免費下載！
[!--downpath--]
01
混合概述
在國外，混合動力得益于國家新政策的支持，重新回到了人們的視野——2020年10月27日，在中國車輛工程學會高峰論壇暨展覽會上，中國工程院李軍教授宣布，2.0新版《節(jié)能新能源汽車技術路線圖》正式發(fā)布，混合動力首次上升到發(fā)展戰(zhàn)略高度，混合動力在技術路線2.0上設置了里程碑節(jié)點——2035年全面混動，開啟了國外整車廠對混合動力的躍馬鞭策。
目前主要有四種技術路線：
1）Add-on，這條路線主要是歐美主機廠玩的，比如P0~P4，在原動力總成的基礎上減少電機，改動少，成本低。 而且節(jié)油率不理想，達不到國外補貼的要求，所以國外主機廠很少在設計開發(fā)上投入精力；
圖1 Add-on方案P0~P4含義
2）增程方案，該方案是前期人們經(jīng)常提到的系列方案，主要代表增程版BMWi3、本田e-Power和Ideal one，其結構原理如圖2所示
圖 2 增程系統(tǒng)拓撲
增程方案的底盤（增程器）不直接與車輪相連，因此底盤可以一直工作在高效低排放區(qū)，需要大功率電機將能量完全吸收底盤，導致車輛成本增加。
3）串并聯(lián)。 這種結構的齒輪箱近五年發(fā)展迅速。 其典型代表是豐田的iMMD。 此外，國內奇瑞的EHS、長城的柚子混動、奇瑞的鯤鵬動力都是類似的結構。
圖3 搭載的iMMD混合盒
4）權力分流。 這類方案主要是以行星排作為能量分配的預制構件。 行星排耦合電機和底盤，以最佳匹配能量。 其控制邏輯是讓底盤在高效區(qū)間內依然穩(wěn)定工作：
a) 當?shù)妆P提供的能量不足以克服汽車前進時，蓄電池放電驅動電機推動底盤；
b) 當?shù)妆P提供的能量超過汽車所需的驅動力時儲存能量；
c) 當?shù)妆P提供的能量與汽車行駛所需能量相等時，底盤直接驅動；
圖4 福特普銳斯的THS
目前福特THS是全球心率分體式混合動力箱中的佼佼者，另外還有通用Volt I和II，以及國外的吉利/Corun CHS。
福特THS目前累計銷量約2000萬輛。 規(guī)模效應上來之后，成本控制的特別好，相應的銷量也比較大。 屬于輸入功率拆分。 通用Volt I屬于輸出功率分流，或者更準確地說，是輸出功率合流。 二代Volt II是復合動力分流，有輸入和復合兩種模式，稱為雙卡復合動力分流。 科力遠的分流方案屬于復合功率分流，復合模式只有一種，稱為多模復合功率分流。 本文重點介紹功率分配 DHT，并探討輸入、輸出和復合功率分配的具體構造。
02
輸出功率分配
2.1
輸出功率并聯(lián)功率特性
就一般的三軸系統(tǒng)而言，輸出端到底盤的距離在杠桿模型上定義為單元1，到驅動電機（E2）的距離為b（b是一個比率，確定通過行星排的特征參數(shù)），底盤與發(fā)電機（E1）同軸，如圖5所示
圖5 輸出功率分流杠桿模型
根據(jù)NGW行星排怠速特性多項式和圖5，構造如下平衡多項式
上式中ne為底盤怠速，Te為底盤扭矩，則構造效率多項式為
其中i為底盤與輸出怠速的比值（可以理解為速比），據(jù)此繪制效率曲線：
圖6 輸出功率分流效率曲線
2.2
VoltⅠ結構原理
說到輸出功率分配，人們難免會提到福特Volt I，它采用了簡單的行星排NGW構型。 為了避免福特專利，Volt I的輸出軸是行星架PC，底盤輸入軸連接大齒圈R和發(fā)電機ISG。 車輪與驅動電機TM相連，齒圈R可通過制動器B1固定連接在機殼上，發(fā)電機ISG分別通過兩個離合器C1和C2與底盤ICE和齒圈R相連，如圖7所示
圖7 VoltⅠ結構圖
從圖6可知，當b>1時，效率為圖6中的紅色曲線，速比大、轉速低時，效率很低。 例如，當i=4時，效率僅為34%； 當b<0時，效率為圖6中藍色曲線，低速時效率低，但好于b>1時的情況，所以VoltI采用b<0的情況，其杠桿圖如下：
圖8 VoltⅠ杠桿模型
根據(jù)上面的討論，即使Ford Volt I采用的構型也不適合實際使用，因為低速時效率低，而我們家用車一般在城市路況下行駛，時速在80kph以內，而常見的車速是40~60kph，而這個車速正好是Volt I的低效區(qū)間。GM的解決方案是降低一個剎車B1和兩個離合器C1、C2（福特Prius沒有剎車和離合器）。 移位邏輯如表1所示
