楊春龍

0 引 言

當(dāng)前汽車行業(yè)存在多種混合動力系統(tǒng)構(gòu)型方案[1-2]，不同混合動力系統(tǒng)各具優(yōu)缺點(diǎn)。本文介紹一種MMHS(Multi-Mode Hybrid System，多模式混合動力系統(tǒng))，將THS(Toyota Hybrid System，豐田混動系統(tǒng))功率分流式混合動力系統(tǒng)[3]與多擋位并聯(lián)式混合動力系統(tǒng)集成，發(fā)揮THS 中低車速傳動效率高和多擋位并聯(lián)模式高車速傳動效率高的優(yōu)勢。并聯(lián)模式下，車輛存在發(fā)動機(jī)、發(fā)電機(jī)、驅(qū)動電機(jī)共同驅(qū)動工況，在提升整車動力性的同時，可適當(dāng)降低對單一動力元件功率和扭矩的需求，降低系統(tǒng)成本、縮小動力總成尺寸，方便汽車總布置。

1 MMHS構(gòu)型

1.1 MMHS組成

新型MMHS由發(fā)動機(jī)、EM1 (Electric Motor，驅(qū)動電機(jī))、EM2（發(fā)電機(jī)）、功率分流式單行星排齒輪系統(tǒng)、B1(Brake，制動器)、C1(Clutch，離合器)、OWC(One-Way Clutch，單向離合器)和若干齒輪傳動副組成，如圖1所示。

圖1 新型MMHS組成

1.2 功率分流系統(tǒng)的連接及功能

由圖1 可知，新型MMHS 由兩套獨(dú)立的混合動力系統(tǒng)組成，即由部件1～3 組成的單行星排和在此基礎(chǔ)上由B1、C1組成的兩擋并聯(lián)直驅(qū)系統(tǒng)，兩套系統(tǒng)通過合理控制使系統(tǒng)整體功效最大。新型MMHS的核心為單行星排功率分流系統(tǒng)，以及在此之上增加的附屬制動器和離合器，以實(shí)現(xiàn)并聯(lián)直驅(qū)功能。

功率分流部件的連接關(guān)系及功能說明見表1。

表1 新型功率分流部件連接及功能

從圖1、表1可知，新型MMHS中功率分流構(gòu)型與THS 幾乎相同，但EM1 位置和動力傳動方式有所不同[4]。

1.3 并聯(lián)、直驅(qū)系統(tǒng)的連接及功能

如圖1所示，在功率分流系統(tǒng)基礎(chǔ)上，通過控制離合器、制動器開閉實(shí)現(xiàn)并聯(lián)、直驅(qū)功能。

2擋動力系統(tǒng)部件的功能說明見表2。

表2 并聯(lián)、直驅(qū)系統(tǒng)部件功能

2 技術(shù)分析

2.1 純電動模式

如圖1 所示，車輛行駛中，當(dāng)發(fā)動機(jī)處于停機(jī)時，存在兩種純電動驅(qū)動模式，分別為EM1 單電機(jī)驅(qū)動和EM1+EM2雙電機(jī)并聯(lián)共同驅(qū)動。

2.1.1 EM1單電機(jī)驅(qū)動

當(dāng)車輛行駛所需驅(qū)動功率不高時，可以單獨(dú)依靠EM1 驅(qū)動車輛行駛，此時EM2 處于空轉(zhuǎn)狀態(tài)以維持行星排系統(tǒng)運(yùn)動平衡，通過杠桿原理解釋說明行星排運(yùn)行及受力，如圖2所示。

圖2 EM1單電機(jī)純電動行駛行星排運(yùn)行受力

圖2中3條豎線從左至右依次為行星排太陽輪S連接EM2，行星架C 連接ICE(Internal Combustion Engine，內(nèi)燃機(jī))，齒圈R連接EM1，三者間距為行星排各部件間的傳動比，連接3條豎線的橫線為0轉(zhuǎn)速線，TR為行星排齒圈扭矩，由圖2可知，在單電機(jī)純電模式下，EM1 轉(zhuǎn)速為正且輸出扭矩TR驅(qū)動車輛行駛，EM2轉(zhuǎn)速為負(fù)但無扭矩輸出，ICE轉(zhuǎn)速為0。

