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主流雙電機混合動力系統對比分析 |
發布時間：2022-03-30 09:58:00 點擊： |
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起重電機專業生產廠家無錫宏達2022年3月30日訊 本文以豐田 THS、 通用 Volt、 本田 i-MMD、 上汽EDU 四大構型，兩大類（動力分流，串并聯）為例，對目前市場上主流雙電機混合動力系統的構型、 特點等加以簡要對比分析。
自1997年日本豐田汽車公司推出第一代雙電機混合動力系統的普銳斯以后，其新穎的構思、不俗的動力、超低的油耗、優越的駕駛感受引起了世界同行的關注， 同時也掀起了汽車行業開發雙電機混合動力汽車的浪潮。之后，通用 Volt、本田 i-MMD、上汽 EDU 等雙電機混動系統相繼問世， 現就市場上幾款主流雙電機混合動力車型參數（表 1 信息源于網絡公告）及其搭載的雙電機混合動力系統（表 2 圖片源于網絡）做簡要的統計對比及優缺點分析。對比整車參數來看， 這幾款雙電機混合動力車均為中型車，綜合 油 耗 在 4.1～5.88L/100km，比 同 級 別 燃油車節油率均在 30%以上（綜合油耗），燃油經濟性十分亮眼；百公里加速時間在 8.13～9S 之間，相較于同級別燃油車動力性也均有不同程度的提高。從這四款車型搭載的雙電機混合動力系統 （表 2）來看，四種構型都有各自的優點及不足： 就國內目前的工業水平，平行軸式軸齒相較于行星排，設計、工藝更簡單，繼承性更好，資源更容易獲得， 因此平行軸式布局結構在國內應用更廣泛一些。由表 2 對比信息可知，通用 Volt 耦合部件采用兩組行星排、一組制動器、一組離合器組合搭配，在四種構型中最為復雜；本田 i-MMD 發動機和驅動電機各只有一檔平行軸減速齒輪，一組離合器，其結構最為簡單。 在混合動力系統中，需要控制的元件有發動機、電機、離合器、制動器等。行星排（動力分流）結構，是通過發動機、電機、輸出元件的杠桿平衡原理（后文中以 TSH-Ⅳ為例做簡要介紹）進行控制調節，再控制離合器、制動器配合完成系統工作，控制難度相對較大。平行軸式結構為定速比調節，系統工作主要在于換檔過程的控制，相較于行星排結構系統控制簡單很多。 式中 mn、mt、αn、β 分別為齒輪法向模數、端面模數、法向壓力角、螺旋角。由齒輪副正確嚙合條件（1）、（2）、（3）可知，在布置空間受限的條件下，同一級減速齒輪中，同時嚙合的齒輪數越多，齒輪參數就越難調整，速比也就越難調節。表 2 的四種構型中，只有上汽 EDU 構型沒有出現同級減速中三個以上（含三個）齒輪同時嚙合的情況，因此，上汽 EDU 構型的速比更容易調節。
換檔動力中斷（換檔頓挫感）是駕駛平順性的一個重要評價指標， AT/DCT 可以通過換檔時合理控制制動器、離合器的滑摩，盡可能降低換檔頓挫感；CVT 是真正意義的無極變速器，無固定的速比極差，因此無換檔動力中斷。 而 AMT/MT 變速器內部無滑摩離合器，不可避免的會出現換檔頓挫。 豐田 THS、通用 Volt 為 ECVT，可實現無極變速；本田 i-MMD 發動機和電機各只有一檔， 只要控制好純電行駛和發動機介入的模式切換過程，就不會有換檔頓挫。上汽 EDU變速器本體為 AMT， 且不具備換檔動力補償功能，因 此，換檔動力中斷是其不可回避的硬傷。
在整車性能需求（動力性、最高車速）不變的情況下，兩檔變速器與一檔變速器相比， 可降低整車性能對驅動電機的最大扭矩和最高轉速的需求，收窄電機工作區域，使其更大程度的工作在高效區（圖 2）。本田 i-MMD 驅動電機只有一檔，在能效發揮上會受到一定限制。目前雙電機混合動力系統千差萬別， 市場主流構型可歸結為兩大類：一類是以豐田THS、通用Volt為代表的動力分流式 （行星排結構）， 另一類是以本田i-MMD、上汽 EDU 為代表的串并聯式（平行軸結構）。 1. 動力分流式：以豐田THS-Ⅳ系統（圖3）為例說明。結構布局：發電機與發動機通過單排行星排同軸布置。發電機與太陽輪固連，發動機與行星架固連，行星排系統動力通過齒圈輸出；驅動電機與行星排機構平行布置。行星排輸出動力與驅動電機輸出動力通過輸出軸匯合，最終由差速器傳遞給車輪。工作原理（圖 4）：行星排特性系數為：α=ZR/ZS （4）式中，ωS、ωR、ωC 分別為太陽輪、齒圈、行星架的角速度；某一瞬態下，單級行星排系統扭矩處于平衡狀態，其平衡方程為：式中，TS、TR、TC 分別為太陽輪、齒圈、行星架傳遞的扭矩；現以THS-Ⅳ系統的第一種工況（純電起步 & 低速純電行駛）為例，對動力分流混合動力系統的工作原理進行說明。 ①純電起步工況： 驅動電機EM2輸出扭矩TEM2克服輸出軸靜態阻力矩 Tf， 使輸出軸產生角加速度，驅動車輛起步。
