单行星排式功率分流机电耦合传动方案

2019-02-06赵江灵祖国强苏倩汝

重庆理工大学学报(自然科学) 2019年12期

赵江灵，尚阳，祖国强，苏倩汝

（1.广州汽车集团股份有限公司汽车工程研究院，广州 511434；2.北京航空航天大学交通科学与工程学院，北京 100191）

开发混合动力汽车已经成为国内外各汽车公司的当务之急，这也是各整车厂在2025年前的重点开发项目。混合动力机电耦合系统［1-7］的模块化与专用化设计不仅可以使成本降低，同时集成式的控制策略也让整车的动力性和燃油经济性有大幅度的增强。

对于专用混动变速箱（DHT）分串并联和功率分流是两大类别。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，让发动机一直工作在经济性最优的工作点，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（ECVT模式），让发动机的转速和扭矩与整车的需求解耦，让发动机一直工作在经济性最优的工作点［8-12］。

串并联和功率分流都可以让发动机与整车的需求解耦，让发动机一直工作在最优的工作区间。串并联类的机电耦合系统通过增程模式将发动机的所有能量转化为电能；功率分流类的机电耦合系统，通过功率分流模式，发动机的能量一部分产生电能，一部分直接传递到轮端。因机械传递效率高于电能的转化效率，所以功率分流类的系统效率要高于串并联类的机电耦合系统效率。

功率分流机电耦合系统作为新型的高性能动力传动系统，不仅有利于电机和机械传动高转速发展，而且能够提高功率密度、优化各动力源的工作区域，比其他动力传动结构具有更大的节能潜力和更好的发展前景。

1 功率分流的类型

功率分流机电耦合系统根据分流方式的不同，可以分为输入分流式、输出分流式以及复合分流式［13-16］。

1.1 输入功率分流

1）行星齿轮机构位于传动系统输入端；

2）发动机、发电机、输出轴分别与行星齿轮相连；

3）驱动电机与输出轴以扭矩耦合方式连接。

输入功率分流代表为丰田的THS系统，该类型系统高速模式会产生功率循环，适合低速模式。

1.2 输出功率分流

1）行星齿轮机构位于传动系统输出端；

2）发动机、驱动电机、输出轴分别与行星齿轮机构相连。

输出功率分流的代表为通用VOLTEC-Ⅰ，该类型系统与输入分流式相反，适合高速模式。

1.3 复合功率分流

1）采用两个或多个行星齿轮机构置于传动系统输入端与输出端；

2）发电机、驱动电机分别与行星齿轮机构相连。

复合功率分流的代表为科力远的CHS系统，该类型系统两个机械点之间系统效率高，远离两个机械点系统效率变低。

根据包含动力分流模式的数量，也可以将功率分流系统分为单模系统和双模系统。如丰田的THS系统为单模系统，通用的VOLTEC-Ⅱ为双模系统。

双模系统，多组行星排的组合使系统获得了更大的速比范围以及更多的工作模式，实现了动力性与燃油经济性的提升。结构复杂，控制难度较高，成本较高。

如图1所示，功率分流系统不仅可以实现无级变速，还可以将动力源转速、转矩与车辆负载转矩、车速的解耦，即动力源转速不受车辆负载转矩、车速的约束，让发动机一直在最优的工作点工作。

图1 功率分流对动力源的效率优化

虽然行星排的增加实现了系统速比范围及动力性与燃油经济性的提升，但其复杂的控制策略以及大幅增加的成本同样是亟需解决的问题。表1是各类系统的优缺点对比。E-CVT技术已经较为成熟，在空间占有率、节油率上有一定优势，但其依然存在开发难度大、成本较高的问题。

表1 各类型混合动力机电耦合系统的优缺点对比

2 行星齿轮的连接及效率分析

2.1 行星齿轮的连接关系

行星齿轮机构包含3个构件，分别是太阳轮、行星架、齿圈。机电耦合系统一般也包含两个动力源，即发动机、电机。所以，发动机和电机与行星齿轮机构的连接方式也有多种组合。

表2 行星齿轮与动力源的连接关系

行星齿轮机构包含3个构件，也可以通过固定某个构件，实现某些功能。行星排的特征参数是指齿圈的齿数与太阳的齿数之比用i0表示，i0的取值范围一般是1.5～6。

2.1.1 太阳轮固定

行星架主动，齿圈被动，行星架到齿圈的速比为：

齿圈主动，行星架被动，齿圈到行星架的速比为：

太阳轮固定，齿圈和行星架2个构件转速方向相同。

2.1.2 行星架固定

太阳轮主动，齿圈被动，太阳轮到齿圈的速比为：

齿圈主动，太阳轮被动，齿圈到太阳轮的速比为：

行星架固定，太阳轮和齿圈2个构件转速方向相反。

2.1.3 内齿圈固定

太阳轮主动，行星架被动，太阳轮到行星架的速比为：

行星架主动，太阳轮被动，行星架到太阳轮的速比为：

内齿圈固定，太阳轮和行星架2个构件转速方向相同。

2.2 行星齿轮的传递效率分析

行星轮式混联系统有3种能量传递方式：

1）直接机械能传递方式，由行星机构将机械能直接传递到轮端。

行星齿轮机构可能是固定某个构件，或者通过离合器，让行星排整体旋转。发动机的动力由行星机构将机械能直接传递到轮端。此时发动机的速比是固定速比。系统的效率为：

按照两级传递，η1、η2为每级齿轮的效率，按照99%计算。

2）直接电能传递方式，该传递不通过电池存储。此时，发电机所发的电量刚好满足驱动电机的需求。系统为功率分流模式（ECVT）或增程模式，发动机带动发电机发电，所发的电直接供给驱动电机使用。此时，系统的效率为两个电机效率的乘积：

式中：ηE1为发电机充电效率；ηE2为驱动电机驱动效率，取88%（含控制器的效率）。

3）缓存电能传递方式，能量通过发电机、电池、驱动电机再到车轮。电池起缓存作用，低负荷发电高负荷使用。系统为功率分流模式（ECVT）或增程模式，此时系统的效率为：

式中：ηE1为发电机充电效率；ηB1为电池充电效率；ηB2为电池放电效率；ηE2为驱动电机驱动效率。ηE1、ηE2取88%（含控制器的效率），ηB1、ηB2取97.5%。

如图2所示，从系统传递效率来分析，方案1的效率最高。但在实际使用中还需考虑发动机的效率。方案1中发动机的速比是固定速比，发动机的动力与轮端需求相关联，发动机的效率为非最优工作点。方案2和方案3属于功率分流模式（ECVT），可以通过电机调节发动机的转速和扭矩让发动机工作在最优工作点。所以，我们需要根据工况实时调整控制策略，让整车的经济性达到最优。