2.1.2 EM1+EM2并聯(lián)共同驅(qū)動

當(dāng)車輛行駛所需驅(qū)動功率超過EM1 最大瞬時功率時，EM2 從空轉(zhuǎn)狀態(tài)切換為驅(qū)動狀態(tài)，EM1 和EM2 并聯(lián)產(chǎn)生更大驅(qū)動力，共同驅(qū)動車輛行駛。通過杠桿原理說明行星排運(yùn)行及受力，如圖3所示。

圖3 EM1、EM2雙電機(jī)純電動行駛行星排運(yùn)行受力

圖3中TEM2為EM2扭矩。由圖3可知，雙電機(jī)純電模式下，EM1 轉(zhuǎn)速為正輸出扭矩TR，EM2 此時作為電動機(jī)轉(zhuǎn)速為負(fù)輸出扭矩TEM2，ICE 轉(zhuǎn)速為0，TR與TEM2的比值受圖1 中5、7 號齒輪齒數(shù)的影響。該模式需保證動力電池能夠輸出足夠的電功率。

2.2 并聯(lián)直驅(qū)模式

如圖1所示，控制制動器B1和離合器C1不同開閉可以實(shí)現(xiàn)兩個擋位的并聯(lián)直驅(qū)。

2.2.1 并聯(lián)直驅(qū)1擋

圖1 中C1 閉合、B1 打開時，行星排的行星架(連接發(fā)動機(jī))和齒圈(連接驅(qū)動電機(jī))剛性連接，使行星排的自由度發(fā)生變化，太陽輪、行星架和齒圈三者轉(zhuǎn)速一致且旋轉(zhuǎn)方向相同，此時行星排失去功率分流功能。發(fā)動機(jī)的輸出功率不經(jīng)過行星排進(jìn)行功率分流，而是全部作用到齒圈上通過外嚙合齒輪將功率傳遞至車輪。

在并聯(lián)直驅(qū)1 擋模式下，根據(jù)EM1、EM2 的不同狀態(tài)，車輪端功率存在如下4種可能。

1)EM1空轉(zhuǎn)，EM2空轉(zhuǎn)，發(fā)動機(jī)直驅(qū)，則

2)EM1 空轉(zhuǎn)，EM2 發(fā)電，EM2 調(diào)節(jié)發(fā)動機(jī)效率點(diǎn)，則

3)EM1 驅(qū)動，EM2 空轉(zhuǎn)，EM1 補(bǔ)償發(fā)動機(jī)輸出功率，則

4)EM1 驅(qū)動，EM2 驅(qū)動，系統(tǒng)具有最大輸出功率，則

為簡化模型，上述車輪端功率均忽略機(jī)械和電力部分損失。

并聯(lián)直驅(qū)1擋下，發(fā)動機(jī)到車輪端減速比i0為圖1中5、6號齒輪的傳動比i1與8、9號齒輪的傳動比i2的乘積，即

通過杠桿原理說明并聯(lián)直驅(qū)1擋的行星排運(yùn)行及受力，如圖4所示。

圖4 并聯(lián)直驅(qū)1擋行星排運(yùn)行受力

圖4中虛線箭頭TEM2表示該扭矩可能存在也可能不存在，TICE為ICE輸出扭矩。并聯(lián)直驅(qū)1擋模式下，行星架齒輪和齒圈嚙合，ICE轉(zhuǎn)速為正，輸出扭矩為TICE，EM1、EM2 轉(zhuǎn)速均為正，當(dāng)出現(xiàn)式（1）可能時，EM1、EM2扭矩均為0；當(dāng)出現(xiàn)式（2）可能時，EM1扭矩為0，EM2作為發(fā)電機(jī)輸出扭矩TEM2（虛線豎直向下）；當(dāng)出現(xiàn)式（3）可能時，EM2 扭矩為0，EM1 輸出扭矩TR；當(dāng)出現(xiàn)式（4）可能時，EM1、EM2分別輸出扭矩TR、TEM2（虛線豎直向上）。

