汽车混合动力新架构:双电机全功能混合动力系统全解析

良嘉动力

最近大众、通用、本田、宝马以及比亚迪、吉利等也纷纷推出混动车型,可以说混动进入了百家争鸣的时代,发展混合动力汽车的动力系统主要趋势。前提是选择性发展的基于这些新能源技术有着高效的能耗管理系统,尤其是代表中小型车新能源发展趋势的混连式技术。

混联式技术需要精细化的能耗管理,将发动机更长时间维持在高效率区间运转,以及高效、充分的回收减速和制动的能量。混联式装置包含了串联式和并联式的特点。混合动力的出现就是把发动机低负荷工况下的剩余能量储存在电池里,然后在车辆运行在高负荷工况时通过电机释放出来,从而实现发动机尽可能多的在高效工况下运行,达到降低油耗、节能减排的初衷。对于混合动力汽车来说,离合器、变速器、传动轴、差速器都是必不可少的,而这些部件不但重量不轻、让车辆的结构更为复杂,同时零部件越多存在故障率高的问题。

在混动技术从丰田的混动是靠单排行星轮开始,雄霸混合动力汽车十多年,丰田只采用了一个行星齿轮组,现弱混合动力系统是将电机与曲轴直接连接,这种系统也意味着无法纯电动行驶,弊端是发动机和电动机无法保证同时在最佳工况时工作。本田的混动就是“串联+发动机直驱”加上离合器,这套机构的原理倒为简单,粗暴复杂化,仅仅是在传统发动机和传统变速箱之间埋一个电机的做法肯定是不够的。而通用的混动技术则是集合了两家之所长但又相对复杂。它是由两组电机、两组行星轮和三组离合器组成。主要有四种动力输出方式,纯电动模式(低负荷工况),混合驱动模式(常规行驶),混合驱动模式(中高速),制动发电模式(减速—刹车)。一直都是用的两个行星系齿轮,并辅以三个离合器。听上去很复杂,其实也真的复杂。

对于插电式混合动力确认为新能源车汽车可通过电网获取电能充电具有高效节能、排放低、续航里程长等优点而成为各大汽车公司研发的热点,被视为目前最具有应用前景的新能源汽车,这个可从电网获取电能充电,虽然只是这么一点简单的改变,传统混合动力汽车只能称为节能汽车,而插电式混合动力汽车可以称为新能源汽车,对于控制电机的可靠性、功率与运行精度要求也非常高是一款双行星轮系双电机混合动力系统,这样的多种工作模式、精细控制带来的最直接的好处,混合动力、增程器、纯电动汽车等新技术混合动力技术领域的增程式混动车型,使得混合度化不断加强。发动机和电池电机各有所长,我们想办法把发动机尽可能固定在最低燃耗的转速,在额外需要动力的时候善用电池电机的高扭矩输出特性,二者有效结合。

综上所述,要多功能、多用途,轻混、深混、挿电、纯电动覆盖全功能的跨界车,混合动力电动汽车的动力系统离不开双行星轮系架构,它具有减速、多动力耦合、还具有离合器的作用,用锁止制动器就能达到的作用,只要恰当地使用锁止制动器,整体自动变速混合系统可以得到多个的解决方案。在电动汽车多电机多挡位自动变速系统的实施中,复杂的结构改为简单造,驱动模式具有多用途。下面尝试运用电动汽车多电机多挡位自动变速系统在混合动力电动汽车的动力系统中。将发动机主轴与第一级行星轮系中的内齿圈轮相联接,第一级星轮架的联轴与第二级行星轮系中的太阳轮相联接,MG1电机/发电机与第一级行星轮系中的太阳轮相联接,MG2电机与第二级行星轮系中的内齿圈轮相联接,第二级行星轮系中星轮架与输出轴差速器相联接,由此组成双电机全功能混合动力系统,在不同的驱动模式中得到以下功能:

⒈ MG1电机/发电机启动发动机与发电模式

放开S1、S4,锁止S2,S3,使得第一级行星轮系中的星轮架与第二级行星轮系中的太阳轮相联接的传动轴固定不转动,开启MG1电机/发电机,太阳轮齿轮转动传送行星轮齿轮,行星轮齿轮带动齿圈至发动机启动,发动机转动之后MG1电机/发电机可以发电,对电池组进行充电,发动机可设定在最佳转速、最佳扭矩和最佳油耗状态下工作。