此外，由行單級星排系統扭矩平衡方程式（6）可知，與太陽輪固連的發電機 EM1 輸出扭矩 TS、與發動機固連的行星架上的作用扭矩 TC、齒圈上的作用扭矩 TR（等于 EM2 輸出扭矩 TEM2 與輸出軸阻力矩 Tf 的矢量和）三者平衡，既 TC=–（TS+TR）。 若TC小于發動機的靜態阻力矩TC0，則發動機不會產生角加速度，即發動機轉速維持在零點；若TC大于發動機靜態阻力矩TC0，則發動機將被拖動而產生轉速波動，即 ωC≠0，由單級行星排運轉特性方程（5）可知，此時會引起齒圈轉速變化，進而引起輸出端的輸出平穩性。 因此，在實際控制過程中需實時調整發電機 EM1 的輸出扭矩 TS 與齒圈的作用扭矩TR，使作用在行星架上的扭矩 TC 始終小于發動機靜態阻力矩 TC0，以保證行星架轉速控制在零點附近。②低速純電行駛工況：通過控制發電機 EM1 的輸出扭矩 TS 與齒圈的作用扭矩 TR， 可使純電加速過程中行星架轉速始終維持在零點，隨著車速增加，輸出軸的阻力矩 Tf 也隨之增加，直至驅動電機 EM2 的輸出扭矩TEM2 與輸出軸的阻力矩 Tf 相平衡，行星排系統杠桿位置保持穩定狀態，系統進入勻速純電動行駛模式（為簡化分析模型，忽略各原件轉動慣量及摩擦損耗的影響）。2.串并聯式：以本田 i-MMD 為例，對串并聯式混合動力系統進行說明。結構布局：發動機 ICE 與驅動電機 MG2 各只有一檔，且發動機檔位與驅動電機檔位并聯布置。驅動電機 MG2 通過減速機構可直接驅動車輪；發動機ICE 輸出曲軸與發電機 MG1 通過減速齒輪并聯后，經過離合器 K0 與減速機構耦合，進而驅動車輪。工作原理：本田 i-MMD 系統雖然結構簡單，但可實現“怠速發電、EV 行駛、串聯驅動、并聯驅動、發動機直驅、制動能量回收”等混合動力系統的所有功能模式。①怠速發電模式：動力電池 SOC 低于設定值，車輛無起步需求或因動力電池電量過低無法起步時， 系統啟動怠速充電模式， 此時整車處于停止狀態， 離合器K0斷開，驅動電機MG2不工作，發動機輸出動力通過減速齒輪帶動發電機MG1發電，將發出的電能儲存于動力電池中，以補充動力電池電量。②EV行駛模式：動力電池SOC值能夠滿足驅動電機MG2驅動整車所需的功率時， 系統不啟動發動機，離合器K0斷開，此時系統中只有驅動電機MG2工作，驅動車輛行駛。
③發動機直驅：車輛處于高速巡航時，若動力電池SOC不足以供驅動電機MG2驅動車輛高速行駛，此時車輛對轉速和扭矩的需求基本處在發動機Map高效區，系統會選擇發動機直接驅動車輛行駛，避免應用串聯模式而降低動力系統效率。該模式下，驅動電機MG2不工作，K0離合器接合， 發動機輸出動力經減速機構后， 直接驅動車輛行駛。MG1電機隨時調節發動機負荷，使發動機一直在最高效區域內工作。 ④混動行駛（串聯模式）：動力電池SOC值能夠滿足驅動電機MG2驅動整車所需的功率，且工況未滿足發動機直驅的條件時， 此時系統選擇斷開離合器K0，發動機ICE輸出動力帶動發電機MG1發電并儲存于動力電池， 以補充動力電池SOC值， 進而為驅動電機MG2驅動車輛行駛提供電能。⑤混動行駛（并聯模式）：車輛遇到“急加速、爬陡坡”等極端工況時，驅動電機 MG2或發動機ICE任何單一動力不足以滿足車輛所需的扭矩或功率， 系統選擇驅動電機和發動機同時工作。此時，離合器K0接合，發動機ICE輸出動力經離合器K0 后， 與驅動電機MG2輸出的動力耦合后共同驅動車輛行駛， 以應對車輛極端工況對動力的需求。 ⑥制動能量回收：駕駛員全收油門溜車或踩下制動踏板時， 系統判斷駕駛員有減速意圖， 此時離合器K0斷開，MG2電機作為發電機， 提供負扭矩為車輛減速，并將制動能量轉換成電能儲存于動力電池中。 |
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| 上一篇：電機溫度和溫升：這4點必須兼顧
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