表1 VoltⅠ移位邏輯
汽車啟動，系統(tǒng)處于純電動模式。 此時控制B1閉合，齒圈鎖止，TM電機獨立驅動。 杠桿姿態(tài)和功率流如圖9所示
圖9 純電動模式1
當汽車需要大扭矩純電起步時，ISG電機和TM電機一起驅動，此時C1閉合（Volt Ⅰ在底盤和C2之間裝有雙向離合器，防止底盤離合向后拖動），詳見右圖
圖10 純電動模式2
汽車進一步加速，所需扭矩減小，底盤介入，但時速仍然不高，即i比較大。 根據(jù)2.1節(jié)的討論，如果此時不選擇換檔裝置B1、C1、C2等，系統(tǒng)效率會很低，并且會出現(xiàn)功率環(huán)流（即無功功率）。 在這種工況下，為防止汽車在低效率區(qū)間行駛，一般的解決辦法是鎖死制動器B1，結合離合器C2，使系統(tǒng)工作在串聯(lián)模式，即增程式混合動力在 1. Power mode中提到，這就是為什么GM一再堅持Volt I是EREV（Range）的激勵因素。 這種模式下的功率流和模擬杠桿如圖 11 所示。
圖 11 串聯(lián)混合模式
當速度較高時，為了提高系統(tǒng)效率，一般的策略是將C1和C2合并，開啟B1。 此時系統(tǒng)工作在輸出功率匯流模式，如圖12所示
圖 12 輸出功率收斂模式
上文提到，Volt I在中低速時效率低，會出現(xiàn)功率循環(huán)，這也是輸出功率分流構象的先天缺陷。功率循環(huán)如圖13所示
圖 13 功率循環(huán)下的功率流向和杠桿姿態(tài)
圖13中，齒圈R進入行星排后底盤動力分為兩條路。 一條機械路徑由行星架PC輸出直接驅動； 另一路由太陽輪S帶動TM電機發(fā)電，電能用于驅動ISG電機。 電力的一條路徑在系統(tǒng)中循環(huán)，不用于驅動汽車。 其實就是無功功率，應該避免。 正是為了解決這個問題，Volt I有了剎車B1、離合器C1、C2的加持。 城市中低速時，制動器B1和離合器C2閉合，系統(tǒng)工作在增程模式，避免動力循環(huán)。 當汽車在高速行駛時，即i較小時，如圖6所示，輸出功率分流構象的效率很高，因此Volt I的離合器C1和C2閉合，使系統(tǒng)工作在輸出功率分割模式。 這樣一來，無論是高速還是低速，福特Volt I都完美解決了效率低下的問題，成本也很可觀。 三個檔位選擇裝置的減少導致了系統(tǒng)的復雜化，增加了成本。
03
輸入功率分配
3.1
輸入功率分流功率特性
討論一直以三軸系統(tǒng)為例。 杠桿模型的構造與輸出功率分流類似，只是電機“綁定”的位置不同。 輸入動力分流的驅動電機TM綁定到輸出端。 詳情見右圖。
圖 14 輸入功率分流桿模型
根據(jù)上圖和NGW行星排怠速特性多項式，構造如下平衡多項式
據(jù)此得到輸入動態(tài)分裂構象的效率多項式為：
其中，i和a與輸出功率分流含義相同，η為電機效率，在數(shù)值上等于ISG和TM電機效率的乘積或倒數(shù)的乘積，取決于電機是否是發(fā)電還是發(fā)電。根據(jù)上面的公式，畫出效率曲線如右圖
圖15 輸入功率分流效率曲線
看圖15，實際上，當a=-1，或者a<0時，輸入功率分裂構象的效率在i較大時相對最高。 大于0的值表示ISG電機軸在杠桿模型上位于底盤軸的一側，解剖THS構造，這正是福特工程師的安排方式。
3.2
福特THS結構原理
從1994年普銳斯項目的建立和發(fā)展算起，福特的THS系統(tǒng)在過去的三六年里已經(jīng)升級了數(shù)次，無論THS迭代了多少次，其核心部件都沒有改變，這是一個一組 NGW 行星排。 至于同軸時代的第二組行星排，或者平行軸時代的減速蝸桿，都是為了降低輸出扭矩比，提升性能。 因此，本文僅對動力分流行星排進行分析討論。
圖16THSⅢ-P410
THS的行星架PC連接底盤ICE，太陽輪S連接發(fā)電機ISG，齒圈R作為輸出。 同時，環(huán)形齒輪連接到驅動馬達TM。 結構圖如圖17所示，P410和P610的主要參數(shù)如表2所示。
圖 17 THSⅣ-P610結構圖
表2 P410和P610的主要性能參數(shù)
其實THS結構比較簡單，控制復雜，工作方式多變。 本文僅討論功率分流和功率循環(huán)這兩種典型情況，分析輸入功率分流構象的質量。 其他工作模式見表3
桌面工作模式
