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华体会全站官网登录入口:广汽:一种兼有串联和功率分流模式的机电耦合系统研究

  目前各个国家、各汽车公司都在大力发展混合动力汽车。根据国情及自身情况不同,采取了不同的技术路线 技术路线,美国主要采用功率分流技术路线,日本主要采用功率分流和串并联技术路线,中国主要采用的是串并联技术路线。

  机电耦合系统分串并联和功率分流两大类别。串并联以本田i-MMD 为代表,可以通过增程模式,将发动机的转速和扭矩与整车的需求解耦,让发动机一直处于最经济的工作状态,实现较好的经济性。功率分流以丰田THS 系统为代表,通过功率分流模式,让发动机的转速和扭矩与整车的需求解耦,让发动机一直处于最经济的工作状态。另外还可以基于传统自动变速箱开发P2 的混动系统,这类系统对自动变速箱的依赖度高,可以通过电机调解发动机的扭矩,通过自动变速器的各个挡位,优化发动机的转速,但是不能实现转速与轮端完全解耦,所以P2 类型的混动系统的节油率有限。功率分流的混动系统、串并联的混动系统及P2 的混动系统的优缺点对比见表1。

  混合动力系统简图专用混动变速器( dedicated hybrid transmission,DHT) 一般都是包含两个电机。可以把发动机及发电机作为一个单元( 通过定轴齿轮或行星排等连接) ,驱动电机及车轮作为一个单元( 通过齿轮/行星排/差减等连接) ,这两个单元之间的不同耦合方式,就形成了各种不同的构型。例如,丰田THS 的耦合方式是行星排,本田i-MMD 的耦合方式是定轴齿轮和离合器。在构型寻优时,重点是解决好动力耦合问题。

  不同工况下,发动机的工作点对整车油耗有较大影响,如图2 所示,把发动机的工作区域分类,不同的构型会解决不同区域的效率问题。根据整车的运行工况,可以划分为3 个低效区,分别为低速工况的低效区、低扭工况的低效区和大功率工况的低效区。对于不同类型的机电耦合系统,有不同的控制策略,可以将这些低效工况区的发动机的工作点与轮端解耦,让发动机的工作重点转移到高效区。

  双电机混动系统的发动机工作点对于串并联式的机电耦合系统,可以利用串联增程模式和动力电池削峰填谷的作用,使发动机的转速和扭矩与轮端的需求解耦,让发动机一直工作在高效区,提高系统的效率。但是串并联式的机电耦合系统主要是可以改善低效区和低效区的工作点。对于低效区,需要3 个动力源共同工作,满足整车的大功率扭矩需求,系统效率也不是非常理想。

  对于功率分流的机电耦合系统,可以利用功率分流模式和动力电池削峰填谷的作用,使发动机的转速和扭矩与轮端的需求解耦,让发动机一直工作在高效区,提高系统的效率。但是功率分流式的机电耦合系统主要是改善低效区和低效区。对于低效区的高速小扭矩的工况,存在功率回流的问题,导致系统效率较低。

  根据上述原则,提出了一种新型机电耦合系统方案———新型双行星排系统( new double planet coupling,NDPC) 。混动系统原理如图3 所示,该系统将发电机、驱动电机、离合器、传动系统、差减速器及液压系统等集成于一体。两个行星排各有一个构件是相连( 共用)的,将这个构件制动( 固定) 时,则两个行星排只是两个变速传动机构。

  机电耦合系统工作模式分析见表2,该机电耦合系统可实现纯电驱动、串联驱动、功率分流、发动机直驱、制动能量回收、驻车发电等多种工作模式。

  ( 1) 当整车的电量充足时,车辆可在纯电驱动模式下工作。此时制动器B2 制动,另外两个制动器断开,驱动电机驱动,功率流经行星排传递到中间轴,再经主减速齿轮传递至轮端。该模式下功率流如图4 所示。

