混合動力汽車雙電機驅動系統(tǒng)分析

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1前言

為了有效降低汽車燃油消耗量和尾氣排放，滿足雙積分政策的要求，越來越多的汽車廠商進行推廣和研發(fā)混合動力汽車。混合動力汽車利用電池給電機提供動力來源，并通過電機來調(diào)節(jié)發(fā)動機的工作點，可以有效降低油耗和排放，進一步提高整車動力性和經(jīng)濟性[1-2]。同時，混合動力汽車利用電機制動，借助新增零部件，可以進行有效的能量回收和能量管理，不同的混合動力系統(tǒng)構型方案可以實現(xiàn)不同的扭矩分配功能[3]。在構型方案上，混合動力汽車可以采用單電機動力系統(tǒng)構型也可以采用雙電機動力系統(tǒng)構型，而深混的混合動力系統(tǒng)多采用雙電機構型，以便實現(xiàn)全部的混合動力功能，比如串聯(lián)功能、并聯(lián)功能和串并聯(lián)混合功能等。本文通過對兩款典型的雙電機系統(tǒng)車型進行技術分析，包括構型方案、系統(tǒng)功能及工作模式等，旨在為后續(xù)混合動力系統(tǒng)開發(fā)提供借鑒意義。

2本田i-MMD雙電機系統(tǒng)構型

本田雅閣i-MMD（IntelligentMulti-ModeDrive）系統(tǒng)技術方案結構如圖1所示[4]，其動力驅動系統(tǒng)主要包括2.0L發(fā)動機、驅動電機、發(fā)電機、離合器以及傳動機構等。其中，驅動電機、發(fā)電機以及離合器集成形成了電動耦合e-CVT，取代了傳統(tǒng)的變速箱，發(fā)電機始終與發(fā)動機相連，主要用于發(fā)電，驅動電機與驅動車輪相連，主要用于驅動車輛行駛，在制動的時候，電機可以回收能量對電池進行充電。雅閣混合動力汽車搭載了i-MMD雙電機系統(tǒng)，整車動力來源采用了以驅動電機為主，發(fā)動機為輔的設計，可以實現(xiàn)純電動、混合動力以及發(fā)動機直驅的模式功能。純電動模式下利用驅動電機驅動車輪；混動模式下發(fā)動機啟動通過發(fā)電機給驅動電機充電，再讓驅動電機驅動車輪；發(fā)動機直驅模式下離合器閉合，發(fā)動機作為動力源與傳動系相連驅動車輪。通過三種模式有效切換，使得車輛表現(xiàn)出了更為出色的動力與節(jié)油優(yōu)勢。圖1i-MMD系統(tǒng)技術方案結構[4]

3本田i-MMD雙電機系統(tǒng)工作模式

3.1純電動模式驅動。在純電動模式下，動力系統(tǒng)能量傳遞如圖2中所示的箭頭方向。在這種模式下，發(fā)動機不工作，動力分離裝置離合器斷開，驅動車輛行駛的能量直接來源于動力電池，動力電池儲存的電能經(jīng)由逆變器提供給驅動電機，驅動電機驅動車輛前進或者后退。在車輛制動時，所產(chǎn)生的能量將被回收充入動力電池內(nèi)進行儲存。3.2混合動力模式驅動。在混合動力模式下，動力系統(tǒng)能量傳遞如圖3中所示的箭頭方向。在這種模式下，仍由驅動電機驅動車輪，雖然發(fā)動機工作但動力分離裝置離合器斷開，發(fā)動機只負責發(fā)電，不直接參與驅動，發(fā)動機運行在能發(fā)揮最高效率的轉速區(qū)間內(nèi)，通過發(fā)電機向驅動電機輸送電能，產(chǎn)生足夠多的電能可以為動力電池充電。車輛需要急加速時，動力電池可以輸出額外的電能給驅動電機，使驅動電機瞬時產(chǎn)生大扭矩輸出。在車輛減速制動時，可為動力電池提供額外的能量回收。3.3發(fā)動機直驅模式驅動。在發(fā)動機直驅模式下，動力系統(tǒng)能量傳遞如圖4中所示的箭頭方向。在此模式下，發(fā)動機工作時動力分離裝置離合器處于閉合狀態(tài)，駕駛員直接控制油門，發(fā)動機輸出扭矩，并通過傳動機構將動力直接傳遞給車輪。動力電池一般情況下是處于待機狀態(tài)，為了在加速時候提供更大的動力，在需要大扭矩輸出的時候可提供電能給驅動電機，讓驅動電機和發(fā)動機共同驅動車輛。3.4模式切換控制。從整個系統(tǒng)的燃油經(jīng)濟性上來講，在不同的工況下，采用合適的模式控制，使得發(fā)動機運行在最小有效燃油消耗率曲線上，通過三種模式之間的合理切換，可提高從發(fā)動機到驅動軸之間的能量傳輸效率。在起步和低速行駛時，采用純電動模式，以避免發(fā)動機在低負載工況下運行增加油耗。在中速行駛時，采用純電動和混合動力模式為主適時切換，使發(fā)動機效率和電池充放電之間達成平衡。在高速行駛時，采用純電動模式和發(fā)動機直驅模式為主適時切換，能量的傳輸更加直接及效率更高。

