一種新型多模式混合動力系統的構型分析

楊春龍

0 引 言

當前汽車行業存在多種混合動力系統構型方案[1-2]，不同混合動力系統各具優缺點。本文介紹一種MMHS(Multi-Mode Hybrid System，多模式混合動力系統)，將THS(Toyota Hybrid System，豐田混動系統)功率分流式混合動力系統[3]與多擋位并聯式混合動力系統集成，發揮THS 中低車速傳動效率高和多擋位并聯模式高車速傳動效率高的優勢。并聯模式下，車輛存在發動機、發電機、驅動電機共同驅動工況，在提升整車動力性的同時，可適當降低對單一動力元件功率和扭矩的需求，降低系統成本、縮小動力總成尺寸，方便汽車總布置。

1 MMHS構型

1.1 MMHS組成

新型MMHS由發動機、EM1 (Electric Motor，驅動電機)、EM2（發電機）、功率分流式單行星排齒輪系統、B1(Brake，制動器)、C1(Clutch，離合器)、OWC(One-Way Clutch，單向離合器)和若干齒輪傳動副組成，如圖1所示。

圖1 新型MMHS組成

1.2 功率分流系統的連接及功能

由圖1 可知，新型MMHS 由兩套獨立的混合動力系統組成，即由部件1～3 組成的單行星排和在此基礎上由B1、C1組成的兩擋并聯直驅系統，兩套系統通過合理控制使系統整體功效最大。新型MMHS的核心為單行星排功率分流系統，以及在此之上增加的附屬制動器和離合器，以實現并聯直驅功能。

功率分流部件的連接關系及功能說明見表1。

表1 新型功率分流部件連接及功能

從圖1、表1可知，新型MMHS中功率分流構型與THS 幾乎相同，但EM1 位置和動力傳動方式有所不同[4]。

1.3 并聯、直驅系統的連接及功能

如圖1所示，在功率分流系統基礎上，通過控制離合器、制動器開閉實現并聯、直驅功能。

2擋動力系統部件的功能說明見表2。

表2 并聯、直驅系統部件功能

2 技術分析

2.1 純電動模式

如圖1 所示，車輛行駛中，當發動機處于停機時，存在兩種純電動驅動模式，分別為EM1 單電機驅動和EM1+EM2雙電機并聯共同驅動。

2.1.1 EM1單電機驅動

當車輛行駛所需驅動功率不高時，可以單獨依靠EM1 驅動車輛行駛，此時EM2 處于空轉狀態以維持行星排系統運動平衡，通過杠桿原理解釋說明行星排運行及受力，如圖2所示。

圖2 EM1單電機純電動行駛行星排運行受力

圖2中3條豎線從左至右依次為行星排太陽輪S連接EM2，行星架C 連接ICE(Internal Combustion Engine，內燃機)，齒圈R連接EM1，三者間距為行星排各部件間的傳動比，連接3條豎線的橫線為0轉速線，TR為行星排齒圈扭矩，由圖2可知，在單電機純電模式下，EM1 轉速為正且輸出扭矩TR驅動車輛行駛，EM2轉速為負但無扭矩輸出，ICE轉速為0。

2.1.2 EM1+EM2并聯共同驅動

當車輛行駛所需驅動功率超過EM1 最大瞬時功率時，EM2 從空轉狀態切換為驅動狀態，EM1 和EM2 并聯產生更大驅動力，共同驅動車輛行駛。通過杠桿原理說明行星排運行及受力，如圖3所示。

圖3 EM1、EM2雙電機純電動行駛行星排運行受力

圖3中TEM2為EM2扭矩。由圖3可知，雙電機純電模式下，EM1 轉速為正輸出扭矩TR，EM2 此時作為電動機轉速為負輸出扭矩TEM2，ICE 轉速為0，TR與TEM2的比值受圖1 中5、7 號齒輪齒數的影響。該模式需保證動力電池能夠輸出足夠的電功率。

