一种新型多模式混合动力系统的构型分析

杨春龙

0 引 言

当前汽车行业存在多种混合动力系统构型方案[1-2]，不同混合动力系统各具优缺点。本文介绍一种MMHS(Multi-Mode Hybrid System，多模式混合动力系统)，将THS(Toyota Hybrid System，丰田混动系统)功率分流式混合动力系统[3]与多挡位并联式混合动力系统集成，发挥THS 中低车速传动效率高和多挡位并联模式高车速传动效率高的优势。并联模式下，车辆存在发动机、发电机、驱动电机共同驱动工况，在提升整车动力性的同时，可适当降低对单一动力元件功率和扭矩的需求，降低系统成本、缩小动力总成尺寸，方便汽车总布置。

1 MMHS构型

1.1 MMHS组成

新型MMHS由发动机、EM1 (Electric Motor，驱动电机)、EM2（发电机）、功率分流式单行星排齿轮系统、B1(Brake，制动器)、C1(Clutch，离合器)、OWC(One-Way Clutch，单向离合器)和若干齿轮传动副组成，如图1所示。

图1 新型MMHS组成

1.2 功率分流系统的连接及功能

由图1 可知，新型MMHS 由两套独立的混合动力系统组成，即由部件1～3 组成的单行星排和在此基础上由B1、C1组成的两挡并联直驱系统，两套系统通过合理控制使系统整体功效最大。新型MMHS的核心为单行星排功率分流系统，以及在此之上增加的附属制动器和离合器，以实现并联直驱功能。

功率分流部件的连接关系及功能说明见表1。

表1 新型功率分流部件连接及功能

从图1、表1可知，新型MMHS中功率分流构型与THS 几乎相同，但EM1 位置和动力传动方式有所不同[4]。

1.3 并联、直驱系统的连接及功能

如图1所示，在功率分流系统基础上，通过控制离合器、制动器开闭实现并联、直驱功能。

2挡动力系统部件的功能说明见表2。

表2 并联、直驱系统部件功能

2 技术分析

2.1 纯电动模式

如图1 所示，车辆行驶中，当发动机处于停机时，存在两种纯电动驱动模式，分别为EM1 单电机驱动和EM1+EM2双电机并联共同驱动。

2.1.1 EM1单电机驱动

当车辆行驶所需驱动功率不高时，可以单独依靠EM1 驱动车辆行驶，此时EM2 处于空转状态以维持行星排系统运动平衡，通过杠杆原理解释说明行星排运行及受力，如图2所示。

图2 EM1单电机纯电动行驶行星排运行受力

图2中3条竖线从左至右依次为行星排太阳轮S连接EM2，行星架C 连接ICE(Internal Combustion Engine，内燃机)，齿圈R连接EM1，三者间距为行星排各部件间的传动比，连接3条竖线的横线为0转速线，TR为行星排齿圈扭矩，由图2可知，在单电机纯电模式下，EM1 转速为正且输出扭矩TR驱动车辆行驶，EM2转速为负但无扭矩输出，ICE转速为0。

2.1.2 EM1+EM2并联共同驱动

当车辆行驶所需驱动功率超过EM1 最大瞬时功率时，EM2 从空转状态切换为驱动状态，EM1 和EM2 并联产生更大驱动力，共同驱动车辆行驶。通过杠杆原理说明行星排运行及受力，如图3所示。

图3 EM1、EM2双电机纯电动行驶行星排运行受力

图3中TEM2为EM2扭矩。由图3可知，双电机纯电模式下，EM1 转速为正输出扭矩TR，EM2 此时作为电动机转速为负输出扭矩TEM2，ICE 转速为0，TR与TEM2的比值受图1 中5、7 号齿轮齿数的影响。该模式需保证动力电池能够输出足够的电功率。