4上汽榮威EDU雙電機系統(tǒng)

上汽榮威EDU電驅動（ElectricDriveUnit）系統(tǒng)技術方案結構如圖5所示，其動力驅動系統(tǒng)主要包括1.5L發(fā)動機、驅動電機、發(fā)電機、離合器C1、離合器C2以及傳動機構等。其中，C1位于發(fā)電機端，C2位于驅動電機端，通過離合器C1、C2及換檔協(xié)調(diào)控制，可以在發(fā)動機和雙電機3個動力源之間進行選擇輸入、控制和輸出，實現(xiàn)純電動、串聯(lián)、并聯(lián)和能量回收等模式的切換。根據(jù)整車運行工況需求，協(xié)調(diào)控制各動力源，使其始終處于最佳工作區(qū)域，從而實現(xiàn)車輛的油耗和廢氣排放處于最低水平。榮威e550搭載了EDU雙電機系統(tǒng)，采用全時全混三核驅動技術，通過開發(fā)雙電機扭矩協(xié)調(diào)混聯(lián)式的插電式功能，使其擁有了多種混合動力行駛模式，同時系統(tǒng)會自動根據(jù)行駛狀態(tài)判斷，選擇相應的動力源輸出，最終使得整車達到了低油耗和強動力的綜合表現(xiàn)。4.1純電動模式驅動。純電動模式下，動力系統(tǒng)能量傳遞如圖6中所示的箭頭方向。在這種模式下，動力系統(tǒng)控制離合器C1斷開，C2閉合，動力電池給驅動電機供電，驅動電機驅動車輪，車輛的驅動來源僅由驅動電機提供，經(jīng)傳動機構輸出給驅動車輪，具有較強的驅動響應能力。此時車輛處于行駛狀態(tài)中，發(fā)動機不工作，發(fā)電機不工作，利用驅動電機驅動車輛。4.2串聯(lián)模式驅動。串聯(lián)模式下，動力系統(tǒng)能量傳遞如圖7中所示的箭頭能方向。在這種模式下，動力系統(tǒng)控制離合器C1斷開，C2閉合，動力電池給驅動電機供電，驅動電機驅動車輪，發(fā)動機可以實現(xiàn)對動力電池充電，可根據(jù)驅動電機消耗及SOC平衡功率需求確定串聯(lián)發(fā)電需求功率，在發(fā)動機、發(fā)電機運行范圍內(nèi)選擇發(fā)電效率在最優(yōu)經(jīng)濟區(qū)域。此時車輛處于行駛狀態(tài)，發(fā)動機工作，發(fā)電機給電池進行充電，利用驅動電機驅動車輛。4.3并聯(lián)模式驅動。并聯(lián)模式下，動力系統(tǒng)能量傳遞如圖8中所示的箭頭方向。在這種模式下，動力系統(tǒng)控制C1閉合，C2閉合，發(fā)動機一方面對電池充電，一方面和驅動電機分別輸出扭矩驅動車輪。驅動電機提供主要動力，不足部分由發(fā)動機和發(fā)電機補充，3個動力源可以同時驅動車輪，整車有更大的扭矩輸出，表現(xiàn)出更好的加速性能。此時車輛處于行駛狀態(tài)，發(fā)動機工作，發(fā)電機工作，驅動電機驅動，3個動力源同時驅動車輛。4.4模式切換控制。從整車的經(jīng)濟性和動力性方面而言，采用EDU雙電機系統(tǒng)，可以基于雙離合器C1及C2，控制協(xié)調(diào)各子系統(tǒng)，適時選擇相應的驅動電機、發(fā)電機及發(fā)動機動力源輸入，最終實現(xiàn)純電動、串聯(lián)、并聯(lián)和能量回收等模式功能的切換。當電池電量高并且車輛對扭矩需求較低的情況下，可進入純電動模式；當電池電量較低，對扭矩需求不足以進入并聯(lián)時，可進入串聯(lián)模式；在較高電池電量和較大扭矩需求下，可進入并聯(lián)模式。在不同的運行模式下，儀表系統(tǒng)可顯示出不同的混動能量流狀態(tài)[5]。根據(jù)當前整車工況協(xié)調(diào)控制模式切換，讓各動力源處于最佳運行狀態(tài)，以使整車表出更好的性能。

