EVT混合动力汽车构型分析.docVIP

一研究背景和发展进程 石油资源短缺与环境恶化问题成为传统汽车的发展瓶颈，为了解决这种问题，近年来将节能技术应用在汽车上成为研究的热点。除了对发动机本身进行节能的研究外，各汽车企业也开始致力于对新能源汽车的开发。于是，各样的新能源汽车应运而生，特别是混合动力汽车（Hybrid Electric Vehicle，HEV）出现。HEV 是指拥有两种不同动力源的汽车，汽车在不同行驶工况下使这两种动力源分别单独驱动或者联合驱动整车。两种动力源的组合主要是，电能和燃油或者天然气和燃油的组合。作为由传统车向纯电动过渡的中间车型，油电混合动力汽车利用电能的低成本和无污染的优势来减少燃油消耗和尾气排放，从而实现节油和环保的目的。并且这种车型还可以制动能量回收，将车辆减速或制动时的机械能转变为电能存储在电池中。 90 年代以来，混合动力汽车（HEV）的开发在许多发达国家（美、欧、日等）中受到高度重视，并取得了重大的进展。1997 年丰田公司推出 Prius 并在市场上热销，目前 Prius 也成为比较成功且已经产业化的混合动力汽车。Prius 采用的是行星齿轮机构结合双电机所构成的动力总成系统。这种混合动力系统也称为功率分流式混合动力系统。 Prius 这套动力总成系统构型特点决定了发动机工作点控制自由整车控制技术6，使 Prius 燃油量最大节省 50%，达到超低排放水平。第三代 Prius 的混合动力系统是由双行星排加两个电机所构成的，这种构型通过后排的减速增扭使汽车动力性能得到大幅度提升。通用公司的双模技术也是比较成功的功率分流式混合动力系统，相比于丰田公司的单模系统，双模系统可以匹配较小的电机并在系统效率上具有优势。这两种系列的功率分流式混合动力系统各有千秋，并将功率分流式 HEV 的技术研究推向世界前沿。 依据动力源的能量耦合方式，可将混合动力汽车分为三类：串联混合汽车、并联混合动力汽车和混联混合动力汽车。串联混合动力汽车 串联式混合动力汽车的结构图如图1.1 所示。串联式混合动力汽车的结构简单，混合动力系统由发动机、发电机和电动机和蓄电池构成。车辆行驶过程中，发电机将发动机的机械功率转化为电功率；电动机将一部分电功率转化为机械功率驱动车轮转动，而另一部分的电功率则储存到蓄电池之中。当发动机不工作时，可由电驱动系统驱动整车。 并联混合动力汽车 并联混合动力汽车的结构也较为简单，动力总成包括发动机、电动机和发电机和动力电池等，其混合动力系统结构如图 1.2 所示。由图 1.2 可知，发动机与电机独立输出动力，通过同轴输出达到转矩耦合的效果，因此，混合动力系统驱动整车时可以选择发动机单独驱动或者发动机电动机联合驱动的工作模式。1 由以上分析可以看出，并联式混合动力汽车的动力性能较好，但发动机常于非高效区工作。 混联混合动力汽车 混联混合动力汽车主要有开关式混联混合动力汽车和功率分流式混合动力汽车两大类11。其中功率分流式混合动力汽车应用更为广泛并且在发动机工作点控制更为灵活。图 1.3 所示为一种功率分流式混合动力汽车的构型图。功率分流式混合动力系统主要由行星齿轮机构并结合两个电机组成。根据其构型特点，功率分流式混合动力系统可实现发动机工作点与车轮的完全解耦，并通过其中一个电机的调速作用和另一个电机的转矩补偿使发动机稳定工作于高效率区间。混联式的构型分为两种形式，开关式和功率分流式。其中功率分流式构型应用较多，可通过行星机构将发动机的功率进行任意比例分流，一部分通过机械路径输出，另一部分通过电路径输出。构型能将发动机和输出轴的转速转矩解耦，实现无极变速，因此也将这套装置称为电子无极变速器，简称 EVT2。结构简图如图 1.3 所示，该构型的系统效率高，结构紧凑。但有控制方法繁琐，制造工艺要求高等缺点。目前丰田 Prius3，通用 Volt4，凯迪拉克凯雷德5等车型都采用了功率分流式 EVT构型。其中功率分流式构型能够实现无极变速，这样能更大程度上的降低发动机的燃油消耗和有害气体的排放。这使得此类构型在混合动力汽车构型中占据着巨大的优势，使用功率分流构型的 Prius 也成为了最为畅销的混合动力车型。 国内对功率分流式混合动力汽车（power-split HEV）的研究起步比较晚，至今还没有成为体系。目前，主要集中于一些高校对功率分流式混合动力系统的研究，例如北京理工，清华大学，吉林大学等。另外，国内的各大汽车企业也纷纷致力于研究功率分流式混合动力系统。 