2.2 并联直驱模式

如图1所示，控制制动器B1和离合器C1不同开闭可以实现两个挡位的并联直驱。

2.2.1 并联直驱1挡

图1 中C1 闭合、B1 打开时，行星排的行星架(连接发动机)和齿圈(连接驱动电机)刚性连接，使行星排的自由度发生变化，太阳轮、行星架和齿圈三者转速一致且旋转方向相同，此时行星排失去功率分流功能。发动机的输出功率不经过行星排进行功率分流，而是全部作用到齿圈上通过外啮合齿轮将功率传递至车轮。

在并联直驱1 挡模式下，根据EM1、EM2 的不同状态，车轮端功率存在如下4种可能。

1)EM1空转，EM2空转，发动机直驱，则

2)EM1 空转，EM2 发电，EM2 调节发动机效率点，则

3)EM1 驱动，EM2 空转，EM1 补偿发动机输出功率，则

4)EM1 驱动，EM2 驱动，系统具有最大输出功率，则

为简化模型，上述车轮端功率均忽略机械和电力部分损失。

并联直驱1挡下，发动机到车轮端减速比i0为图1中5、6号齿轮的传动比i1与8、9号齿轮的传动比i2的乘积，即

通过杠杆原理说明并联直驱1挡的行星排运行及受力，如图4所示。

图4 并联直驱1挡行星排运行受力

图4中虚线箭头TEM2表示该扭矩可能存在也可能不存在，TICE为ICE输出扭矩。并联直驱1挡模式下，行星架齿轮和齿圈啮合，ICE转速为正，输出扭矩为TICE，EM1、EM2 转速均为正，当出现式（1）可能时，EM1、EM2扭矩均为0；当出现式（2）可能时，EM1扭矩为0，EM2作为发电机输出扭矩TEM2（虚线竖直向下）；当出现式（3）可能时，EM2 扭矩为0，EM1 输出扭矩TR；当出现式（4）可能时，EM1、EM2分别输出扭矩TR、TEM2（虚线竖直向上）。

2.2.2 并联直驱2挡

图1 中C1 打开、B1 闭合时，行星排的太阳轮(连接EM2)被固定锁止，转速为0，此时行星排相当于普通变速装置，发动机输出功率作用在行星架上，经过齿圈变速作用将功率传递至车轮。

在并联直驱2挡模式下，车轮端功率存在如下两种可能。

1)EM1空转，发动机直驱，则

2)EM1驱动补偿发动机输出功率，则

并联直驱2 挡下，发动机到车轮端传动比i0'为图1 中行星架与齿圈传动比(k/(1 +k))与5、6 号齿轮传动比i1和8、9号齿轮传动比i2的乘积，即

式中：k为行星排的特征参数，即齿圈与太阳轮齿数之比[2]。

通过杠杆原理说明并联直驱2挡的行星排运行及受力，如图5所示。

图5 并联直驱2挡行星排运行受力

图5 中，ICE 转速为正输出扭矩TICE，EM1 转速为正，EM2 转速为0，当出现式（6）可能时，EM1扭矩为0；当出现式（7） 可能时，EM1 输出扭矩TR。

对比式(5)、(8)可知，并联直驱1挡i0大于2挡i0'，并且1挡时存在发动机、EM1、EM2三者共同驱动车辆的情况，此时车轮端获得系统最大输出功率，在并联直驱模式下，当车辆需要大功率加速时采用1挡，发动机输出较大扭矩使车辆加速，高速巡航时切换至2挡，使发动机转速降低，提升发动机的燃油经济性。

2.3 功率分流模式

图1 中B1、C1 均打开时，系统运行在功率分流模式，与THS 工作原理基本一致[5]，系统的运动学、动力学和能量表达式分别为

式中：nEM2、nR、nICE分别为发电机、行星排齿圈和发动机的转速；TEM2、TR、TICE分别为发电机、行星排齿圈和发动机的扭矩。其中，nR、TR与nEM1、TEM1的关系与图1中5～7号齿轮间传动比直接相关。

