溫英科，趙 峰

(1.中國(guó)科學(xué)院電工研究所，北京 100190;2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100080)

自20世紀(jì)六七十年代液力機(jī)械綜合傳動(dòng)大規(guī)模應(yīng)用后，在隨后三四十年時(shí)間內(nèi)車輛傳動(dòng)技術(shù)沒(méi)有發(fā)生根本性改變.隨著以信息化為代表的高新技術(shù)革命的發(fā)展，混合動(dòng)力電傳動(dòng)系統(tǒng)的研究開(kāi)始興起.現(xiàn)在以信息化為主導(dǎo)、以混合動(dòng)力電傳動(dòng)技術(shù)為基礎(chǔ)、以綜合電子技術(shù)和電氣控制技術(shù)、主動(dòng)懸掛技術(shù)等為支撐的高機(jī)動(dòng)平臺(tái)已成為未來(lái)混合動(dòng)力車輛的發(fā)展方向.功率分流式混合動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)是最早被提出且獲得應(yīng)用的混合動(dòng)力車輛電傳動(dòng)系統(tǒng)之一.

1 功率分流式混合驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)概述

功率分流式混合驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，是一種帶有行星排的功率分流 (耦合)結(jié)構(gòu)，它將發(fā)動(dòng)機(jī)和2個(gè)發(fā)電/電動(dòng)機(jī)通過(guò)1個(gè)或多個(gè)行星排連接 (耦合).它可以實(shí)現(xiàn)純電驅(qū)動(dòng)、混合驅(qū)動(dòng)、機(jī)械驅(qū)動(dòng)等多種工作模式，通過(guò)調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)和電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)輸出轉(zhuǎn)速的無(wú)級(jí)變化.功率分流驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)以提高車輛燃油經(jīng)濟(jì)性為出發(fā)點(diǎn)，以電機(jī)功率最小為目標(biāo)，通過(guò)機(jī)械和電力的有機(jī)復(fù)合，來(lái)降低系統(tǒng)對(duì)電機(jī)容量的需求，提高系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性.

功率分流混合驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)有2點(diǎn):1)發(fā)動(dòng)機(jī)的能量可以直接傳遞給負(fù)載，避免了能量在中轉(zhuǎn)過(guò)程中出現(xiàn)的能量損耗:2)發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和扭矩與車輪的轉(zhuǎn)速和扭矩解耦后，發(fā)動(dòng)機(jī)可以工作在較小范圍的經(jīng)濟(jì)區(qū)內(nèi)，使系統(tǒng)的燃油消耗達(dá)到最優(yōu)[1].

比較有代表性的功率分流混合驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)有單模式混合驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、雙模式混合驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和四模式混合驅(qū)動(dòng)系統(tǒng).

2 單模式功率分流混合驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

圖1為單模式功率分流混合驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖[2].單模式混合動(dòng)力系統(tǒng)包含2臺(tái)電機(jī) MC1、MC2和2個(gè)行星排PG1、PG2.

圖1 單模式功率分流混合驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

當(dāng)系統(tǒng)工作時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)出的功率經(jīng)過(guò)PG1分流一部分通過(guò)純機(jī)械路徑直接傳遞到輸出軸;另一部分通過(guò)電-機(jī)械路徑，先流經(jīng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)化為電能再驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)化為機(jī)械能帶動(dòng)車輛工作，后者稱為中轉(zhuǎn)功率.電機(jī)MC1通過(guò)PG2與輸出軸相連，不影響系統(tǒng)輸出轉(zhuǎn)速.系統(tǒng)輸出轉(zhuǎn)速由發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和電機(jī)MC2轉(zhuǎn)速?zèng)Q定，系統(tǒng)輸出扭矩由2個(gè)電機(jī)輸出扭矩共同決定.定義中轉(zhuǎn)功率與發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)出的總功率的比值為中轉(zhuǎn)功率比PR，它反映了在滿足系統(tǒng)動(dòng)力輸出的前提下，系統(tǒng)所需電機(jī)功率的大小.假定純機(jī)械路徑系統(tǒng)效率為100%，所有的能量損耗都發(fā)生在能量的轉(zhuǎn)換過(guò)程中，因此PR還被用來(lái)表征系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性.在設(shè)計(jì)中希望系統(tǒng)的PR越小越好，以降低系統(tǒng)對(duì)電機(jī)容量的需求，提高系統(tǒng)的效率.定義發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速與主減速器前的系統(tǒng)輸出轉(zhuǎn)速之比為系統(tǒng)速比SR.