⒉ MG1电机/发电机、发动机混合变速驱动模式

按第一项启动发动机后,锁止S3,放开S4,MG1电机/发电机反转速度与发电时的速度相对一致,发动机都参与起步,完全规避了发动机中低速的运转区间,在发动机保持发电恒定的转速下,MG1电机/发电机将反向速度逐渐降低至零随即正向转动,通过与发动机同时驱动或加速通过联轴传至输出轴差速器驱动车轮。汽车就起步了,MG1电机/发电机从反转速度逐渐降低至零再转化为正转而且不断提高转速,这就是汽车加速的过程。在对加速性要求不太高的场合,汽油发动机和电动机耦联工作,提供可与汽油发动机相当的车辆起步性能。在制动时MG1电机/发电机能大部分回收这些能量,并将其暂时贮存起来供加速时再用,又能在高速状态下获得更加出色的加速性能。从而更有效地利用发动机高效工况,达到更省油的目的。

⒊ MG2电机、发动机混合变速驱动模式

按第二项启动发动机后,S1、S2、S3、S4全放开,MG1电机/发电机反转速度与发电时的速度一致,在发动机保持发电的转速,将MG1电机/发电机反转速度逐渐降低至零即把S4锁止,此时发动机驱动车辆行进中,在MG1电机/发电机反转速度逐渐降低至零同时,MG2电机也从静止不断提高转速,汽车开始加速。此后,MG2电机、发动机混合变速驱动汽车。这是高速路况下,双动力直接驱动车辆,可以一直工作在最佳工作状态,在制动时MG2电机能大部分回收这些能量,并将其暂时贮存起来供加速时再用,没有功率浪费的问题。

⒋ 强混模式双电机多挡位发动机混合变速驱动

按第一项启动发动机后,S1、S2、S4全放开,继续锁止S3,使得第一级行星轮系中的星轮架与第二级行星轮系中的太阳轮相联接的传动轴固定不转动,切断两级行星轮系的关联,使各自运转。在MG1电机/发电机反转速度与发电时的速度一致,在发动机保持发电的转速,将MG1电机/发电机反转速度逐渐降低至零随即正向转动,同时,MG2电机也从静止不断提高转速(放开S3),汽车开始加速。在整个过程,通过MG1电机和MG2电机分别呈相反方向旋转来驱动车辆起步,双电机与发动机同步急加速的时候,电动机和发动机可以一起驱动车轮,实现最大动力输出。MG1电机/发电机配置功率比MG2电机功率小,而两电各自有合适的传动比,再加上两种耦合的叠加传动比,即可有多个挡位使用,毎个挡位都能功率与速度的对应,各电机在高效区转速范围内使用,物尽其用,能量回收尽可能在高效区,续航里程大幅提高。在此模式中双电机和发动机可共同参与加速、加速度也是最大,加速时间最短,超加速能力最强,同时可达至最高速。随外界的负荷变化,让电动机的驱动力与行驶阻力始终保持平衡,从而在高效率区工作。动力系统更加灵活地根据工况来调节内燃机的功率输出和电机的运转。全功能混合动力技术还是目前最新的混动技术,可靠性也更高。电控系统通过扭矩传感实时探测车辆行驶的工况,来判断发动机是否需要参与驱动,从而决定是采用纯电驱动、混合驱动还是发动机直驱的模式来精细化管理能耗,并且不受车辆行驶速度的限制,又能在高速状态下,对经济性带来更大的提升,同时也能获得更加出色的加速性能。从而更有效地利用发动机高效工况,达到更省油的目的。是一种比较完美的组合。

5. MG1电机/发电机纯电动驱动模式

S2、S4放开,锁止S1、S3,由MG1电机/发电机啟动、停止、速度的快慢,制动回馈发电,并将其暂时贮存起来供加速时再用。功率在合理传动比中运行。MG1电机/发电机配置功率比MG2电机功率少,特别适合在城市的道路上,在对加速性要求不太高和轻载的场合,车多、人多、速度慢、红绿灯更多频繁启停的道路上行驶。

⒍ 増程式发电、MG2电机纯电动驱动模式

对于增程式技术未来的发展命运,现在从学界到业界尚有争议。增程式技术的出现是对新能源汽车行驶里程不足的补充,争议的关注点聚焦在增程技术是否环保,以及随着动力电池技术的进步,增程技术会否失去存在的价值等。是否要将增程技术定位为过渡技术也值得思考。如果将增程式作为独立的发展方向,那么它的发展前景在哪里。这些问题需要技术研发回答,实用的双电机多挡位发动机混合动力变速驱动的增程模式。