2.2.2 并聯(lián)直驅(qū)2擋

圖1 中C1 打開、B1 閉合時，行星排的太陽輪(連接EM2)被固定鎖止，轉(zhuǎn)速為0，此時行星排相當(dāng)于普通變速裝置，發(fā)動機(jī)輸出功率作用在行星架上，經(jīng)過齒圈變速作用將功率傳遞至車輪。

在并聯(lián)直驅(qū)2擋模式下，車輪端功率存在如下兩種可能。

1)EM1空轉(zhuǎn)，發(fā)動機(jī)直驅(qū)，則

2)EM1驅(qū)動補(bǔ)償發(fā)動機(jī)輸出功率，則

并聯(lián)直驅(qū)2 擋下，發(fā)動機(jī)到車輪端傳動比i0'為圖1 中行星架與齒圈傳動比(k/(1 +k))與5、6 號齒輪傳動比i1和8、9號齒輪傳動比i2的乘積，即

式中：k為行星排的特征參數(shù)，即齒圈與太陽輪齒數(shù)之比[2]。

通過杠桿原理說明并聯(lián)直驅(qū)2擋的行星排運(yùn)行及受力，如圖5所示。

圖5 并聯(lián)直驅(qū)2擋行星排運(yùn)行受力

圖5 中，ICE 轉(zhuǎn)速為正輸出扭矩TICE，EM1 轉(zhuǎn)速為正，EM2 轉(zhuǎn)速為0，當(dāng)出現(xiàn)式（6）可能時，EM1扭矩為0；當(dāng)出現(xiàn)式（7） 可能時，EM1 輸出扭矩TR。

對比式(5)、(8)可知，并聯(lián)直驅(qū)1擋i0大于2擋i0'，并且1擋時存在發(fā)動機(jī)、EM1、EM2三者共同驅(qū)動車輛的情況，此時車輪端獲得系統(tǒng)最大輸出功率，在并聯(lián)直驅(qū)模式下，當(dāng)車輛需要大功率加速時采用1擋，發(fā)動機(jī)輸出較大扭矩使車輛加速，高速巡航時切換至2擋，使發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速降低，提升發(fā)動機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性。

2.3 功率分流模式

圖1 中B1、C1 均打開時，系統(tǒng)運(yùn)行在功率分流模式，與THS 工作原理基本一致[5]，系統(tǒng)的運(yùn)動學(xué)、動力學(xué)和能量表達(dá)式分別為

式中：nEM2、nR、nICE分別為發(fā)電機(jī)、行星排齒圈和發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速；TEM2、TR、TICE分別為發(fā)電機(jī)、行星排齒圈和發(fā)動機(jī)的扭矩。其中，nR、TR與nEM1、TEM1的關(guān)系與圖1中5～7號齒輪間傳動比直接相關(guān)。

通過杠桿原理說明功率分流模式下行星排運(yùn)行及受力，如圖6所示。

圖6 功率分流模式行星排運(yùn)行受力

功率分流模式下，組成行星排的3個輪系按照特定規(guī)律旋轉(zhuǎn)。一般情況下，以輸出端齒圈為支點(diǎn)，通過齒輪傳動直接與車輪連接，則齒圈轉(zhuǎn)速與車速具有等比例關(guān)系，此時齒圈相當(dāng)于負(fù)載，通過太陽輪、行星架作用力平衡齒圈阻力，三者關(guān)系如式(9)～(11)。圖6中杠桿以齒圈為支點(diǎn)自由滑動。發(fā)動機(jī)輸出功率具有兩條傳遞路徑，一條為機(jī)械功率路徑，另一條為電功率路徑，前者通過行星架、齒圈嚙合傳遞至車輪驅(qū)動車輛行駛，后者通過行星架、太陽輪嚙合驅(qū)動EM2 發(fā)電并向EM1 輸出，從而驅(qū)動車輛行駛或者為動力電池充電。功率分流模式下，EM2 運(yùn)行在轉(zhuǎn)速控制環(huán)，調(diào)節(jié)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速；發(fā)動機(jī)運(yùn)行在扭矩控制環(huán)，向外輸出機(jī)械功，經(jīng)太陽輪和齒圈分配后，使電功率與機(jī)械功率比值為1 ∶ (1 +k)，起到功率分流作用。