筆記：
定義 從底盤看變速箱，順時針轉為正，反之為負；
+：表示怠速為正；
-：表示怠速為負值；
0：靜止不動；
THS之所以被稱為輸入功率分流，是因為在車速不太高的時候，底盤能量通過行星架后分為兩條路徑——機械路徑和電力路徑。 機械路徑直接驅動小車，另一路徑驅動ISG定子發(fā)電，電能要么用于儲存，要么用于驅動TM電機。 THS功率分配模式下的功率流和模擬桿如右圖所示
圖 18 功率分配模式
而當車速較高時（初始THSⅠ-P111、THSⅡ-P112功率循環(huán)發(fā)生在車速低于80kph時），即i較小時，輸入功率分流器構象的效率會很低。 例如，圖 15 中的藍色曲線表示 THS 構象的效率特性。 當i=0.8（可以理解為）時，效率只有42.4%，可見其效率很低。 這些情況是由于系統(tǒng)內部產生的功率循環(huán)，由輸入功率的分流配置決定，很難改變。 這種情況下的功率流和杠桿模型如圖19所示
圖 19 電源循環(huán)
在圖 19 中，底盤能量流經(jīng)齒圈并分為兩條路徑。 一條路徑驅動小車，另一條路徑驅動TM電機發(fā)電。 電能用于驅動ISG定子旋轉，并通過太陽輪流回行星排。 其實這條路不開小車，屬于無功功率。
3.3
分析普銳斯高速不省油的原因
根據(jù)上一節(jié)的分析，THS系統(tǒng)在汽車高速行駛時會出現(xiàn)動力循環(huán)，這是導致搭載THS系統(tǒng)的普銳斯高速油耗的重要原因。 表4是部分搭載THS系統(tǒng)的福特車型的油耗統(tǒng)計，更能說明這個問題。
表4 福特部分車型油耗統(tǒng)計
我們來分析一下出現(xiàn)這種情況的原因，首先分析一下怠速：
定義從底盤到變速箱的方向，順時針旋轉為正發(fā)電功率常用單位，反之為負； 定義車輪的前進方向為正向（順時針旋轉），則由THS結構可知，小車前進時，齒圈、TM電機和半軸同向旋轉。
假設時速定義為-之間的高速，齒圈到半軸的減速比為3.9。 根據(jù)車速與怠速的關系，-對應的齒圈怠速估算為：
根據(jù)底盤特性曲線（見圖20），假設底盤在高速時的高效怠速范圍為：2600-，則可得到小電機的怠速。
圖20THS 機箱外部特征
ISG怠速估算公式由行星排怠速特性多項式得到：
根據(jù)估算結果，太陽輪、行星架、大齒圈的時速和對應的怠速用杠桿圖表示如下：
圖21 行星排三要素與時速v的對應關系
里面是怠速分析，下面是扭矩分析：
高速行駛時，驅動力主要克服風阻和滾動阻力。 根據(jù)車輛參數(shù)，所需扭矩約為130-248Nm。 根據(jù)減速比，齒圈需要提供的驅動扭矩約為30-60Nm
上述兩式中，Ttdw(v)為所需扭矩，THo(v)為齒圈需提供的扭矩。 根據(jù)上式，得出轉矩-轉速曲線如下。
圖22 所需轉矩與齒圈提供的轉矩與時速的關系
根據(jù)底盤圖，底盤工作在2600-時，最佳輸出扭矩約為90Nm，如圖23
圖23 底盤最佳輸出扭矩范圍示意圖
根據(jù)行星架上的扭矩平衡，行星架的內部扭矩方向向上，根據(jù)行星排扭矩的特征多項式，作用在S和R上的內部扭矩方向向下。 為了平衡底盤分配給S軸的力矩，ISG作用在太陽輪上的力矩必須向上，量級為25Nm。 從底盤分配到齒圈的扭矩為90*2.6/3.6=65Nm，方向為向下。 所需扭矩為30-60Nm，因此TM還需要輸出負扭矩和負載扭矩，以平衡從底盤分配到齒圈的扭矩。
綜上所述，ISG在高速時扭矩為負，怠速為負，處于電動狀態(tài)； TM有負轉矩，正怠速，處于發(fā)電狀態(tài)，產生的能量供ISG使用。 油耗較高。
04
復合權力分配
4.1
復合功率分流功率特性
復合功率分配至少需要一個 4 軸系統(tǒng)。 如果系統(tǒng)由NGW行星排組成，則至少需要兩個NGW行星排。 例如，福特 Volt II 由兩個簡單的行星排組成； 該系統(tǒng)還可以由復合行星排組成。 例如，Corun CHS 系統(tǒng)采用了 行星排列構造。 以最簡單的4軸為例說明其功率特性，其杠桿模型如圖24所示
圖 24 復合功率轉換桿模型
在杠桿圖上，設輸出端到機箱的距離為單元1，到EM1的距離為a，到EM2的距離為b，模擬輸入輸出功率特性進行討論，得到如下效率公式
其中，i和η所表示的含義與輸入/輸出功率分配相同，根據(jù)上述公式繪制效率曲線，如圖25所示