列寫2個(gè)行星排特征方程[3]:

根據(jù)連接關(guān)系有:

聯(lián)立式(1)和式(2)，解得:

聯(lián)立式(3)和式(4)，可得系統(tǒng)PR和SR有如下關(guān)系:

式中:Nix為第i個(gè)行星排太陽(yáng)輪、行星架和外齒圈的轉(zhuǎn)速;Tix為第i個(gè)行星排太陽(yáng)輪、行星架和外齒圈的扭矩;Nice為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速;Tice為發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩;NMCi為第i個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速;TMCi為第i個(gè)電機(jī)的扭矩;Nout為系統(tǒng)輸出轉(zhuǎn)速;Tout為系統(tǒng)輸出扭矩;Ki為第i個(gè)行星排特征參數(shù)，即行星排外齒圈與太陽(yáng)輪的齒比;i=1，2;x=s，c，r.

圖2 單模式系統(tǒng)功率特性

給定K1=4時(shí)，將式(5)表示成曲線的形式如圖2所示.當(dāng)SR=0.8時(shí)，PR=0，此時(shí)所有發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)出的功率都通過(guò)純機(jī)械路徑傳遞到輸出軸，系統(tǒng)的效率最高，依據(jù)之前的假設(shè)可以認(rèn)為這時(shí)的系統(tǒng)效率為1，定義系統(tǒng)效率為1的點(diǎn)為系統(tǒng)的機(jī)械點(diǎn).在0.8的基礎(chǔ)上，隨著SR逐漸增大或減小，PR的絕對(duì)值逐漸增大，這時(shí)有越來(lái)越多的功率通過(guò)電-機(jī)械路徑傳遞到輸出軸，由于能量在中轉(zhuǎn)過(guò)程中的損耗，隨著PR絕對(duì)值的增大系統(tǒng)效率也逐漸降低.

混合驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)可達(dá)到的最大速比與最小速比之比稱為系統(tǒng)的變比.對(duì)某一給定PR最大值 (絕對(duì)值最大)，可與圖2所示曲線交于兩點(diǎn)，兩點(diǎn)橫坐標(biāo)之比，即在給定PR最大值下系統(tǒng)的變比.令PR=±a，則有:

解得:

式中:SRmax為系統(tǒng)最大速比;SRmin為系統(tǒng)最小速比.

可見(jiàn)單模式系統(tǒng)PR的最大值，即系統(tǒng)對(duì)電機(jī)容量的需求，是系統(tǒng)變比的單值函數(shù)，隨系統(tǒng)變比的增加而增大，變化趨勢(shì)如圖3所示.即當(dāng)系統(tǒng)變比選定時(shí)系統(tǒng)需求的電機(jī)功率隨之確定，與系統(tǒng)中行星齒輪特征參數(shù)無(wú)關(guān)，因此在設(shè)計(jì)時(shí)無(wú)需進(jìn)行行星齒輪特征參數(shù)的優(yōu)化.

圖3 單模式系統(tǒng)最大中轉(zhuǎn)功率比隨系統(tǒng)變比的變化

3 雙模式功率分流混合驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

圖4為雙模式功率分流混合驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖[2]，包含 2臺(tái)電機(jī) MC1、MC2和 2個(gè)行星排PG1、PG2，與單模式系統(tǒng)的不同之處在于雙模式系統(tǒng)增加了一個(gè)鎖止器CL1和一個(gè)離合器CL2.系統(tǒng)通過(guò)CL1和CL2的開(kāi)關(guān)動(dòng)作實(shí)現(xiàn)2種不同模式的轉(zhuǎn)變，如表1所示.