通过杠杆原理说明功率分流模式下行星排运行及受力，如图6所示。

图6 功率分流模式行星排运行受力

功率分流模式下，组成行星排的3个轮系按照特定规律旋转。一般情况下，以输出端齿圈为支点，通过齿轮传动直接与车轮连接，则齿圈转速与车速具有等比例关系，此时齿圈相当于负载，通过太阳轮、行星架作用力平衡齿圈阻力，三者关系如式(9)～(11)。图6中杠杆以齿圈为支点自由滑动。发动机输出功率具有两条传递路径，一条为机械功率路径，另一条为电功率路径，前者通过行星架、齿圈啮合传递至车轮驱动车辆行驶，后者通过行星架、太阳轮啮合驱动EM2 发电并向EM1 输出，从而驱动车辆行驶或者为动力电池充电。功率分流模式下，EM2 运行在转速控制环，调节发动机转速；发动机运行在扭矩控制环，向外输出机械功，经太阳轮和齿圈分配后，使电功率与机械功率比值为1 ∶ (1 +k)，起到功率分流作用。

2.4 驻车发电模式

几乎所有混合动力汽车的电气附件均由电力驱动，以尽可能降低机械摩擦损失，提升整体能量利用效率。例如采用高压电动压缩机代替传统机械空调压缩机、采用高压转低压变换器DC-DC 替代传统12 V 低压发电机等。车辆静止且驱动系统被激活时，可能存在动力电池因消耗电能使电量降低，进而需要驻车发电的情况。

通过杠杆原理说明驻车发电模式下行星排运行及受力，如图7所示。

图7 驻车发电模式行星排运行受力

驻车时，图1 中行星排齿圈被锁止，转速为0，此时行星排相当于普通变速装置，发动机端输出功率通过行星架传递至太阳轮，太阳轮连接EM2，EM2通过转速控制环控制行星排转速达到稳定状态，发动机输出功率经过EM2 反拖发电平衡整个行星排功率。其中，EM2 电能一部分供给整车用电设备，一部分为动力电池充电提升SOC（State of Charge，荷电状态）。

2.5 滑行、制动能量回收模式

因具有电机和动力电池等储能元件，使混合动力汽车较传统油车具有强大的能量回收优势。当车辆滑行或制动时，通过电机控制器将驱动电机转换为发电机，使动能转换为电能存储在动力电池中，减少能量浪费提升整车能量利用率。

通过杠杆原理说明能量回收模式下行星排运行及受力，如图8所示。

图8 能量回收模式行星排运行受力

图8 中，TEM1为能量回收模式下车辆动能带动EM1 发电输出的扭矩，此时EM1 发电功率与车辆动能产生的功率互相平衡，行星排没有扭矩传递。滑行、制动能量回收时，发动机熄火停转，行星架转速为0，行星排相当于普通变速装置，EM1被车辆动能带动反向发电，EM2空转。

2.6 倒车模式

受并联直驱挡位传动比所限，低车速倒车时发动机无法直接驱动车轮，只能通过EM1 电机反转实现车辆倒车。此时具有两种可能：（1）如果动力电池放电能力可完全提供倒车功率需求，则发动机熄火停转，EM1 电机反转输出扭矩进行倒车，EM2 空转；（2）如果动力电池放电能力不能完全提供倒车功率需求，则发动机启动向外输出扭矩，EM1 仍为车辆提供倒车动力，EM2 进入发电模式为EM1 提供电功率，剩余电能充入电池进行存储。

通过杠杆原理说明倒车模式下行星排运行及受力，如图9所示。

图9 倒车模式行星排运行受力

图9 中实线对应倒车模式的第1 种可能，虚线对应倒车模式的第2种可能。

3 结束语

本文介绍的新型多模式混合动力系统结合了功率分流式混合动力系统和多挡位并联式混合动力系统，通过分析不同模式下其工作原理，并利用杠杆原理图展示各模式下行星排运行及受力，说明此系统具有综合效率高、模式灵活多样的特点，为将来研究和实际应用提供参考。