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典型混动构型方案对比
2021-11-18 09:34:11· 来源：驱动视界
1. 中汽研CHS行星排方案图上方为中汽研CHS行星排方案，图下方为Prius方案。有2处改进。1. 在ICE发动机飞轮的输出轴端通过缓冲锁止组合机构连接到行星排1的行星架
1. 中汽研CHS行星排方案
图上方为中汽研CHS行星排方案，图下方为Prius方案。
有2处改进。
1. 在ICE发动机飞轮的输出轴端通过缓冲锁止组合机构连接到行星排1的行星架。
缓冲锁止组合机构有两方面的作用：
◼ 衰减来自发动机的扭振激励，减小对行星排的冲击；
◼可以开关方式控制行星排1的行星架静止或运动。当车辆以纯电动方式运行时，行星排1的行星架被锁止以后，可以实现MG1和MG2双电机驱动。
2. 行星排2固定了齿圈，而不是行星架。
行星排2由于只有1个自由度，它的作用等价于单级减速齿轮，齿圈与行星架互换相当于在这里增大了减速比。
增大减速比可以减小MG2的峰值扭矩，从而减小电机MG2的尺寸和重量， 对于公交车这种最高车速不高的情形很适用。
行星排这种动力分流系统的最大弱点就是其恒定的扭矩分配。
在丰田系统中，发动机的28%的扭矩必须传递到发电机MG1，在正常行驶的状态不会对系统产生大的影响，但是在节气门全开全速行驶加速的状态下，扭矩和能量的分配也同正常行驶时是一样的，电机MG1就必须设计的足够大才能够处理28%的发动机输出扭矩，同时驱动电机MG2的输出中必须加上电池的输出才能平衡。
这样就需要两个较大的电机及其控制器。
锁止机构开启，发动机关闭，MG1空转，来自电池包的能量通过MG2单独驱动。
锁止机构锁止，发动机关闭，行星排1和行星排2都作为减速机构运行，来自电池包的能量通过MG1和MG2共同驱动车辆。
锁止机构开启，发动机的动力分为两部分，一部分直接经过齿圈>>行星排2传递到车轮上，另一部分经MG1发电，经过电机控制器>>电池>>电机控制器>>MG2>>行星排2传递到驱动车轮上。
发动机停机，MG2再生制动进行能量回馈对电池充电。
在停车状态下行星排1的齿圈是静止的，发动机带动MG1发电对电池包进行充电。
优点：
-
由两套电机和行星排组成ECVT动力分流装置，实现了发动机转速与车速解藕，发动机启动之后一直都是工作在高效区，节油；
-
省略了变速箱；l纯电动可以实现双电机起步
缺点：
⚫ 两套大电机，控制系统复杂，成本高
2. 松正四代混联方案
说明：2档EMT变速箱空档时，可以实现TM电机单独驱动，纯电动行驶动力系统架构
在松正第3代系统方案的基础上增加了两档EMT变速箱，去掉了离合器。
驾驶员小油门起步，EMT置于空档，发动机这一端脱开，TM主驱动电机单独驱动。
电池和电容电量不足时，EMT置于空档，发动机拖动BSG发电机发电给电源充电。
系统的动力源仍然只有TM电机。
电池和电容电量不足时，EMT置于空档，发动机拖动BSG发电机发电给电源充电。
系统的动力源仍然只有TM电机。
发动机启动后进行Sync同步控制协调进入并联状态、换档协调都比较难。
优点：
-
可实现发动机频繁起停（消除怠速）、电机辅助减小发动机、纯电起步、再生制动等节油功能；
-
采用低速纯电驱动，高速发动机为主、电机为辅的驱动方式，发动机与驱动电机有冗余；
-
可根据不同客户需要灵活配置不同的储能元件：既可采用小储能元件（小电池或超级电容），以较低的成本实现混合动力功能，达到节油的效果；又可配置较大电池实现插电式混合动力模式，“以电代油”降低运营成本、获得政府补贴；
-
增加了两档变速箱，发动机的体积和功率都可以缩小，并且可以覆盖更多的燃油经济区间；
-
电池和超级电容并存双电源方案，加速或其他大功率充放电需求时优先使用电容，匀速行驶时使用电池。利用电容的短时大电流吞吐能力，对电池进行消峰平谷，降低电池充放电频率，同时降低了电池SOC的深充深放，电池寿命延长。
缺点：
-
需要采用较大的发动机以满足高速区的动力需求，较大的驱动电机以满足低速区的动力需求（尤其是低速时峰值扭矩以满足爬坡时的需求）和较大的发电机（或较大的电池）以满足低速运行的能量要求。因此，相对成本较高；
-
控制策略复杂，才能最大限度地实现混联系统的节油潜力；
-
利用皮带轮在BSG和发动机之间传递动力，其最大发电功率受到皮带能力和寿命的限制，因此不容易做得更大，从而限制了该系统的应用范围
3. 精进ISG同轴混联方案
在882mm电驱总成内布置了两台大电机（850Nm +2200Nm）
与松正系统运行模式和控制策略类似！少了变速箱的换档控制协调。
-
纯电动模式
-
串联模式
-
并联模式
-
能量回馈模式
优点：
-
结构简单，容易实现，充分发挥了我国永磁同步电机的优势；
-
驱动电机采用直驱模式，即电机直接驱动后桥。消除了变速箱，提高了效率，降低了噪音；
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可实现发动机频繁起停（消除怠速）、电机辅助减小发动机、纯电起步、再生制动等节油功能；
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采用低速纯电驱动，高速发动机为主、电机为辅的驱动方式，发动机与驱动电机有冗余；
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可根据不同客户需要灵活配置不同的储能元件：既可采用小储能元件（小电池或超级电容），以较低的成本实现混合动力功能，达到节油的效果；又可配置较大电池实现插电式混合动力模式，“以电代油”降低运营成本、获得政府补贴