2.2 并聯直驅模式

如圖1所示，控制制動器B1和離合器C1不同開閉可以實現兩個擋位的并聯直驅。

2.2.1 并聯直驅1擋

圖1 中C1 閉合、B1 打開時，行星排的行星架(連接發動機)和齒圈(連接驅動電機)剛性連接，使行星排的自由度發生變化，太陽輪、行星架和齒圈三者轉速一致且旋轉方向相同，此時行星排失去功率分流功能。發動機的輸出功率不經過行星排進行功率分流，而是全部作用到齒圈上通過外嚙合齒輪將功率傳遞至車輪。

在并聯直驅1 擋模式下，根據EM1、EM2 的不同狀態，車輪端功率存在如下4種可能。

1)EM1空轉，EM2空轉，發動機直驅，則

2)EM1 空轉，EM2 發電，EM2 調節發動機效率點，則

3)EM1 驅動，EM2 空轉，EM1 補償發動機輸出功率，則

4)EM1 驅動，EM2 驅動，系統具有最大輸出功率，則

為簡化模型，上述車輪端功率均忽略機械和電力部分損失。

并聯直驅1擋下，發動機到車輪端減速比i0為圖1中5、6號齒輪的傳動比i1與8、9號齒輪的傳動比i2的乘積，即

通過杠桿原理說明并聯直驅1擋的行星排運行及受力，如圖4所示。

圖4 并聯直驅1擋行星排運行受力

圖4中虛線箭頭TEM2表示該扭矩可能存在也可能不存在，TICE為ICE輸出扭矩。并聯直驅1擋模式下，行星架齒輪和齒圈嚙合，ICE轉速為正，輸出扭矩為TICE，EM1、EM2 轉速均為正，當出現式（1）可能時，EM1、EM2扭矩均為0；當出現式（2）可能時，EM1扭矩為0，EM2作為發電機輸出扭矩TEM2（虛線豎直向下）；當出現式（3）可能時，EM2 扭矩為0，EM1 輸出扭矩TR；當出現式（4）可能時，EM1、EM2分別輸出扭矩TR、TEM2（虛線豎直向上）。

2.2.2 并聯直驅2擋

圖1 中C1 打開、B1 閉合時，行星排的太陽輪(連接EM2)被固定鎖止，轉速為0，此時行星排相當于普通變速裝置，發動機輸出功率作用在行星架上，經過齒圈變速作用將功率傳遞至車輪。

在并聯直驅2擋模式下，車輪端功率存在如下兩種可能。

1)EM1空轉，發動機直驅，則

2)EM1驅動補償發動機輸出功率，則

并聯直驅2 擋下，發動機到車輪端傳動比i0'為圖1 中行星架與齒圈傳動比(k/(1 +k))與5、6 號齒輪傳動比i1和8、9號齒輪傳動比i2的乘積，即

式中：k為行星排的特征參數，即齒圈與太陽輪齒數之比[2]。

通過杠桿原理說明并聯直驅2擋的行星排運行及受力，如圖5所示。

圖5 并聯直驅2擋行星排運行受力

圖5 中，ICE 轉速為正輸出扭矩TICE，EM1 轉速為正，EM2 轉速為0，當出現式（6）可能時，EM1扭矩為0；當出現式（7） 可能時，EM1 輸出扭矩TR。

對比式(5)、(8)可知，并聯直驅1擋i0大于2擋i0'，并且1擋時存在發動機、EM1、EM2三者共同驅動車輛的情況，此時車輪端獲得系統最大輸出功率，在并聯直驅模式下，當車輛需要大功率加速時采用1擋，發動機輸出較大扭矩使車輛加速，高速巡航時切換至2擋，使發動機轉速降低，提升發動機的燃油經濟性。

2.3 功率分流模式

圖1 中B1、C1 均打開時，系統運行在功率分流模式，與THS 工作原理基本一致[5]，系統的運動學、動力學和能量表達式分別為

式中：nEM2、nR、nICE分別為發電機、行星排齒圈和發動機的轉速；TEM2、TR、TICE分別為發電機、行星排齒圈和發動機的扭矩。其中，nR、TR與nEM1、TEM1的關系與圖1中5～7號齒輪間傳動比直接相關。

