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        單行星排式功率分流機(jī)電耦合傳動方案

        2019-02-06 10:56:02趙江靈祖國強(qiáng)蘇倩汝
        關(guān)鍵詞:速比分流行星

        趙江靈,尚 陽,祖國強(qiáng),蘇倩汝

        (1.廣州汽車集團(tuán)股份有限公司 汽車工程研究院,廣州 511434;2.北京航空航天大學(xué) 交通科學(xué)與工程學(xué)院,北京 100191)

        開發(fā)混合動力汽車已經(jīng)成為國內(nèi)外各汽車公司的當(dāng)務(wù)之急,這也是各整車廠在2025年前的重點(diǎn)開發(fā)項(xiàng)目?;旌蟿恿C(jī)電耦合系統(tǒng)[1-7]的模塊化與專用化設(shè)計(jì)不僅可以使成本降低,同時(shí)集成式的控制策略也讓整車的動力性和燃油經(jīng)濟(jì)性有大幅度的增強(qiáng)。

        對于專用混動變速箱(DHT)分串并聯(lián)和功率分流是兩大類別。串并聯(lián)以本田i-MMD為代表,可以通過增程模式,將發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速和扭矩與整車的需求解耦,讓發(fā)動機(jī)一直工作在經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)的工作點(diǎn),實(shí)現(xiàn)較好的經(jīng)濟(jì)性。功率分流以豐田THS系統(tǒng)為代表,通過功率分流模式(ECVT模式),讓發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速和扭矩與整車的需求解耦,讓發(fā)動機(jī)一直工作在經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)的工作點(diǎn)[8-12]。

        串并聯(lián)和功率分流都可以讓發(fā)動機(jī)與整車的需求解耦,讓發(fā)動機(jī)一直工作在最優(yōu)的工作區(qū)間。串并聯(lián)類的機(jī)電耦合系統(tǒng)通過增程模式將發(fā)動機(jī)的所有能量轉(zhuǎn)化為電能;功率分流類的機(jī)電耦合系統(tǒng),通過功率分流模式,發(fā)動機(jī)的能量一部分產(chǎn)生電能,一部分直接傳遞到輪端。因機(jī)械傳遞效率高于電能的轉(zhuǎn)化效率,所以功率分流類的系統(tǒng)效率要高于串并聯(lián)類的機(jī)電耦合系統(tǒng)效率。

        功率分流機(jī)電耦合系統(tǒng)作為新型的高性能動力傳動系統(tǒng),不僅有利于電機(jī)和機(jī)械傳動高轉(zhuǎn)速發(fā)展,而且能夠提高功率密度、優(yōu)化各動力源的工作區(qū)域,比其他動力傳動結(jié)構(gòu)具有更大的節(jié)能潛力和更好的發(fā)展前景。

        1 功率分流的類型

        功率分流機(jī)電耦合系統(tǒng)根據(jù)分流方式的不同,可以分為輸入分流式、輸出分流式以及復(fù)合分流式[13-16]。

        1.1 輸入功率分流

        1)行星齒輪機(jī)構(gòu)位于傳動系統(tǒng)輸入端;

        2)發(fā)動機(jī)、發(fā)電機(jī)、輸出軸分別與行星齒輪相連;

        3)驅(qū)動電機(jī)與輸出軸以扭矩耦合方式連接。

        輸入功率分流代表為豐田的THS系統(tǒng),該類型系統(tǒng)高速模式會產(chǎn)生功率循環(huán),適合低速模式。

        1.2 輸出功率分流

        1)行星齒輪機(jī)構(gòu)位于傳動系統(tǒng)輸出端;

        2)發(fā)動機(jī)、驅(qū)動電機(jī)、輸出軸分別與行星齒輪機(jī)構(gòu)相連。

        輸出功率分流的代表為通用VOLTEC-Ⅰ,該類型系統(tǒng)與輸入分流式相反,適合高速模式。

        1.3 復(fù)合功率分流

        1)采用兩個(gè)或多個(gè)行星齒輪機(jī)構(gòu)置于傳動系統(tǒng)輸入端與輸出端;