缺点：
-
发动机不能在其全部工作范围内维持在高效工况。
当车速达到“切入速度”时，离合器闭合，发动机直接驱动车辆。在此状态下，发动机的转速与车速直接关联。车速一般可在20-60km/h的范围内变化，发动机的转速则相应地在800-2400rpm的宽范围内变化，而在如此宽的范围内发动机的平均效率是比较低的。因此，在高速区的实际节油效果并不理想；
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需要采用较大的发动机以满足高速区的动力需求，较大的驱动电机以满足低速区的动力需求（尤其是低速时峰值扭矩以满足爬坡时的需求）和较大的发电机（或较大的电池）以满足低速运行的能量要求。因此，相对成本较高；
-
控制策略比较复杂，才能最大限度地实现混联系统的节油潜力；
-
由于发动机、ISG、离合器、驱动电机需同轴安装，系统物理长度长，不易布置
4. 伊顿单轴并联方案
在传统车的离合器和变速箱中间加入了一个驱动电机，实现了纯电动行驶和并联模式运行。
控制上最大的挑战在于发动机启动过程不应引起驾驶员驾驶上的顿挫。
⚫ 纯电动模式
当车速较低时，如小于15km/h，这时发动机启动以后达不到维持怠速的转速，所以发动机处于关闭状态，离合器断开，车辆只能以纯电模式运行。
⚫ 并联模式
模态①发动机单独驱动。
离合器状态：闭合。
电机一直处于零扭矩控制状态。
如果发动机的功率能够满足驾驶员的功率需求时。
模态②发动机和电机共同驱动。
离合器状态：闭合。
如果驾驶员的功率需求较大, 发动机的功率满足不了时，如急加速和高速大油门情况下。
模态③发动机驱动车辆，同时电机处于发电模式。
离合器状态：闭合。
用于当电池SOC较低时，发动机需要提供电机发电的功率和驾驶员需求功率。
⚫ 能量回馈模式
离合器打开，驱动电机运行在再生制动模式给电池充电。
优点：
-
对传统车改动较小，在保持原型车动力系统参数不变的情况下，加入驱动电机可以大幅改善加速性能和经济性能；
-
结构简单，电机及电池仅起辅助驱动的作用，因此可以采用容量较小、成本较低的电池和电机；
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纯电起步，可以避开发动机的恶劣工况，达到节油的效果；
-
一定的冗余，如果电机、电池系统出故障，可以采用传统模式运行；
优点：
-
可以适当地降低发动机的容量，以电机补充动态功率，然而，如果电机容量比较小，则发动机容量减小的空间比较有限
缺点：
-
对AMT变速箱系统的功能、性能及可靠性要求较高。目前国内在这一领域的技术水平尚有不足，因此国外公司的产品比较占优势；
-
在道路拥堵慢爬工况下，车速达不到发动机驱动的车速（15km/h），电池得不到补充，很快会亏电，无法长期支撑纯电动模式。这时系统进入与传统车类似的工况，因此节油效果及排放不理想；
-
车速低时，发动机无法启动，只能TM电机独自驱动，需要电机的低速扭矩较大；
-
动力系统控制较为复杂；
-
发动机启动以后只能优化转矩范围，效果有限
5. 四模混动方案
发动机+离合器+MG1+行星排+2档变速+MG2
适合的车辆状态：车速低时。C结合，MG1静止，ICE停机。S在位置1。
适合的车辆状态：车速高时。C分离，ICE停机。S在位置2。
适合的车辆状态：车速低时。C结合。S在位置1。
适合的车辆状态：车速高时；MG2电机无发动机无级调速。
C结合。S在位置2。
优点：
-
实现了发动机转速与车速解藕，发动机启动之后一直都是工作在高效区，节油；
-
车速较高时可以实现3动力源同时驱动，动力充沛；
-
车速低时，单电机纯电驱动；车速高时，双电机纯电驱动；
-
增加2档变速，MG2较小
缺点：
-
两套电机+发动机+离合器+2档变速，体积大，控制系统复杂，成本高
6. 方案对比结果
注：油耗数据来源于网上数据
1. 伊顿并联系统适用于频繁起停，但是车速较快的工况，如城郊公交路路况；
2. 行星排ECVT功率分流混联系统比松正和精进这类混联系统的传动效率要高；
3. 松正和精进混联系统的爬坡性能普适性不够，起步时只能电机直驱能力有限。
7. 附录 Prius系统介绍
第3代与第2代Prius动力系统方案本质上是一样的，第3代靠近差速器的行星齿轮相当于单级减速机构。
车辆小油门起步时，发动机不起动，MG2纯电动运行，MG1只是反转IDLE状态
当车速大于24km/h-32km/h, 发动机肯定会起动。
MG1作为发动机的起动机。
发动机的功率分为两部分，一部分直接驱动车轮，另一部分驱动MG1发电。
根据整车功率需求和发动机自身的功率，MG2会适当的辅助发动机参与驱动。
发动机的功率分为两部分，一部分直接驱动车轮，另一部分驱动MG1发电。
根据整车功率需求和发动机自身的功率，MG2会适当的辅助发动机参与驱动。与小油门加速类似。
发动机和MG2同时参与驱动，MG1工作在发电模式。
MG2消耗的功率远大于MG1发电产生的功率，这时候高压电池的SOC会快速下降。
MG1固定不动，发动机和MG2扭矩耦合共同驱动车辆。
MG1，MG2，发动机三者共同驱动车辆。MG1反转驱动。
MG2工作在再生制动模式，MG1处于反转IDLE状态，发动机停机。
MG2驱动，MG1处于正转IDLE状态，发动机则停机。
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