通過杠桿原理說明功率分流模式下行星排運行及受力，如圖6所示。

圖6 功率分流模式行星排運行受力

功率分流模式下，組成行星排的3個輪系按照特定規律旋轉。一般情況下，以輸出端齒圈為支點，通過齒輪傳動直接與車輪連接，則齒圈轉速與車速具有等比例關系，此時齒圈相當于負載，通過太陽輪、行星架作用力平衡齒圈阻力，三者關系如式(9)～(11)。圖6中杠桿以齒圈為支點自由滑動。發動機輸出功率具有兩條傳遞路徑，一條為機械功率路徑，另一條為電功率路徑，前者通過行星架、齒圈嚙合傳遞至車輪驅動車輛行駛，后者通過行星架、太陽輪嚙合驅動EM2 發電并向EM1 輸出，從而驅動車輛行駛或者為動力電池充電。功率分流模式下，EM2 運行在轉速控制環，調節發動機轉速；發動機運行在扭矩控制環，向外輸出機械功，經太陽輪和齒圈分配后，使電功率與機械功率比值為1 ∶ (1 +k)，起到功率分流作用。

2.4 駐車發電模式

幾乎所有混合動力汽車的電氣附件均由電力驅動，以盡可能降低機械摩擦損失，提升整體能量利用效率。例如采用高壓電動壓縮機代替傳統機械空調壓縮機、采用高壓轉低壓變換器DC-DC 替代傳統12 V 低壓發電機等。車輛靜止且驅動系統被激活時，可能存在動力電池因消耗電能使電量降低，進而需要駐車發電的情況。

通過杠桿原理說明駐車發電模式下行星排運行及受力，如圖7所示。

圖7 駐車發電模式行星排運行受力

駐車時，圖1 中行星排齒圈被鎖止，轉速為0，此時行星排相當于普通變速裝置，發動機端輸出功率通過行星架傳遞至太陽輪，太陽輪連接EM2，EM2通過轉速控制環控制行星排轉速達到穩定狀態，發動機輸出功率經過EM2 反拖發電平衡整個行星排功率。其中，EM2 電能一部分供給整車用電設備，一部分為動力電池充電提升SOC（State of Charge，荷電狀態）。

2.5 滑行、制動能量回收模式

因具有電機和動力電池等儲能元件，使混合動力汽車較傳統油車具有強大的能量回收優勢。當車輛滑行或制動時，通過電機控制器將驅動電機轉換為發電機，使動能轉換為電能存儲在動力電池中，減少能量浪費提升整車能量利用率。

通過杠桿原理說明能量回收模式下行星排運行及受力，如圖8所示。

圖8 能量回收模式行星排運行受力

圖8 中，TEM1為能量回收模式下車輛動能帶動EM1 發電輸出的扭矩，此時EM1 發電功率與車輛動能產生的功率互相平衡，行星排沒有扭矩傳遞。滑行、制動能量回收時，發動機熄火停轉，行星架轉速為0，行星排相當于普通變速裝置，EM1被車輛動能帶動反向發電，EM2空轉。

2.6 倒車模式

受并聯直驅擋位傳動比所限，低車速倒車時發動機無法直接驅動車輪，只能通過EM1 電機反轉實現車輛倒車。此時具有兩種可能：（1）如果動力電池放電能力可完全提供倒車功率需求，則發動機熄火停轉，EM1 電機反轉輸出扭矩進行倒車，EM2 空轉；（2）如果動力電池放電能力不能完全提供倒車功率需求，則發動機啟動向外輸出扭矩，EM1 仍為車輛提供倒車動力，EM2 進入發電模式為EM1 提供電功率，剩余電能充入電池進行存儲。

通過杠桿原理說明倒車模式下行星排運行及受力，如圖9所示。

圖9 倒車模式行星排運行受力

圖9 中實線對應倒車模式的第1 種可能，虛線對應倒車模式的第2種可能。

3 結束語

本文介紹的新型多模式混合動力系統結合了功率分流式混合動力系統和多擋位并聯式混合動力系統，通過分析不同模式下其工作原理，并利用杠桿原理圖展示各模式下行星排運行及受力，說明此系統具有綜合效率高、模式靈活多樣的特點，為將來研究和實際應用提供參考。