5雙電機系統(tǒng)起步分析

混合動力車輛執(zhí)行完高壓上電流程之后就要考慮車輛起步的問題。車輛起步在實際行駛中經(jīng)常發(fā)生，起步性能的好壞對整車平順性、經(jīng)濟性有很大的影響。針對傳統(tǒng)汽車，由于發(fā)動機的特性關系，車輛起步需要離合器的滑摩來完成，但對混合動力汽車，特別是搭載雙電機的混合動力汽車，車輛起步所需要的扭矩可以由電機來承擔。因電機具有在低速時的大扭矩輸出特性，適合作為起步動力源，因此，只要匹配的電機滿足車輛起步的扭矩和功率需求，就能避免離合器的起步滑摩，達到較理想的起步特性。雙電機混合動力系統(tǒng)電機在匹配時，不僅要考慮起步功率需求，還要考慮電機低速驅動時的效率，因電機高效區(qū)工作點集中在低速部分，有利于提高電機起步時的性能。在整車控制系統(tǒng)中，需要根據(jù)駕駛員的起步要求，控制電機輸出扭矩完成車輛的起步，當車速達到或超過起步車速時，可以協(xié)調(diào)控制電機和發(fā)動機工作，由相應的動力源輸出扭矩完成車輛的起步控制。

6雙電機系統(tǒng)換擋分析

在車輛行駛中，如果換擋過程沒有控制好，容易發(fā)生動力中斷的現(xiàn)象。混合動力汽車在換擋過程中，需要進行多動力源的協(xié)調(diào)控制[6]。比如在帶有雙離合器的雙電機系統(tǒng)中，發(fā)電機和驅動電機這兩個雙動力源分別通過各自的離合器與變速箱輸入軸進行耦合，并經(jīng)由同步器傳遞到相應擋位的齒輪，再通過變速箱輸出軸傳遞到車輪。換擋過程涉及到動力源的調(diào)速、升扭和降扭的控制，由整車控制系統(tǒng)接收換擋需求信號指令，然后發(fā)出各動力源降扭矩指令并判斷是否降到了目標扭矩范圍內(nèi)，然后進行動力源的調(diào)速，待調(diào)速后轉速滿足一定范圍內(nèi)，則控制動力源升扭完成換擋過程。換擋過程中應注意避免因扭矩不平順或變化太快而引發(fā)的頓挫和沖擊，避免由于動力系統(tǒng)輸出扭矩產(chǎn)生波動。雙電機混合動力系統(tǒng)的換擋過程既有對變速器的控制，又有對電機和發(fā)動機的控制，既有自動變速控制技術，又有混合動力系統(tǒng)控制技術，是自動變速技術與混合動力技術的綜合協(xié)調(diào)控制過程。

7總結

本文針對兩種雙電機串并聯(lián)混合動力系統(tǒng)的不同技術構型方案進行了分析，對不同的工作模式進行了詳細描述，可以看出，不同的構型方案決定了工作模式的實現(xiàn)會有所區(qū)別。另外，本文也對起步和換擋進行了技術分析，傳統(tǒng)車的動力系統(tǒng)在車輛起步和換檔過程中存在一些劣勢，而雙電機混合動力系統(tǒng)基于其構型的特性，在起步和換檔過程中通過協(xié)調(diào)控制發(fā)動機及電機，可優(yōu)化車輛起步以及克服換檔過程的動力中斷和扭矩突變等問題，使雙電機混合動力系統(tǒng)達到或接近理想的驅動特性。雙電機混合動力系統(tǒng)目前已取得了一定進展，且當前市場上也出現(xiàn)了一些應用車型，因雙電機混合動力系統(tǒng)的驅動動力源有多個，故需要在不同駕駛需求工況條件下，控制多個動力源發(fā)揮各自的作用。本文所述的技術分析，可為后續(xù)研發(fā)新能源汽車雙電機動力系統(tǒng)構型方案及控制提供一些借鑒意義，而如何有效控制動力系統(tǒng)達到理想的驅動特性，以及如何控制換檔也是后續(xù)開發(fā)中應注意的關鍵技術問題。

作者:伍慶龍 張?zhí)鞆?楊鈁 單位:中國第一汽車集團有限公司