        2)發(fā)電機(jī)、驅(qū)動電機(jī)分別與行星齒輪機(jī)構(gòu)相連。

        復(fù)合功率分流的代表為科力遠(yuǎn)的CHS系統(tǒng),該類型系統(tǒng)兩個(gè)機(jī)械點(diǎn)之間系統(tǒng)效率高,遠(yuǎn)離兩個(gè)機(jī)械點(diǎn)系統(tǒng)效率變低。

        根據(jù)包含動力分流模式的數(shù)量,也可以將功率分流系統(tǒng)分為單模系統(tǒng)和雙模系統(tǒng)。如豐田的THS系統(tǒng)為單模系統(tǒng),通用的VOLTEC-Ⅱ?yàn)殡p模系統(tǒng)。

        雙模系統(tǒng),多組行星排的組合使系統(tǒng)獲得了更大的速比范圍以及更多的工作模式,實(shí)現(xiàn)了動力性與燃油經(jīng)濟(jì)性的提升。結(jié)構(gòu)復(fù)雜,控制難度較高,成本較高。

        如圖1所示,功率分流系統(tǒng)不僅可以實(shí)現(xiàn)無級變速,還可以將動力源轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩與車輛負(fù)載轉(zhuǎn)矩、車速的解耦,即動力源轉(zhuǎn)速不受車輛負(fù)載轉(zhuǎn)矩、車速的約束,讓發(fā)動機(jī)一直在最優(yōu)的工作點(diǎn)工作。

        圖1 功率分流對動力源的效率優(yōu)化

        雖然行星排的增加實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)速比范圍及動力性與燃油經(jīng)濟(jì)性的提升,但其復(fù)雜的控制策略以及大幅增加的成本同樣是亟需解決的問題。表1是各類系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)對比。E-CVT技術(shù)已經(jīng)較為成熟,在空間占有率、節(jié)油率上有一定優(yōu)勢,但其依然存在開發(fā)難度大、成本較高的問題。

        表1 各類型混合動力機(jī)電耦合系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)對比

        2 行星齒輪的連接及效率分析

        2.1 行星齒輪的連接關(guān)系

        行星齒輪機(jī)構(gòu)包含3個(gè)構(gòu)件,分別是太陽輪、行星架、齒圈。機(jī)電耦合系統(tǒng)一般也包含兩個(gè)動力源,即發(fā)動機(jī)、電機(jī)。所以,發(fā)動機(jī)和電機(jī)與行星齒輪機(jī)構(gòu)的連接方式也有多種組合。

        表2 行星齒輪與動力源的連接關(guān)系

        行星齒輪機(jī)構(gòu)包含3個(gè)構(gòu)件,也可以通過固定某個(gè)構(gòu)件,實(shí)現(xiàn)某些功能。行星排的特征參數(shù)是指齒圈的齒數(shù)與太陽的齒數(shù)之比用i0表示,i0的取值范圍一般是1.5~6。

        2.1.1 太陽輪固定

        行星架主動,齒圈被動,行星架到齒圈的速比為:

        齒圈主動,行星架被動,齒圈到行星架的速比為:

        太陽輪固定,齒圈和行星架2個(gè)構(gòu)件轉(zhuǎn)速方向相同。

        2.1.2 行星架固定

        太陽輪主動,齒圈被動,太陽輪到齒圈的速比為:

        齒圈主動,太陽輪被動,齒圈到太陽輪的速比為:

        行星架固定,太陽輪和齒圈2個(gè)構(gòu)件轉(zhuǎn)速方向相反。

        2.1.3 內(nèi)齒圈固定

        太陽輪主動,行星架被動,太陽輪到行星架的速比為:

        行星架主動,太陽輪被動,行星架到太陽輪的速比為:

        內(nèi)齒圈固定,太陽輪和行星架2個(gè)構(gòu)件轉(zhuǎn)速方向相同。

        2.2 行星齒輪的傳遞效率分析

        行星輪式混聯(lián)系統(tǒng)有3種能量傳遞方式:

        1)直接機(jī)械能傳遞方式,由行星機(jī)構(gòu)將機(jī)械能直接傳遞到輪端。

        行星齒輪機(jī)構(gòu)可能是固定某個(gè)構(gòu)件,或者通過離合器,讓行星排整體旋轉(zhuǎn)。發(fā)動機(jī)的動力由行星機(jī)構(gòu)將機(jī)械能直接傳遞到輪端。此時(shí)發(fā)動機(jī)的速比是固定速比。系統(tǒng)的效率為:

        按照兩級傳遞,η1、η2為每級齒輪的效率,按照99%計(jì)算。

        2)直接電能傳遞方式,該傳遞不通過電池存儲。此時(shí),發(fā)電機(jī)所發(fā)的電量剛好滿足驅(qū)動電機(jī)的需求。系統(tǒng)為功率分流模式(ECVT)或增程模式,發(fā)動機(jī)帶動發(fā)電機(jī)發(fā)電,所發(fā)的電直接供給驅(qū)動電機(jī)使用。此時(shí),系統(tǒng)的效率為兩個(gè)電機(jī)效率的乘積:

        式中:ηE1為發(fā)電機(jī)充電效率;ηE2為驅(qū)動電機(jī)驅(qū)動效率,取88%(含控制器的效率)。

        3)緩存電能傳遞方式,能量通過發(fā)電機(jī)、電池、驅(qū)動電機(jī)再到車輪。電池起緩存作用,低負(fù)荷發(fā)電高負(fù)荷使用。系統(tǒng)為功率分流模式(ECVT)或增程模式,此時(shí)系統(tǒng)的效率為:

        式中:ηE1為發(fā)電機(jī)充電效率;ηB1為電池充電效率;ηB2為電池放電效率;ηE2為驅(qū)動電機(jī)驅(qū)動效率。ηE1、ηE2取88%(含控制器的效率),ηB1、ηB2取97.5%。

        如圖2所示,從系統(tǒng)傳遞效率來分析,方案1的效率最高。但在實(shí)際使用中還需考慮發(fā)動機(jī)的效率。方案1中發(fā)動機(jī)的速比是固定速比,發(fā)動機(jī)的動力與輪端需求相關(guān)聯(lián),發(fā)動機(jī)的效率為非最優(yōu)工作點(diǎn)。方案2和方案3屬于功率分流模式(ECVT),可以通過電機(jī)調(diào)節(jié)發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速和扭矩讓發(fā)動機(jī)工作在最優(yōu)工作點(diǎn)。所以,我們需要根據(jù)工況實(shí)時(shí)調(diào)整控制策略,讓整車的經(jīng)濟(jì)性達(dá)到最優(yōu)。

        圖2 行星齒輪能量傳遞方式

        3 豐田THS構(gòu)型演變分析

        以豐田THS-Ⅰ~THS-Ⅳ為例,分析豐田THS系統(tǒng)的機(jī)構(gòu)特點(diǎn)及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)演變原因。如表3所示,豐田THS-Ⅰ~THS-Ⅳ,第1個(gè)行星排的連接關(guān)系沒有變化,一直是發(fā)動機(jī)連接行星架,發(fā)電機(jī)連接太陽輪,齒圈輸出。豐田THS-Ⅰ~THS-Ⅳ,只是驅(qū)動電機(jī)的連接關(guān)系有變化。

        1)THS-Ⅰ/Ⅱ,驅(qū)動電機(jī)連接行星排的齒圈,驅(qū)動電機(jī)到輪端的速比為4.113,速比小。所以驅(qū)動電機(jī)的扭矩需求大,轉(zhuǎn)速低。