2011 年，中汽研在“2011 中国汽车产业发展（泰达）国际论坛”发布了其自行研发的混合动力总成 CHS。中汽研公司历经 8 年研制出用于深度混联混合动力汽车的双行星排混合动力总成产品。目前，该系列产品主要用于大客车和 SUV 的混合动力车型。 国外研究现状 国外对 power-split HEV 的研究集中在单模功率分流式混合动力系统和双模功率分流式混合动力系统上。单模混合动力系统主要以丰田 Prius 系列为主导构型，双模系统主要以通用双模系统为主导构型。 Toyota 公司的第一代 Prius 汽车和第二代 Prius 汽车采用的动力系统（THS 系统）将单行星排作为功率分配装置，如图 1.4 所示，其采用的是输入分配式构型为原形的单模混合动力2005 年已经推出第三代 2006 款的 Prius。其动力系统（THS）在 THS 系统的基础上增加第二排行星排，第二个行星排起到对主电机的减速增扭作用，从而可以采用较小的主电机或者另一方面提高动力系统的动力性，其构型图 1.5 所示。 在2011 法兰克福车展上正式亮相的丰田 Plug-inPrius 沿用了第三代 Prius 的动力系统6。另外，该动力系统已经应用于 Lexus RX400h 和Toyota Highlander 混合动力汽车中系统。如图 1.6 所示为 Lexus GS450h 采用的动力系统构型，该动力系统是在 THS 系统的基础上增加拉维娜（Ravigneaux）式行星齿轮机构和两个离合器（或制动器）。通过控制两个离合器，可以改变主电机对车轮的固定减速比，应用于高速和低速两个模式，从而提高系统效率。 2005 年 通 用 公 司 与 戴 姆 勒 克 莱 斯 勒 、 宝 马 联 合 组 成 GHC(Global Hybrid Cooperation)，共同合作开发出双模式混合动力系。该双模技术在 2005 年的底特律北美车展中，所推出的 GMC Graphite SUV 概念车已经应用了该双模技术。2007年，该双模技术首先应用于 Chevrolet Tahoe 混合动力汽车中，相继在通用公司的 GMC Yukon、Chevrolet Silverado 等车型、克莱斯勒公司的 Dodge Durango 等车型中也应用了双模混合动力系统。如图 1.7 左图所示为通用公司的双排双模动力系统，图 1.7 右图所示为通用公司的三排实现的双模动力系统。除此之外，还有福特公司以及凯迪拉克公司也推出了功率分流式混合动力车型。 其中功率分流式混合动力系统主要包括行星齿轮机构、发动机和两个电机，其中，行星齿轮机构是混合动力系统的动力耦合装置7。根据行星齿轮机构具有多自由度的构型特点，在混合动力系统中利用两个电机来限制其自由度。其中一个电机使发动机转速与车轮转速解耦，另一个电机使发动机与车轮的转矩解耦。因此，在该功率分流式混合动力系统中，通过控制一个电机的转矩和另一个电机的转速可以使发动机工作点维持在目标转矩和转速处，而这会带来混合动力系统的功率分流现象，即发动机的功率经由两个路径传递到车轮，电路径和机械路径8，9。电路径中，发动机的一部分输出。功率经过其中一个以发电状态工作的电机，给另一个以驱动状态工作的电机提供电能，通过机械能的二次转换将能量输出到车轮。因此功率分流式混合动力汽车的这种现象也称为功率分流现象。电路径的加入也使无极变速（EVT）的实现成为了可能。虽然发动机可以通过两个电机的调节工作在最优曲线上，但是电路径中由于能量转换时存在不可避免的功率损失，从而影响整个系统的传动效率10，11。在功率分流式混合动力系统中，发动机输出功率分配到电路径的功率与直接以机械形式传递的功率的比值是连续可变的。当分配到电路径的功率比值较小时，整个系统的传动效率较高。因此，该动力系统在控制发动机工作点在经济区域的同时，可以通过控制电路径功率比值来提高系统传递效率。这一原则也用于PS-CVT中，这种动力系统是由一个V带CVT，一个固定速比和一个行星齿轮组成，在该系统中通过减小流经 V 带 CVT 中功率比值来提高系统效率26-30。当电路径功率为零时，发动机的输出功率全部以机械路径传递，此时系统的传动效率达到最高。这时所对应的传动比定义为机械点（MP）。当功率分流式混合动力汽车运行在机械点附近时，混合动力系统的功率分流小，系统传动效率高。根据这一原则，一些双模或多模式的功率分流式混合动力系统通过增加机械点来提高其系统传动效率10。 