圖 25 復合功率分配效率曲線
假設電機E1為ISG電機，E1功率與底盤輸入功率之比也是研究復合功率分配的重要參數(shù)，故構建電功率比參數(shù)方程如下：
上式中αE1=PE1/PICE，PE1=2*π*TE1*nE1為電機E1的功率，PICE=2*π*Te*ne為底盤輸入功率。 根據(jù)以上公式繪制出αE1曲線如圖26
圖26 電機E1功率與底盤功率之比
4.2
多模復合功率分流器-CHS結構原理
科力遠混合動力系統(tǒng)，簡稱CHS，系統(tǒng)采用復合行星機構，具有兩個制動器，可實現(xiàn)E-CVT模式
圖27 Corun CHS（圖片來自網(wǎng)絡）
CHS系統(tǒng)的行星架PC與底盤ICE相連，太陽輪S1與小電機E1相連，太陽輪S2與大電機E2相連，齒圈作為輸出端。 結構圖如下：
圖28 Corun CHS結構圖
看圖25，當a<0，b>0時，復合功率分流系統(tǒng)的效率最高，也就是圖中紅色曲線對應的參數(shù)a和b。 a<0，b>0表示電機分布在底盤的一側，分析CHS系統(tǒng)，Corun構架就是基于這種排列方式。 CHS系統(tǒng)的主要參數(shù)如表5所示
表5 CHS動力系統(tǒng)主要部件參數(shù)
構建CHS行星排的仿真杠桿如圖29所示
圖 29CHS 杠桿模型
為了方便討論CHS系統(tǒng)的功率流向，清楚說明什么叫復合功率分配，在同一張圖中畫出了大小電機功率與底盤輸入功率的比值。全速范圍，參見圖 30
圖30 混合工況下全速范圍內大小電機功率比
圖30中三個區(qū)域的短發(fā)：A、B、C。在A區(qū)域，αE1<0，αE2>0，表示E1處于發(fā)電狀態(tài)，E2處于電動運動狀態(tài)。 有關杠桿的姿勢，請參見圖 29。 底盤動力通過單行星齒輪行星排S1-PC-R上的行星架后分為兩路。 一條機械路徑通過齒圈R驅動小車，另一條路徑通過驅動E1定子旋轉形成電能。 電能用于驅動電機 E2。 雙行星齒輪行星排S2-PC-R上的動力流向是E2的電能通過太陽輪S2進入行星排和行星架PC，然后輸出到齒圈R驅動汽車。 功率流參見圖 31
圖 31 A 區(qū)功率流
由以上分析可知，單行星行星排S1-PC-R是輸入功率分流，雙行星行星排S2-PC-R是輸出功率匯流，它們組合成一個復合權力分配。
再看圖30中B區(qū)，此時αE1>0，αE2<0，說明E1處于通電狀態(tài)，E2處于發(fā)電狀態(tài)，杠桿姿態(tài)如圖32所示。
圖 32 B區(qū)拉桿姿勢
此時底盤動力通過雙行星齒輪行星排S2-PC-R上的行星架后分為兩條路。 一條機械路徑通過齒圈R驅動小車，另一條路徑通過驅動E2定子旋轉形成電能。 電能用于驅動電機E1。 單行星齒輪行星排S1-PC-R上的動力流向是E1的電能通過太陽輪S1進入行星排和行星架PC，再輸出到齒圈R驅動汽車。 參見圖 33 了解功率流向
圖 33 B 區(qū)潮流
當汽車在工況B運行時，以上分析可知，單行星齒輪行星排S1-PC-R為輸出功率匯流，雙行星齒輪行星排S2-PC-R為輸入功率分流，它們的組合也是一種復合功率分流器。
C區(qū)與A區(qū)類似，E1發(fā)電，E2發(fā)電，這里不再贅述。
詳細分析A、B、C區(qū)底盤和電機的功率流后發(fā)現(xiàn)，CHS的單行星行星排S1-PC-R和雙行星行星排S2-PC-R E-CVT模式下的系統(tǒng)一個起著輸入/輸出功率分流的作用，另一個起著輸出/輸入功率分流的作用。 而復合動力分流只有一種模式，這也是CHS系統(tǒng)被稱為多模式復合動力分流的原因。
4.3
雙卡復合功率分流——VoltⅡ結構原理
福特Volt II于2016年10月上市，與Volt I相比，Volt II的結構有了很大的改變，性能也更強。
圖 34 Volt II 齒輪箱
表6是第一代Volt和第二代Volt驅動系統(tǒng)的對比：
表6 VoltⅠ和VoltⅡ驅動系統(tǒng)比較
圖35 Volt II結構示意圖
圖35 二代Volt結構圖
上圖為Volt II的連接形式：底盤ICE動力通過扭振阻尼后連接到PG1的齒圈R1，S1連接到副水泵，PC1和PC2同軸輸出動力給行星排通過鏈條傳動與后橋相連，S2與驅動電機相連，PG2+齒圈R2可通過制動器C1與殼體固定連接，同時R2與太陽輪S1相連PG1通過離合器C2。