  ( 2) 串联驱动模式时,制动器B2 制动,另外两个制动器断开,发动机带动发电机发出电能,驱动电机驱动整车。该模式下功率流如图5 所示。

  ( 3) 功率分流模式时,3 个制动器均断开,控制发动机、发电机、驱动电机协同工作,共同驱动车辆。该模式下功率流如图6 所示。

  ( 4) 发动机直驱模式时,制动器B1 和制动器B3 制动,制动器B2 断开,发动机的动力经过两个行星排传递到中间轴,再传递到轮端。该模式下功率流如图7所示。

  ( 5) 制动能量回收模式时,制动器B2 结合,此时轮端的动力,经过中间轴,传递到驱动电机,带动驱动电机发电,存储在电池中。该模式下功率流如图8 所示。

  ( 3)直驱模式发动机不用带着两电机转子转动,无拖曳损耗( 铁耗) ,可改善高速工况的经济性。

  ( 4) 可利用电机调速和制动堵转后,再结合制动器。对于制动器B1 和制动器B3 无滑摩要求,制动器无须电磁阀精准控制的行程控制; 对油品清洁度要求不高,可大幅降低液压模块成本。

  ( 1) 发动机直驱模式时传动环节多,单纯机械效率偏低; 但由于两电机转子不转动,避免了永磁电机的磁力损耗( 铁耗) ,发动机直驱的总效率仍然高于本田i-MMD。

  由于文中介绍的机电耦合系统,包含串联和功率分流两大工作模式,利用合理的模式控制策略,可有效避免本田i-MMD 混动系统高速高扭工况效率低和丰田THS系统高速工况功率回流的一些问题。混合动力系统模式划分如图9 所示。

  对于低转速和高速低扭矩的①区,多采用增程充电模式,发动机带动发电机充电,让发动机一直工作在高效区,驱动电机根据车辆的轮端需求,驱动车辆行驶。

  对于低转速的②区,多采用增程随需模式,即增程所发的电量刚好满足驱动电机所需,电池不充电也不放电。

  对于低速高扭和高速低扭的③区,多采用增程放电模式,此时发动机带动发电机发电,所发的电能不足以满足车辆驱动所需,需要从动力电池放电,供驱动电机驱动车辆行驶。

  对于中速低扭的区,多采用混合驱动模式,此时轮端的功率需求较小,发动机的工作点效率较低。通过增加发动机的功率,一部分满足轮端的需求,另一部分功率给电池充电。

  对于中速、中小扭矩的区,此时轮端需求正好能落在发动机的高效区,所以采用发动机直接驱动的工作模式。

  基于某款大型SUV 的HEV 车型,进行了初步动力性和经济性的仿真,并与丰田THS 系统做了对比。仿线,NDPC 系统与丰田THS 系统的动力性与经济性仿真结果相当。但是与常规车相比,NDPC 系统的整车成本增量约为THS 系统的40%,该构型去掉3个制动器,可作为最简单的增程结构,成本也进一步降低。

  为实现整车性能提升和成本降低,机电耦合系统产品正向高速、高压、高效率和集成化发展。具体体现如下:

  ( 1) 通过电机的高速化,提高电机的功率和扭矩密度,减少电机的材料用量,从而降低电机的成本。

  ( 2) 电机采用扁线绕组,可有效提高槽满率,减小电机体积、电机质量,从而提高电机功率密度。

  ( 5) 将电机、传动系统、电机控制器、DCDC 等零部件高度集成于一体,可以减小系统质量,也可节约系统的成本。

  基于以上设计思路,对文中所设计的混合动力机电耦合系统做了概念数据设计,方案如图10 和图11 所示。

  基于国家制定的2030 年实现碳达峰、2060 年实现碳中和的目标,汽车工业面临巨大压力的同时,给了混合动力汽车很大的发展空间。目前国内各汽车企业都在加紧开发各自的混合动力机电耦合系统,如广汽的G-MC混动系统、上汽的EDU 混动系统、长城的柠檬混动系统、比亚迪的EHS 混动系统等。

  但是怎样提高产品的性能、节约系统的成本、提升产品的竞争力是各汽车企业面临的重大问题。而混合动力的机电耦合系统方案对系统的性能、成本、竞争力具有重要影响。文中提出了一种新型机电耦合系统方案,该系统方案包含了串联和功率分流两大工作模式,具备本田i-MMD混动系统和丰田THS 混动系统的两种特点。利用合理的模式控制策略,可有效避免本田i-MMD混动系统高速高扭工况效率低和丰田THS 系统高速低扭工况功率回流的一些问题,为混合动力的机电耦合系统开发提供了一种解决方案。

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