在功率分流式混合动力系统中，发动机功率以电路径和机械路径两个并行路径来传递到车轮，根据功率流向的不同主要分为两种形式：功率分流（power splitting）和功率循环（power recirculating）11-12。以 Prius 构型为例，如图 1.8 所示为其动力系统的功率流图。 图 1.8 Prius 动力系统中的功率流当出现功率循环现象时，如图 1.8（b）所示，电路径在输出轴处没有动力输出，即电路径中的功率不会作用在驱动整车上。并且，此时发动机的功率可能会远远超过整车所需求的功率并更大程度的降低系统传动效率。功率分流以及功率循环现象的发生根据传动比的值而决定的。对于 Prius 所采用的输入分配式混合动力系统，当传动比大于机械点时，出现功率分流现象，当传动比小于机械点时出现功率循环现象。因此输入分配模式在汽车高速（较小传动比）时，效率比较低。输入分配模式比较适用于低速模式。输出分配模式在高速时为功率分流，低速时为功率循环现象。复合分配模式内部功率流向比较复杂，该模式下当传动比在两个机械点之间时功率分流比值较小，远离两个机械点时功率分流增大。与单模系统相比，双模混合动力系统通过结合两种模式的优势，互相弥补不足来减小出现功率循环现象的传动比范围，从而提高系统效率。根据目前的研究现状，双模混合动力系统一般是由复合分配模式和输入分配模式两个模式结合来实现。 功率分流式混合动力系统中，利用两个电机分别对发动机的转速和转矩完全解耦，使发动机工作点可以自由控制，实现无极变速。因此这种动力系统在很大限度上提高了燃油经济性。功率分流式混合动力系统在新能源汽车中体现出绝对的优势。并且在功率分流式 HEV 中，双模混合动力系统在性能上相对于单模混合动力系统更有优势。作为混合动力汽车的核心部件，混合动力系统构型的确立是关键中的关键，并且其构型的选择是各动力总成的参数匹配以及整车控制策略建立的基础，但是在国内外的研究中对于双模混合动力系统构型设计的研究很少。而且由于双模混合动力系统中所采用的两个或两个以上行星轮系之间的组合的自由性，造成双模系统构型复杂多样，以及系统内由于发动机功率经由两个路径传递到车轮，造成系统内功率流向以及系统效率的影响因素的复杂性和多样性，这些因素都增加了双模混合动力系统构型选型上的难度。 这些混联式混合动力车型均使用了双排或双排以上行星齿轮机构的双模 EVT 型混联式混合动力系统。 从上述内容可知，国外因汽车制造及电控等技术的快速发展，EVT 型混联式混合动力汽车已经成为较为成功的混合动力主流车型。然而，我国仅有的几款混联式混合动力车型（一汽第二代混合动力客车和 B70 混合动力轿车）也仅仅是概念上的混联式混合动力车型，因其动力系统中的发电机不参与驱动整车，不能对发动机和车轮转速实现完全解耦，因而也不能避免车辆低速工况时，发动机低能耗的缺点。显然，国内混联式混合动力车型远不及国外 EVT 型混联式混合动力车型的综合性能。在理论研究方面，相比之下，目前国内的混合动力汽车与国外相比还集中在串联和并联混合动力汽车的研究13,14,15,16，对于极具优势的 EVT 型混联式混合动力车型的研究与国外相比还存在很大的差距。综合以上两个方面，可以说国内 EVT 型混联式混合动力汽车自主开发，仍有很长的路要走，将需要更多学者和科研人员的不断努力和学习才能够最终实现。 二. 结论 通过前文的内容可以知道，混合动力汽车因具备节能和环保的双重优势将成为 21世纪汽车工业可持续发展的必经阶段。尤其对于汇集了串联和并联混合动力汽车所有优势的混联式混合动力汽车，再加上电力机械无级变速器 EVT 在混联混合动力汽车上的应用，使节能和环保的双重优势发挥到了极致，因此，EVT 型混联式混合动力汽车将成为混合动力汽车竞相发展的目标。但对于处于初级研究阶段的我国来说，对 EVT型混联式混合动力汽车的研究将面临更大的困难，主要表现在以下三个方面： （1）EVT 式混联混合动力汽车动力总成系统构型复杂、构成方案繁多，高达几千甚至上万种，给研究人员研究带来极大的挑战。 （2）EVT 式混联混合动力汽车动力总成系统具有更多的自由度，使动力总成参数匹配变成了更加复杂的非线性多目标最优求解问题。 （3）EVT 式混联混合动力汽车的仿真模型和控制能源管理控制策略，以及控制参数的优化也相对于串联和并联式混合动力汽车更加复杂。 1 王伟华. 并联混合动力汽车的控制D. 吉林大学博士论文. 2006.52 Syed F U. 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