        2)THS-Ⅲ,驅(qū)動電機(jī)通過行星排減速(固定行星架),驅(qū)動電機(jī)到輪端的速比為8.615,提高速比,降低系統(tǒng)對驅(qū)動電機(jī)的扭矩需求,提高了對最高轉(zhuǎn)速的需求。

        3)THS-Ⅳ,驅(qū)動電機(jī)通過定軸齒輪與中間軸嚙合,驅(qū)動電機(jī)的速比為10,進(jìn)一步提高速比,降低系統(tǒng)對驅(qū)動電機(jī)的扭矩需求,提高了對最高轉(zhuǎn)速的需求。

        綜上所述,THS-Ⅰ~THS-Ⅳ演變的一個(gè)重要原因就是提高驅(qū)動電機(jī)到輪端的速比,減小驅(qū)動電機(jī)的扭矩,提高驅(qū)動電機(jī)的轉(zhuǎn)速。因電機(jī)的大小與扭矩正相關(guān),所以減小扭矩需求,可以降低電機(jī)的尺寸和成本,也可以提高系統(tǒng)的效率。

        針對豐田THS-Ⅲ與THS-Ⅳ進(jìn)行了詳細(xì)計(jì)算,結(jié)果如表4所示。

        1)從純電動計(jì)算結(jié)果可以看出:驅(qū)動電機(jī)的扭矩由200 N·m降低到163 N·m,差速器輸出端的扭矩可以維持在1 600 N·m左右,通過調(diào)節(jié)驅(qū)動電機(jī)的速比,對純電動的動力性無明顯影響;

        2)從混動模式急加速工況可以看出:驅(qū)動電機(jī)的扭矩由200 N·m降低到163 N·m,差速器輸出端的扭矩可以維持在1 950 N·m左右,通過調(diào)節(jié)驅(qū)動電機(jī)的速比,對混動的動力性無明顯影響;

        3)從混動模式高速工況可以看出:通過調(diào)節(jié)驅(qū)動電機(jī)的最高轉(zhuǎn)速,可以彌補(bǔ)因?yàn)樵黾域?qū)動電機(jī)速比,帶來對最高車速的限制。

        表3 豐田THS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分析

        表4 THS-Ⅲ與THS-Ⅳ計(jì)算對比

        4 功率回流及解決方案

        4.1 功率分流的控制方法

        功率分流的控制的核心思想是在每一個(gè)特定工況滿足整車需求的情況下,通過協(xié)調(diào)發(fā)動機(jī)與電機(jī)的功率輸出,達(dá)到最大程度上的節(jié)能減排。

        功率分流混動系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)控制就是對發(fā)動機(jī)目標(biāo)工作點(diǎn)(轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩)的控制。E-CVT的穩(wěn)態(tài)控制可以實(shí)現(xiàn)車輛燃油經(jīng)濟(jì)性的提升以及實(shí)現(xiàn)車輪對駕駛員操作的響應(yīng)。圖3為發(fā)動機(jī)目標(biāo)工作點(diǎn)的確定方法。

        混動車輛結(jié)構(gòu)與控制策略比較復(fù)雜,因此混動系統(tǒng)參數(shù)的匹配與優(yōu)化是目前研究和開發(fā)的重點(diǎn)。

        4.2 功率回流問題闡述

        豐田的THS系統(tǒng)一直堅(jiān)持不使用離合器和制動器,結(jié)構(gòu)簡單。該系統(tǒng)在Prius的車型上,也取得了較好的節(jié)油效果。因無離合器等執(zhí)行元件,系統(tǒng)工作模式少,只有純電動模式、功率分流(ECVT)模式和制動能量回收3種模式。

