6 纯电动模式能量传递
4.2 串联模式驱动
串联模式下,动力系统能量传递如图7中所示的箭头能方向。在这种模式下,动力系统控制离合器C1断开,C2闭合,动力电池给驱动电机供电,驱动电机驱动车轮,发动机可以实现对动力电池充电,可根据驱动电机消耗及SOC平衡功率需求确定串联发电需求功率,在发动机、发电机运行范围内选择发电效率在最优经济区域。此时车辆处于行驶状态,发动机工作,发电机给电池进行充电,利用驱动电机驱动车辆。
 
图7 串联模式能量传递
4.3 并联模式驱动
并联模式下,动力系统能量传递如图8中所示的箭头方向。在这种模式下,动力系统控制C1闭合,C2闭合,发动机一方面对电池充电,一方面和驱动电机分别输出扭矩驱动车轮。驱动电机提供主要动力,不足部分由发动机和发电机补充,3个动力源可以同时驱动车轮,整车有更大的扭矩输出,表现出更好的加速性能。此时车辆处于行驶状态,发动机工作,发电机工作,驱动电机驱动,3个动力源同时驱动车辆。
 
图8 并联模式能量传递
4.4 模式切换控制
从整车的经济性和动力性方面而言,采用EDU双电机系统,可以基于双离合器C1及C2,控制协调各子系统,适时选择相应的驱动电机、发电机及发动机动力源输入,最终实现纯电动、串联、并联和能量回收等模式功能的切换。当电池电量高并且车辆对扭矩需求较低的情况下,可进入纯电动模式;当电池电量较低,对扭矩需求不足以进入并联时,可进入串联模式;在较高电池电量和较大扭矩需求下,可进入并联模式。在不同的运行模式下,仪表系统可显示出不同的混动能量流状态[5]。根据当前整车工况协调控制模式切换,让各动力源处于最佳运行状态,以使整车表出更好的性能。
 
5 双电机系统起步分析
混合动力车辆执行完高压上电流程之后就要考虑车辆起步的问题。车辆起步在实际行驶中经常发生,起步性能的好坏对整车平顺性、经济性有很大的影响。针对传统汽车,由于发动机的特性关系,车辆起步需要离合器的滑摩来完成,但对混合动力汽车,特别是搭载双电机的混合动力汽车,车辆起步所需要的扭矩可以由电机来承担。因电机具有在低速时的大扭矩输出特性,适合作为起步动力源,因此,只要匹配的电机满足车辆起步的扭矩和功率需求,就能避免离合器的起步滑摩,达到较理想的起步特性。
 
双电机混合动力系统电机在匹配时,不仅要考虑起步功率需求,还要考虑电机低速驱动时的效率,因电机高效区工作点集中在低速部分,有利于提高电机起步时的性能。在整车控制系统中,需要根据驾驶员的起步要求,控制电机输出扭矩完成车辆的起步,当车速达到或超过起步车速时,可以协调控制电机和发动机工作,由相应的动力源输出扭矩完成车辆的起步控制。
 
6 双电机系统换挡分析
在车辆行驶中,如果换挡过程没有控制好,容易发生动力中断的现象。混合动力汽车在换挡过程中,需要进行多动力源的协调控制[6]。比如在带有双离合器的双电机系统中,发电机和驱动电机这两个双动力源分别通过各自的离合器与变速箱输入轴进行耦合,并经由同步器传递到相应挡位的齿轮,再通过变速箱输出轴传递到车轮。换挡过程涉及到动力源的调速、升扭和降扭的控制,由整车控制系统接收换挡需求信号指令,然后发出各动力源降扭矩指令并判断是否降到了目标扭矩范围内,然后进行动力源的调速,待调速后转速满足一定范围内,则控制动力源升扭完成换挡过程。
 
换挡过程中应注意避免因扭矩不平顺或变化太快而引发的顿挫和冲击,避免由于动力系统输出扭矩产生波动。双电机混合动力系统的换挡过程既有对变速器的控制,又有对电机和发动机的控制,既有自动变速控制技术,又有混合动力系统控制技术,是自动变速技术与混合动力技术的综合协调控制过程。
 
7 总结
本文针对两种双电机串并联混合动力系统的不同技术构型方案进行了分析,对不同的工作模式进行了详细描述,可以看出,不同的构型方案决定了工作模式的实现会有所区别。另外,本文也对起步和换挡进行了技术分析,传统车的动力系统在车辆起步和换档过程中存在一些劣势,而双电机混合动力系统基于其构型的特性,在起步和换档过程中通过协调控制发动机及电机,可优化车辆起步以及克服换档过程的动力中断和扭矩突变等问题,使双电机混合动力系统达到或接近理想的驱动特性。
 
双电机混合动力系统目前已取得了一定进展,且当前市场上也出现了一些应用车型,因双电机混合动力系统的驱动动力源有多个,故需要在不同驾驶需求工况条件下,控制多个动力源发挥各自的作用。本文所述的技术分析,可为后续研发新能源汽车双电机动力系统构型方案及控制提供一些借鉴意义,而如何有效控制动力系统达到理想的驱动特性,以及如何控制换档也是后续开发中应注意的关键技术问题。
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