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主流雙電機(jī)混合動力系統(tǒng)對比分析 |
發(fā)布時間：2022-03-30 09:58:00 點(diǎn)擊： |
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起重電機(jī)專業(yè)生產(chǎn)廠家無錫宏達(dá)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(gòu)型，兩大類（動力分流，串并聯(lián)）為例，對目前市場上主流雙電機(jī)混合動力系統(tǒng)的構(gòu)型、 特點(diǎn)等加以簡要對比分析。
一、主流雙電機(jī)混動系統(tǒng)對比分析
自1997年日本豐田汽車公司推出第一代雙電機(jī)混合動力系統(tǒng)的普銳斯以后，其新穎的構(gòu)思、不俗的動力、超低的油耗、優(yōu)越的駕駛感受引起了世界同行的關(guān)注， 同時也掀起了汽車行業(yè)開發(fā)雙電機(jī)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(jī)混動系統(tǒng)相繼問世， 現(xiàn)就市場上幾款主流雙電機(jī)混合動力車型參數(shù)（表 1 信息源于網(wǎng)絡(luò)公告）及其搭載的雙電機(jī)混合動力系統(tǒng)（表 2 圖片源于網(wǎng)絡(luò)）做簡要的統(tǒng)計對比及優(yōu)缺點(diǎn)分析。對比整車參數(shù)來看， 這幾款雙電機(jī)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(jié)油率均在 30%以上（綜合油耗），燃油經(jīng)濟(jì)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(jī)混合動力系統(tǒng) （表 2）來看，四種構(gòu)型都有各自的優(yōu)點(diǎn)及不足： 就國內(nèi)目前的工業(yè)水平，平行軸式軸齒相較于行星排，設(shè)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(jié)構(gòu)在國內(nèi)應(yīng)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(gòu)型中最為復(fù)雜；本田 i-MMD 發(fā)動機(jī)和驅(qū)動電機(jī)各只有一檔平行軸減速齒輪，一組離合器，其結(jié)構(gòu)最為簡單。 在混合動力系統(tǒng)中，需要控制的元件有發(fā)動機(jī)、電機(jī)、離合器、制動器等。行星排（動力分流）結(jié)構(gòu)，是通過發(fā)動機(jī)、電機(jī)、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(jìn)行控制調(diào)節(jié)，再控制離合器、制動器配合完成系統(tǒng)工作，控制難度相對較大。平行軸式結(jié)構(gòu)為定速比調(diào)節(jié)，系統(tǒng)工作主要在于換檔過程的控制，相較于行星排結(jié)構(gòu)系統(tǒng)控制簡單很多。 3. 速比調(diào)節(jié)簡易程度：齒輪副正確嚙合條件：式中 mn、mt、αn、β 分別為齒輪法向模數(shù)、端面模數(shù)、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(shù)越多，齒輪參數(shù)就越難調(diào)整，速比也就越難調(diào)節(jié)。表 2 的四種構(gòu)型中，只有上汽 EDU 構(gòu)型沒有出現(xiàn)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(gòu)型的速比更容易調(diào)節(jié)。
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(biāo)， 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(nèi)部無滑摩離合器，不可避免的會出現(xiàn)換檔頓挫。 豐田 THS、通用 Volt 為 ECVT，可實現(xiàn)無極變速；本田 i-MMD 發(fā)動機(jī)和電機(jī)各只有一檔， 只要控制好純電行駛和發(fā)動機(jī)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(bǔ)償功能，因 此，換檔動力中斷是其不可回避的硬傷。
5. 驅(qū)動電機(jī)效能的發(fā)揮程度：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(qū)動電機(jī)的最大扭矩和最高轉(zhuǎn)速的需求，收窄電機(jī)工作區(qū)域，使其更大程度的工作在高效區(qū)（圖 2）。本田 i-MMD 驅(qū)動電機(jī)只有一檔，在能效發(fā)揮上會受到一定限制。
二、主流雙電機(jī)混動系統(tǒng)工作原理介紹
目前雙電機(jī)混合動力系統(tǒng)千差萬別， 市場主流構(gòu)型可歸結(jié)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(jié)構(gòu)）， 另一類是以本田i-MMD、上汽 EDU 為代表的串并聯(lián)式（平行軸結(jié)構(gòu)）。 1. 動力分流式：以豐田THS-Ⅳ系統(tǒng)（圖3）為例說明。結(jié)構(gòu)布局：發(fā)電機(jī)與發(fā)動機(jī)通過單排行星排同軸布置。發(fā)電機(jī)與太陽輪固連，發(fā)動機(jī)與行星架固連，行星排系統(tǒng)動力通過齒圈輸出；驅(qū)動電機(jī)與行星排機(jī)構(gòu)平行布置。行星排輸出動力與驅(qū)動電機(jī)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(shù)為：α=ZR/ZS （4）式中 ZR、ZS 分別為齒圈與太陽輪的齒數(shù)；式中，ωS、ωR、ωC 分別為太陽輪、齒圈、行星架的角速度；某一瞬態(tài)下，單級行星排系統(tǒng)扭矩處于平衡狀態(tài)，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(xiàn)以THS-Ⅳ系統(tǒng)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(tǒng)的工作原理進(jìn)行說明。 ①純電起步工況： 驅(qū)動電機(jī)EM2輸出扭矩TEM2克服輸出軸靜態(tài)阻力矩 Tf， 使輸出軸產(chǎn)生角加速度，驅(qū)動車輛起步。
