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混合动力电动汽车机电耦合系统构型分析

2021-03-14 18:59:35·  来源：焉知动力驱动系统  
　
作者 |吴为理，张雄，李东东，赵江灵/广州汽车集团股份有限公司汽车工程研究院来源 |宁德时代新能源科技股份有限公司官网1.耦合方式及耦合特性混合动力汽车的动
作者 | 吴为理，张雄，李东东，赵江灵/广州汽车集团股份有限公司汽车工程研究院
来源 | 宁德时代新能源科技股份有限公司官网
 
 
1.耦合方式及耦合特性
混合动力汽车的动力系统主要分3类：串联式(Series Hy．brid)、并联式(Parallel Hybrid)和混联式(Series．parallel Hy．brid)。其中串联式系统结构和能量流相对简单，文献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。
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。
进而可表示为：
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。
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：
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。
2.构型分类分析
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。
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。
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
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。
如图5所示，Volt整个机电耦合系统含3个单排行星齿轮机构，其中主要有1个行星齿轮机构(R1／C1／S1)用于动力耦合。通过3个离合器的控制。可实现多种不同动力传递路径和驱动模式。由于行星齿轮机构能实现转速耦合。输入输出转速彼此解耦，可实现更多的动力传递路径和驱动模式。动力传递路径也更为复杂。
由表2可知：Volt较i-MMD多出2个混合驱动模式，当SOC偏低时，系统可根据车速、油门信号等条件。在混动模式1、发动机定速比驱动、混动模式2之中选择兼顾系统效率和动力输出的模式。从而在任意工况下保证良好的整车经济性和动力性。根据前文对转速耦合的特性分析。
可将3种驱动模式的工作原理用图6示意，其中混动模式1、混动模式2还具有无级变速功能；从图中3种模式的耦合特性可看出：混动模式1、发动机定速比驱动、混动模式2一般用于低、中、高车速工况。

3. 机电耦合系统构型评价
混合动力汽车发展的主要优势和目的是节能减排，在保证良好的动力性前提下尽量降低整车油耗和排放，因此机电耦合系统的评价主要基于是否有利于优化发动机的工作状况，从而降低油耗和排放，同时保证良好的动力性能。
3.1 固定轴式机电耦合系统
采用固定轴式机电耦合系统的混合动力汽车可实现的驱动模式较少，主要耦合方式有电耦合和转矩耦合。电耦合时，可独立控制发动机运行工况，控制发动机工作在最经济区域，但能量经2次转化后。总体效率将有所降低。转矩耦合时，发动机的转矩可控。转速不可独立控制，因而可以通过控制电机转矩，使发动机工作在经济区域；为定速比传动，不可变速，可增加多挡位设置使发动机尽量运行在更小更精确的经济区域。
固定轴式机电耦合系统结构简单，混动驱动模式动力传递路径比较单一。控制相对简单，传动效率高，也方便在传统车现有结构上进行改装。
3.2 行星齿轮式机电耦合系统
采用行星齿轮式机电耦合系统的混合动力汽车可实现更多的混合驱动模式，以转速耦合为主，发动机转速可独立控制，转矩不可控。可通过调节电机转速使发动机工作在经济区域，在不改变发动机转速的情况下，也可通过连续调整电机转速使车速连续变化，具有无级变速的特性。可通过实现不同的混动模式．改变动力传递路径，以在不同工况均保持较高的系统效率。
行星齿轮式机电耦合系统结构和控制相对复杂，具有更多的混动模式和动力传递路径，系统效率可维持在一个较高的水平。同时具有无级变速功能，无须再单独设置变速器。
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