除了停車充電和能量回收外，盒子還有5種常用的工作模式，其換檔邏輯如表7所示
表 7 Volt Ⅱ換檔邏輯
上表中的EV1、EV2和定速比模式比較容易理解，不再贅述。 本節(jié)主要討論了第二代Volt的輸入功率分配和復合功率分配模式發(fā)電功率常用單位，并分析了GM如何將這兩種分配模式提取到一個動力系統(tǒng)中。
分析表7中的工作模式3，C1閉合，C2斷開。 當C1閉合時，PG2行星排（連接的行星排命名為PG2）為固定速比傳動，因此動力分配只能發(fā)生在PG1行星排（連接的行星排命名為PG1）上，PG1行星排排排是一個簡單的行星排，如福特 THS。 回想一下第 3 節(jié)中討論的 THS 的行星排。它的效率在中低速時更高。 Volt II在這個工況下和THS類似，也是輸入功率的分流模式。 此時的功率流和杠桿模型如圖36所示
圖 36 Volt II 模式 3 輸入功率分流功率流和杠桿模型
Volt II的復合動力分配方式與4.2節(jié)相同，不同的是CHS的實現(xiàn)結構是行星排，而二代Volt的實現(xiàn)結構是兩個簡單行星排的組合. 當C2閉合，C1打開時，系統(tǒng)進入復合功率分流模式，此時的功率流和杠桿模型如圖37所示
圖 37 Volt II 模式 5 復合功率分流功率流和杠桿模型
從圖26和圖30可以看出，復合功率分配在低速時電機的功率特別大，這意味著系統(tǒng)的效率很低，這是復合功率分配的一大缺陷權力分配系統(tǒng)。 為了改善這種情況，第二代Volt設計了輸入功率分流模式，填補了復合功率分流系統(tǒng)速度慢、效率低的缺陷，增強了系統(tǒng)性能。 The of power under the two modes of input power split and power split is drawn in 38:
38 Volt Ⅱ Power Curve
In fact, on both sides of point A, that is, when the speed is high and the speed is low, the power of the red curve is than that of the blue curve, which means that the is high. , at this time, GM Volt II to work in the input power shunt mode. ; When the speed drops and point A, the red curve rises , while the blue curve rises and a , so Volt II works in the power split mode. In fact, the dual-mode power of Volt II has the , but it has also about .
05
總結
At , there are three types of power-split in the world: 1) Input power-split mode, by the Honda Prius; 2) power-split mode, by the first- Volt; Corun CHS and GM 's - Volt are the . Among them, the - Volt is the most and has the most . This paper the of these three types of power modes, the power of each mode, and its power flow with . , power-split are , so how to make full use of their and their in the be the focus of and .
Note: The data and cited in the are from the
Your likes and are our !
Ads:
Past Guide