圖4 雙模式功率分流混合驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

表1 雙模式混合驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)工作模式

給定一組行星排特征參數(shù)可畫(huà)出如圖5所示的雙模式混合驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在各模式下PR隨SR的變化規(guī)律.2種模式下的功率特性曲線大致相交于SR=1.7的位置.為使系統(tǒng)在整個(gè)速比范圍內(nèi)都保持較高的經(jīng)濟(jì)性，在各速比點(diǎn)系統(tǒng)應(yīng)工作于PR相對(duì)較小的工作模式，因此，對(duì)于此雙模式混合驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)而言，當(dāng)系統(tǒng)速比大于1.7時(shí)，應(yīng)當(dāng)工作于MODE1;當(dāng)系統(tǒng)速比小于1.7時(shí)，應(yīng)當(dāng)工作于MODE2.當(dāng)系統(tǒng)速比連續(xù)變化時(shí)模式的變化以及系統(tǒng)整體功率特性如圖6所示.可見(jiàn)相對(duì)于單模式混合驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，雙模式系統(tǒng)由于工作模式的增加，使系統(tǒng)PR在相對(duì)較寬的速比范圍內(nèi)保持在較低的數(shù)值，降低了系統(tǒng)對(duì)電機(jī)容量的需求，提高了系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性.

圖5 雙模式系統(tǒng)各模式功率特性

圖6 雙模式系統(tǒng)模式的變化

如圖6所示，雙模式混合動(dòng)力系統(tǒng)PR隨SR的變化是一條非單調(diào)曲線，在MODE2時(shí)達(dá)到極值點(diǎn)作為系統(tǒng)PR的最大值，記為a，相應(yīng)地當(dāng)PR=-a時(shí)，可與曲線交于兩點(diǎn)，兩點(diǎn)橫坐標(biāo)之比即系統(tǒng)變比.系統(tǒng)PR最大值以及變比都是K1，K2的函數(shù).雙模式混合動(dòng)力系統(tǒng)對(duì)電機(jī)功率的需求由系統(tǒng)變比和系統(tǒng)中2個(gè)行星齒輪的特征參數(shù)共同決定.系統(tǒng)對(duì)電機(jī)功率的需求隨系統(tǒng)變比的增加而增大，變化趨勢(shì)如圖7所示.當(dāng)系統(tǒng)變比確定時(shí)總可以找到一組最優(yōu)的K值使系統(tǒng)對(duì)電機(jī)功率需求最小，即在設(shè)計(jì)時(shí)需要進(jìn)行系統(tǒng)行星齒輪特征參數(shù)的優(yōu)化，這個(gè)過(guò)程可以借助于MATLAB中求解非線性約束最優(yōu)化問(wèn)題的fmincon函數(shù)進(jìn)行求解.以系統(tǒng)最大PR值最小為優(yōu)化目標(biāo)，以給定的系統(tǒng)變比為約束條件，求解非線性約束最優(yōu)化問(wèn)題.當(dāng)系統(tǒng)變比選定為6.5時(shí)，有:

式中:PR2max為MODE2中轉(zhuǎn)功率比的最大值.

圖7 雙模式系統(tǒng)最大中轉(zhuǎn)功率比隨系統(tǒng)變比的變化

需要注意的是，當(dāng)給定某一變比并完成K值優(yōu)化后，需對(duì)車輛的輸出能力進(jìn)行校核，如不能夠滿足車輛動(dòng)力性能指標(biāo)，則需增大系統(tǒng)變比，重復(fù)上面的K值優(yōu)化過(guò)程，此時(shí)系統(tǒng)電機(jī)的容量也會(huì)隨之增大，系統(tǒng)整體經(jīng)濟(jì)性將會(huì)降低.

4 四模式功率分流混合驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

圖8為四模式功率分流混合驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖[2]，包含 2個(gè)電機(jī) MC1、MC2;3個(gè)行星排PG1、PG2、PG3，其中PG1、PG2為單級(jí)行星排，PG3為雙級(jí)行星排[4];2個(gè)鎖止器 CL1、CL3和2個(gè)離合器CL2、CL4.系統(tǒng)通過(guò)離合器和鎖止器的開(kāi)關(guān)動(dòng)作來(lái)實(shí)現(xiàn)4種不同模式的轉(zhuǎn)變，如表1所示.