按第一项启动发动机后,MG2电机从静止不断提高转速,汽车开始加速。S3是保持锁止状态,即两组行星轮系动力相隔开,MG1电机/发电机发电与MG2电机驱动互不干扰,启动、停止、速度的快慢,整个行驶过程由MG2电机驱动,中高速时使用回馈制动由MG2电机回收,向电池组充电,并将其暂时贮存起来供加速时再用。通过控制系统优化,可以让发动机一直工作在最佳转速,即使在充电不便时,市内堵车路况下油耗也比较低,也可以控制发动机噪音到非常小。在增程模式下,没有"里程焦虑",而且发动机可以一直控制在最佳转速,油耗低,噪音小,振动小便能使发动机一直保持在最佳工况状态,动力性好,排放量很低。而且电能的来源都是发动机,只需加油即可。

7. 双电机多挡位变速驱动纯电动模式

熟悉纯电动汽车的消费者会明白,纯电动汽车在中低速下的性能十分优异,安静、经济、性能,但到了高速,纯电动汽车的性价比就会变的很低,阻力的增加让纯电动汽车的电量消耗速度成倍数增加。

MG1电机/发电机与第二级行星轮系中星轮架与输出轴的传动比是MG2电机与第二级行星轮系中星轮架与输出轴的传动比大,MG1电机/发电机MG2电机共同参与起步并根据不同需要,采用不同挡位行驶,四种状态分别为;MG1电机/发电机反转和电MG2机正转、MG1电机/发电机正转、电MG2机正转、MG1电机/发电机和电MG2机正转。可以实现较高的传动效率和更多的挡位及更宽泛的传动比,这样可以降低对MG电机功率及速度等级的要求。爬坡有力,中高速够劲。

熟悉纯电动汽车的消费者会明白,电动机在刚起步的时候就可以输出最大的启动扭矩,纯电动汽车在中低速下的性能十分优异,安静、经济、性能,但到了高速,纯电动汽车的性价比就会变的低,伴随转速的逐渐升高扭矩反而是呈衰减的趋势,阻力的增加让纯电动汽车的电量消耗速度成倍数增加。在汽车处于加速或者大负荷工况时,

在这系统装置中,MG1电机/发电机与第二级行星轮系中星轮架与输出轴的传动比是MG2电机与第二级行星轮系中星轮架与输出轴的传动比大,在不中断动力的情况下,这套自适应系统随外界的负荷变化,让电动机的驱动力与行驶阻力始终保持平衡,从而高效率工作。MG1电机/发电机MG2电机的组合可以获得三个挡位,每个都有相对应的传动比,爬坡有力,中高速够劲。两台电机可以一起工作,两者功率加起来具有非常好的起步和加速性能。

8. 纯发动机驱动

在电池组电力不足,为了避免电池组电量过度损耗功率阈值,电池失效的速率而不用电机驱动,在公路上巡航时使用汽油发动机该模式,在时速40KM/H以上手动挡的汽车司机都知道,到达该速度以上,巳是推到最高的挡位。让发动机直接驱动,可以一直工作在最佳工作模式,没有功率浪费的问题。制动时根据速度的不同,MG1电机/发电机MG2电机分别或共同回馈发电,并将其暂时贮存起来供加速时再用。

发动机双电机多挡位混合动力变速驱动该技术避免使用体积大的离合器,采用相对耐用的锁止制动器,有效地减少了零部件的数量和重量,更减少了日后维修的次数与时间。在不同挡位、八种模式转换行驶采用最为简单的结构,无论电气系统、液压控制系统可得到最简的配置,各种状态在适用范围内发动机、电机分别都能在高效区内工作,动力系统可以更加灵活地根据工况来调节内燃机的功率输出和电机的运转。控制器可一蹴而就地随心所欲并根据不同需要驾驭车辆,驱动系统在深度集成化配合智能化的电控策略后,拥有更强的拓展性,适用于HEV/PHEV/EREV等多种类型混合动力,这是现代车最需要的,髙性能的混合动力总成,是一种比较完美的组合。若增配卫星摩擦环型无级变速器更是如虎添翼。

从理论上看,发动机双电机多挡位混合动力变速驱动拿出了史上运用最全面,合成最强的混合动力技术已经可以有与日系混动和通用的混动技术分庭抗礼的资本。此项混动技术实力,以洪荒之力从容面对越来越严格的各类排放法规。

作者:良嘉动力

来源:第一电动网

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