2.4 駐車發(fā)電模式

幾乎所有混合動力汽車的電氣附件均由電力驅(qū)動，以盡可能降低機(jī)械摩擦損失，提升整體能量利用效率。例如采用高壓電動壓縮機(jī)代替?zhèn)鹘y(tǒng)機(jī)械空調(diào)壓縮機(jī)、采用高壓轉(zhuǎn)低壓變換器DC-DC 替代傳統(tǒng)12 V 低壓發(fā)電機(jī)等。車輛靜止且驅(qū)動系統(tǒng)被激活時，可能存在動力電池因消耗電能使電量降低，進(jìn)而需要駐車發(fā)電的情況。

通過杠桿原理說明駐車發(fā)電模式下行星排運(yùn)行及受力，如圖7所示。

圖7 駐車發(fā)電模式行星排運(yùn)行受力

駐車時，圖1 中行星排齒圈被鎖止，轉(zhuǎn)速為0，此時行星排相當(dāng)于普通變速裝置，發(fā)動機(jī)端輸出功率通過行星架傳遞至太陽輪，太陽輪連接EM2，EM2通過轉(zhuǎn)速控制環(huán)控制行星排轉(zhuǎn)速達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，發(fā)動機(jī)輸出功率經(jīng)過EM2 反拖發(fā)電平衡整個行星排功率。其中，EM2 電能一部分供給整車用電設(shè)備，一部分為動力電池充電提升SOC（State of Charge，荷電狀態(tài)）。

2.5 滑行、制動能量回收模式

因具有電機(jī)和動力電池等儲能元件，使混合動力汽車較傳統(tǒng)油車具有強(qiáng)大的能量回收優(yōu)勢。當(dāng)車輛滑行或制動時，通過電機(jī)控制器將驅(qū)動電機(jī)轉(zhuǎn)換為發(fā)電機(jī)，使動能轉(zhuǎn)換為電能存儲在動力電池中，減少能量浪費(fèi)提升整車能量利用率。

通過杠桿原理說明能量回收模式下行星排運(yùn)行及受力，如圖8所示。

圖8 能量回收模式行星排運(yùn)行受力

圖8 中，TEM1為能量回收模式下車輛動能帶動EM1 發(fā)電輸出的扭矩，此時EM1 發(fā)電功率與車輛動能產(chǎn)生的功率互相平衡，行星排沒有扭矩傳遞?；?、制動能量回收時，發(fā)動機(jī)熄火停轉(zhuǎn)，行星架轉(zhuǎn)速為0，行星排相當(dāng)于普通變速裝置，EM1被車輛動能帶動反向發(fā)電，EM2空轉(zhuǎn)。

2.6 倒車模式

受并聯(lián)直驅(qū)擋位傳動比所限，低車速倒車時發(fā)動機(jī)無法直接驅(qū)動車輪，只能通過EM1 電機(jī)反轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)車輛倒車。此時具有兩種可能：（1）如果動力電池放電能力可完全提供倒車功率需求，則發(fā)動機(jī)熄火停轉(zhuǎn)，EM1 電機(jī)反轉(zhuǎn)輸出扭矩進(jìn)行倒車，EM2 空轉(zhuǎn)；（2）如果動力電池放電能力不能完全提供倒車功率需求，則發(fā)動機(jī)啟動向外輸出扭矩，EM1 仍為車輛提供倒車動力，EM2 進(jìn)入發(fā)電模式為EM1 提供電功率，剩余電能充入電池進(jìn)行存儲。

通過杠桿原理說明倒車模式下行星排運(yùn)行及受力，如圖9所示。

圖9 倒車模式行星排運(yùn)行受力

圖9 中實(shí)線對應(yīng)倒車模式的第1 種可能，虛線對應(yīng)倒車模式的第2種可能。

3 結(jié)束語

本文介紹的新型多模式混合動力系統(tǒng)結(jié)合了功率分流式混合動力系統(tǒng)和多擋位并聯(lián)式混合動力系統(tǒng)，通過分析不同模式下其工作原理，并利用杠桿原理圖展示各模式下行星排運(yùn)行及受力，說明此系統(tǒng)具有綜合效率高、模式靈活多樣的特點(diǎn)，為將來研究和實(shí)際應(yīng)用提供參考。