圖8 四模式功率分流混合驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

表2 四模式混合驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)工作模式

同雙模式混合動(dòng)力系統(tǒng)的原理相同，四模式混合驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)也是通過(guò)不同模式的轉(zhuǎn)換使系統(tǒng)PR在較寬的速比范圍內(nèi)保持在較低水平，從而使盡可能多的能量通過(guò)純機(jī)械路徑傳遞到輸出軸，降低能量損耗，提高系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性.

圖9 四模式系統(tǒng)各模式功率特性

給定一組行星排特征參數(shù)可畫(huà)出如圖9所示的四模式混合驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在各模式下PR隨SR的變化規(guī)律.以MODE2為例，由圖9可見(jiàn):當(dāng)系統(tǒng)SR在1.5～3.5之間變化時(shí)，系統(tǒng)PR值較小，此時(shí)系統(tǒng)大部分能量通過(guò)純機(jī)械路徑傳遞到輸出軸;而當(dāng)SR的數(shù)值小于1.5或者大于3.5時(shí)，系統(tǒng)PR值迅速增大，此時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)出的很大一部分功率經(jīng)過(guò)2個(gè)電機(jī)進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換后傳遞給輸出軸，這就造成能量的損耗，使系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性急劇降低.因此當(dāng)SR的數(shù)值小于1.5或者大于3.5時(shí)，MODE2不再適用.對(duì)于其余3種工作模式都有相似的工作特性，即都是在一定的速比范圍內(nèi)能將系統(tǒng)效率維持在一個(gè)較高的水平，超出這一速比范圍系統(tǒng)效率急劇降低.取各速比段中PR最小的模式為相應(yīng)速比段的工作模式，可得到，隨著速比的減小，由右向左系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)依次工作于 MODE1、MODE2、MODE3和MODE4模式，4個(gè)模式的曲線彼此相連如圖10所示.需要指明，由于MODE4的曲線隨SR變化過(guò)于劇烈，經(jīng)濟(jì)性不佳，因此四模式混合動(dòng)力系統(tǒng)很少工作于第4種模式.

圖10 四模式系統(tǒng)模式的變化

四模式混合動(dòng)力系統(tǒng)PR隨SR的變化也是一條非單調(diào)曲線，在MODE2、MODE3時(shí)達(dá)到極值點(diǎn)，分析時(shí)需討論兩極值點(diǎn)的大小.選定極值點(diǎn)后與MODE1、MODE4曲線交于兩點(diǎn)，兩點(diǎn)橫坐標(biāo)之比為系統(tǒng)變比.系統(tǒng)PR最大值以及變比都是K1，K2，K3的函數(shù).系統(tǒng)對(duì)電機(jī)功率的需求由系統(tǒng)變比和系統(tǒng)中各行星齒輪的特征參數(shù)共同決定.系統(tǒng)對(duì)電機(jī)功率的需求隨系統(tǒng)變比的增加而增大，變化趨勢(shì)如圖11所示.與雙模式系統(tǒng)相同，當(dāng)四模式系統(tǒng)變比確定時(shí)總可以找到一組最優(yōu)的K值使系統(tǒng)對(duì)電機(jī)功率需求最小，四模式系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)也需要進(jìn)行系統(tǒng)行星齒輪特征參數(shù)的優(yōu)化，同樣借助fmincon函數(shù)進(jìn)行求解.以系統(tǒng)PR值最小為優(yōu)化目標(biāo)，以選定的系統(tǒng)變比為約束條件，求解非線性約束最優(yōu)化問(wèn)題.

為滿足車輛動(dòng)力性能指標(biāo)，給定系統(tǒng)變比后，同樣需要對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)力輸出性能進(jìn)行校核.

圖11 四模式系統(tǒng)最大中轉(zhuǎn)功率比隨系統(tǒng)變比的變化

5 3種結(jié)構(gòu)比較

為方便對(duì)3種結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)性和各自對(duì)電機(jī)功率的需求進(jìn)行對(duì)比，將圖3、圖7、圖11的曲線畫(huà)于一張圖內(nèi)，如圖12所示.