此外，由行單級星排系統(tǒng)扭矩平衡方程式（6）可知，與太陽輪固連的發(fā)電機(jī) EM1 輸出扭矩 TS、與發(fā)動機(jī)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(fā)動機(jī)的靜態(tài)阻力矩TC0，則發(fā)動機(jī)不會產(chǎn)生角加速度，即發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速維持在零點(diǎn)；若TC大于發(fā)動機(jī)靜態(tài)阻力矩TC0，則發(fā)動機(jī)將被拖動而產(chǎn)生轉(zhuǎn)速波動，即 ωC≠0，由單級行星排運(yùn)轉(zhuǎn)特性方程（5）可知，此時會引起齒圈轉(zhuǎn)速變化，進(jìn)而引起輸出端的輸出平穩(wěn)性。 因此，在實際控制過程中需實時調(diào)整發(fā)電機(jī) 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(fā)動機(jī)靜態(tài)阻力矩 TC0，以保證行星架轉(zhuǎn)速控制在零點(diǎn)附近。②低速純電行駛工況：通過控制發(fā)電機(jī) 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(zhuǎn)速始終維持在零點(diǎn)，隨著車速增加，輸出軸的阻力矩 Tf 也隨之增加，直至驅(qū)動電機(jī) EM2 的輸出扭矩TEM2 與輸出軸的阻力矩 Tf 相平衡，行星排系統(tǒng)杠桿位置保持穩(wěn)定狀態(tài)，系統(tǒng)進(jìn)入勻速純電動行駛模式（為簡化分析模型，忽略各原件轉(zhuǎn)動慣量及摩擦損耗的影響）。2.串并聯(lián)式：以本田 i-MMD 為例，對串并聯(lián)式混合動力系統(tǒng)進(jìn)行說明。結(jié)構(gòu)布局：發(fā)動機(jī) ICE 與驅(qū)動電機(jī) MG2 各只有一檔，且發(fā)動機(jī)檔位與驅(qū)動電機(jī)檔位并聯(lián)布置。驅(qū)動電機(jī) MG2 通過減速機(jī)構(gòu)可直接驅(qū)動車輪；發(fā)動機(jī)ICE 輸出曲軸與發(fā)電機(jī) MG1 通過減速齒輪并聯(lián)后，經(jīng)過離合器 K0 與減速機(jī)構(gòu)耦合，進(jìn)而驅(qū)動車輪。工作原理：本田 i-MMD 系統(tǒng)雖然結(jié)構(gòu)簡單，但可實現(xiàn)“怠速發(fā)電、EV 行駛、串聯(lián)驅(qū)動、并聯(lián)驅(qū)動、發(fā)動機(jī)直驅(qū)、制動能量回收”等混合動力系統(tǒng)的所有功能模式。①怠速發(fā)電模式：動力電池 SOC 低于設(shè)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(tǒng)啟動怠速充電模式， 此時整車處于停止?fàn)顟B(tài)， 離合器K0斷開，驅(qū)動電機(jī)MG2不工作，發(fā)動機(jī)輸出動力通過減速齒輪帶動發(fā)電機(jī)MG1發(fā)電，將發(fā)出的電能儲存于動力電池中，以補(bǔ)充動力電池電量。②EV行駛模式：動力電池SOC值能夠滿足驅(qū)動電機(jī)MG2驅(qū)動整車所需的功率時， 系統(tǒng)不啟動發(fā)動機(jī)，離合器K0斷開，此時系統(tǒng)中只有驅(qū)動電機(jī)MG2工作，驅(qū)動車輛行駛。
③發(fā)動機(jī)直驅(qū)：車輛處于高速巡航時，若動力電池SOC不足以供驅(qū)動電機(jī)MG2驅(qū)動車輛高速行駛，此時車輛對轉(zhuǎn)速和扭矩的需求基本處在發(fā)動機(jī)Map高效區(qū)，系統(tǒng)會選擇發(fā)動機(jī)直接驅(qū)動車輛行駛，避免應(yīng)用串聯(lián)模式而降低動力系統(tǒng)效率。該模式下，驅(qū)動電機(jī)MG2不工作，K0離合器接合， 發(fā)動機(jī)輸出動力經(jīng)減速機(jī)構(gòu)后， 直接驅(qū)動車輛行駛。MG1電機(jī)隨時調(diào)節(jié)發(fā)動機(jī)負(fù)荷，使發(fā)動機(jī)一直在最高效區(qū)域內(nèi)工作。 ④混動行駛（串聯(lián)模式）：動力電池SOC值能夠滿足驅(qū)動電機(jī)MG2驅(qū)動整車所需的功率，且工況未滿足發(fā)動機(jī)直驅(qū)的條件時， 此時系統(tǒng)選擇斷開離合器K0，發(fā)動機(jī)ICE輸出動力帶動發(fā)電機(jī)MG1發(fā)電并儲存于動力電池， 以補(bǔ)充動力電池SOC值， 進(jìn)而為驅(qū)動電機(jī)MG2驅(qū)動車輛行駛提供電能。⑤混動行駛（并聯(lián)模式）：車輛遇到“急加速、爬陡坡”等極端工況時，驅(qū)動電機(jī) MG2或發(fā)動機(jī)ICE任何單一動力不足以滿足車輛所需的扭矩或功率， 系統(tǒng)選擇驅(qū)動電機(jī)和發(fā)動機(jī)同時工作。此時，離合器K0接合，發(fā)動機(jī)ICE輸出動力經(jīng)離合器K0 后， 與驅(qū)動電機(jī)MG2輸出的動力耦合后共同驅(qū)動車輛行駛， 以應(yīng)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(tǒng)判斷駕駛員有減速意圖， 此時離合器K0斷開，MG2電機(jī)作為發(fā)電機(jī)， 提供負(fù)扭矩為車輛減速，并將制動能量轉(zhuǎn)換成電能儲存于動力電池中。 |
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| 上一篇：電機(jī)溫度和溫升：這4點(diǎn)必須兼顧
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