        在理想情況下,發(fā)動機(jī)的動力分兩種路徑傳遞:①發(fā)動機(jī)部分能量帶動發(fā)電機(jī)發(fā)電,將電能存儲在動力電池中;②發(fā)動機(jī)部分能量直接驅(qū)動車輛。驅(qū)動電機(jī)則通過動力電池提供的電能驅(qū)動車輛。

        圖3 發(fā)動機(jī)目標(biāo)工作點(diǎn)的確定方法

        當(dāng)整車功率需求較小時(shí),THS系統(tǒng)的發(fā)電機(jī)為了平衡發(fā)動機(jī)的動力,發(fā)電機(jī)驅(qū)動,驅(qū)動電機(jī)發(fā)電,有一部分通過驅(qū)動電機(jī)發(fā)電給發(fā)電機(jī)平衡發(fā)動機(jī)的動力,從而形成功率回流。系統(tǒng)的功率回流會降低系統(tǒng)的效率。

        功率回流的根本原因是發(fā)動機(jī)采用功率跟隨控制,即輪端的功率主要來源于發(fā)動機(jī)和電池,一直循環(huán)的那部分功率主要是為了行星齒輪系統(tǒng)的平衡。

        4.3 規(guī)避功率回流的方法

        功率回流會降低系統(tǒng)的效率,影響整車的燃油經(jīng)濟(jì)性能。一般有以下方法解決功率回流問題。

        4.3.1 不改機(jī)電耦合系統(tǒng)構(gòu)型

        1)優(yōu)化行星齒輪特征參數(shù)(K值),可以改善回流的工作區(qū)間;

        2)優(yōu)化行星機(jī)構(gòu)到差速器輸出端速比。

        4.3.2 改構(gòu)型

        1)增加行星排(如通用Voltec系統(tǒng))或使用復(fù)合行星排(科力遠(yuǎn)CHS系統(tǒng))。如通用Voltec方案所示,通過增加行星排,增加ECVT模式,避免功率回流。

        2)增加兩擋,降低齒圈轉(zhuǎn)速。如圖6所示,豐田基于THS系統(tǒng),在混動系統(tǒng)后端增加2AT或4AT的方式,增加ECVT模式和發(fā)動機(jī)直驅(qū)模式,提高系統(tǒng)的效率。

        圖6 豐田L(fēng)exusGS450h混動方案

        5 結(jié)束語

        全球新能源汽車機(jī)電耦合系統(tǒng)存在多種技術(shù)方案,如以P0~P4為代表的單電機(jī)耦合系統(tǒng)、以本田i-MMD為代表的串并聯(lián)式機(jī)電耦合系統(tǒng)、以豐田THS為代表的功率分流式機(jī)電耦合系統(tǒng)、在后驅(qū)或四輪驅(qū)動平臺上應(yīng)用的縱向布置機(jī)電耦合系統(tǒng),其主要發(fā)展趨勢為集成化和系統(tǒng)效率最優(yōu)化。

        功率分流類機(jī)電耦合系統(tǒng)是重要的發(fā)展方向,對行星排的連接方案的分析、能量傳遞和效率分析有利于開發(fā)功率分流類的機(jī)電耦合系統(tǒng)。對豐田功率分流系統(tǒng)結(jié)構(gòu)演變原因的分析,有助于更好地了解功率分流類的機(jī)電耦合系統(tǒng)。提出豐田功率分流系統(tǒng)存在的問題及解決方案,為開發(fā)功率分流系統(tǒng)提供一些思路。

        在設(shè)計(jì)功率分流機(jī)電耦合系統(tǒng)時(shí),不僅要考慮發(fā)動機(jī)、發(fā)電機(jī)、驅(qū)動電機(jī)與行星齒輪的連接關(guān)系,還需要考慮所組成的系統(tǒng)是否會形成功率回流。通過傳動方案設(shè)計(jì)和參數(shù)匹配優(yōu)化,盡量避免系統(tǒng)功率回流,從而提高系統(tǒng)的效率,改善整車的燃油經(jīng)濟(jì)性能。

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