圖12 3種結(jié)構(gòu)PR最大值隨系統(tǒng)變比變化趨勢(shì)對(duì)比

從圖中可以明顯看出:當(dāng)系統(tǒng)變比大于2.5時(shí)，在同一系統(tǒng)變比下單模式系統(tǒng)、雙模式系統(tǒng)以及四模式系統(tǒng)PR最大值依次降低.可見(jiàn)隨著工作模式的增加，系統(tǒng)對(duì)電機(jī)容量的需求逐漸降低，系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性逐步提高，但與此同時(shí)車輛傳動(dòng)系統(tǒng)的復(fù)雜性和控制的難度也隨之增加.

在實(shí)際應(yīng)用中，豐田Prius采用單模式混合驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，第二代Prius動(dòng)力系統(tǒng)由1.5 L、57 kW發(fā)動(dòng)機(jī)和50 kW電動(dòng)機(jī)構(gòu)成，電動(dòng)機(jī)功率為發(fā)動(dòng)機(jī)功率的87.7%;第三代Prius動(dòng)力系統(tǒng)由1.8 L、73 kW發(fā)動(dòng)機(jī)和59 kW電動(dòng)機(jī)構(gòu)成，電動(dòng)機(jī)功率為發(fā)動(dòng)機(jī)功率的80.8%.GM采用的是雙模式混合驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，其推出的GMC Yukon混合動(dòng)力車的動(dòng)力系統(tǒng)采用6.0 L、237 kW汽油型發(fā)動(dòng)機(jī)搭配60 kW電機(jī)，電機(jī)功率為發(fā)動(dòng)機(jī)功率的25.3%.可見(jiàn)，通過(guò)增加模式可以大幅度降低電機(jī)的容量，從而減小系統(tǒng)體積，但是會(huì)增加離合器和鎖止器，增加控制的復(fù)雜程度，在實(shí)際應(yīng)用中需要根據(jù)實(shí)際情況選取.

6 結(jié)論

通過(guò)對(duì)單模式、雙模式以及四模式功率分流混合驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)工作原理，及其結(jié)構(gòu)的對(duì)比分析，得出如下結(jié)論:

單模式混合驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，控制較容易，成本較低;但對(duì)電機(jī)功率要求高，系統(tǒng)電機(jī)體積大，且經(jīng)濟(jì)性不佳.適用于低功率、對(duì)系統(tǒng)變比和經(jīng)濟(jì)性要求不高的小型混合動(dòng)力車輛，如豐田Prius采用的就是這種混合動(dòng)力系統(tǒng).

四模式混合驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)通過(guò)多種模式的轉(zhuǎn)換，大幅降低了系統(tǒng)對(duì)電機(jī)功率的需求，實(shí)現(xiàn)了電機(jī)小型化，節(jié)約了空間，系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性好;但傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，控制難度大，成本較高.適用于高功率、對(duì)系統(tǒng)變比要求較高的中重型車輛.如將四模式系統(tǒng)運(yùn)用于低功率車輛，雖然可以適當(dāng)降低電機(jī)系統(tǒng)的體積，但四模式系統(tǒng)本身增加的4個(gè)離合器同樣占用了較大的空間，整個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)在體積上可能反而會(huì)增大，因此四模式系統(tǒng)對(duì)低功率小型車輛并不適用.

雙模式混合驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)對(duì)電機(jī)功率的要求、系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性、控制的復(fù)雜程度以及成本介于單模式和四模式之間，適用于性能要求較高的混合動(dòng)力車輛.現(xiàn)通用、寶馬、戴克集團(tuán)已聯(lián)手開(kāi)發(fā)了雙模式混合驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的車型，其電機(jī)系統(tǒng)體積只有普通單模式混合動(dòng)力系統(tǒng)的一半左右，在保證車輛高性能的同時(shí)進(jìn)一步優(yōu)化了燃油經(jīng)濟(jì)性.

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