技术文档I广汽：一种兼有串联和功率分流模式的机电耦合系统研究

本文引用原文：一种兼有串联和功率分流模式的机电耦合系统研究；黄河，徐向阳，赵江灵，董鹏，朱永明，李瑶瑶；2022. 01

摘要:混合动力技术是汽车节能技术的重要发展方向，其关键核心是机电耦合技术。通过对比分析各类型混合动力机电耦合系统的优缺点，提出了一种新型机电耦合系统方案。该系统方案包含串联和功率分流两大工作模式，具备本田i-MMD 和丰田THS混动系统的两种特点。利用合理的模式控制策略，可有效避免本田i-MMD 混动系统高速高扭工况效率低和丰田THS 系统高速低扭工况功率回流的一些问题，为混合动力的机电耦合系统开发提供了一种解决方案。

1 混动技术路线及方案设计要点

1.1 混动技术路线

目前各个国家、各汽车公司都在大力发展混合动力汽车。根据国情及自身情况不同，采取了不同的技术路线。欧洲主要采用P2 技术路线，美国主要采用功率分流技术路线，日本主要采用功率分流和串并联技术路线，中国主要采用的是串并联技术路线。

机电耦合系统分串并联和功率分流两大类别。串并联以本田i-MMD 为代表，可以通过增程模式，将发动机的转速和扭矩与整车的需求解耦，让发动机一直处于最经济的工作状态，实现较好的经济性。功率分流以丰田THS 系统为代表，通过功率分流模式，让发动机的转速和扭矩与整车的需求解耦，让发动机一直处于最经济的工作状态。另外还可以基于传统自动变速箱开发P2 的混动系统，这类系统对自动变速箱的依赖度高，可以通过电机调解发动机的扭矩，通过自动变速器的各个挡位，优化发动机的转速，但是不能实现转速与轮端完全解耦，所以P2 类型的混动系统的节油率有限。功率分流的混动系统、串并联的混动系统及P2 的混动系统的优缺点对比见表1。

2 混动方案设计要点

发展混合动力汽车，机电耦合的构型是关键。混合动力系统简图如图1 所示。

混合动力系统简图专用混动变速器( dedicated hybrid transmission，DHT) 一般都是包含两个电机。可以把发动机及发电机作为一个单元( 通过定轴齿轮或行星排等连接) ，驱动电机及车轮作为一个单元( 通过齿轮/行星排/差减等连接) ，这两个单元之间的不同耦合方式，就形成了各种不同的构型。例如，丰田THS 的耦合方式是行星排，本田i-MMD 的耦合方式是定轴齿轮和离合器。在构型寻优时，重点是解决好动力耦合问题。

不同工况下，发动机的工作点对整车油耗有较大影响，如图2 所示，把发动机的工作区域分类，不同的构型会解决不同区域的效率问题。根据整车的运行工况，可以划分为3 个低效区，分别为低速工况的低效区Ⅰ、低扭工况的低效区Ⅱ和大功率工况的低效区Ⅲ。对于不同类型的机电耦合系统，有不同的控制策略，可以将这些低效工况区的发动机的工作点与轮端解耦，让发动机的工作重点转移到高效区。

双电机混动系统的发动机工作点对于串并联式的机电耦合系统，可以利用串联增程模式和动力电池削峰填谷的作用，使发动机的转速和扭矩与轮端的需求解耦，让发动机一直工作在高效区，提高系统的效率。但是串并联式的机电耦合系统主要是可以改善低效区Ⅰ和低效区Ⅱ的工作点。对于低效区Ⅲ，需要3 个动力源共同工作，满足整车的大功率扭矩需求，系统效率也不是非常理想。

对于功率分流的机电耦合系统，可以利用功率分流模式和动力电池削峰填谷的作用，使发动机的转速和扭矩与轮端的需求解耦，让发动机一直工作在高效区，提高系统的效率。但是功率分流式的机电耦合系统主要是改善低效区Ⅰ和低效区Ⅲ。对于低效区Ⅱ的高速小扭矩的工况，存在功率回流的问题，导致系统效率较低。

2 机电耦合系统方案

2.1 系统原理分析

根据上述原则，提出了一种新型机电耦合系统方案———新型双行星排系统( new double planet coupling，NDPC) 。混动系统原理如图3 所示，该系统将发电机、驱动电机、离合器、传动系统、差减速器及液压系统等集成于一体。两个行星排各有一个构件是相连( 共用)的，将这个构件制动( 固定) 时，则两个行星排只是两个变速传动机构。 

机电耦合系统工作模式分析见表2，该机电耦合系统可实现纯电驱动、串联驱动、功率分流、发动机直驱、制动能量回收、驻车发电等多种工作模式。

( 1) 当整车的电量充足时，车辆可在纯电驱动模式下工作。此时制动器B2 制动，另外两个制动器断开，驱动电机驱动，功率流经行星排传递到中间轴，再经主减速齿轮传递至轮端。该模式下功率流如图4 所示。

( 2) 串联驱动模式时，制动器B2 制动，另外两个制动器断开，发动机带动发电机发出电能，驱动电机驱动整车。该模式下功率流如图5 所示。

( 3) 功率分流模式时，3 个制动器均断开，控制发动机、发电机、驱动电机协同工作，共同驱动车辆。该模式下功率流如图6 所示。

( 4) 发动机直驱模式时，制动器B1 和制动器B3 制动，制动器B2 断开，发动机的动力经过两个行星排传递到中间轴，再传递到轮端。该模式下功率流如图7所示。

( 5) 制动能量回收模式时，制动器B2 结合，此时轮端的动力，经过中间轴，传递到驱动电机，带动驱动电机发电，存储在电池中。该模式下功率流如图8 所示。

2.2 系统优缺点分析

2. 2. 1 系统优势

该构型有如下优势:

( 1) 同时有本田i-MMD 增程模式和丰田THS 功率分流模式。

( 2) 结构紧凑，三轴，质量小，体积小，较好地利用了行星排同轴、传动比大的优势。

( 3) 直驱模式发动机不用带着两电机转子转动，无拖曳损耗( 铁耗) ，可改善高速工况的经济性。

( 4) 可利用电机调速和制动堵转后，再结合制动器。对于制动器B1 和制动器B3 无滑摩要求，制动器无须电磁阀精准控制的行程控制; 对油品清洁度要求不高，可大幅降低液压模块成本。

( 5) 两个电机制动器短时制动可由电机堵转替代，可降低对制动器的要求，从而降低控制难度。

2.2. 2 系统存在的问题

该构型主要存在以下问题:

( 1) 发动机直驱模式时传动环节多，单纯机械效率偏低; 但由于两电机转子不转动，避免了永磁电机的磁力损耗( 铁耗) ，发动机直驱的总效率仍然高于本田i-MMD。

( 2) 制动器B2 的制动扭矩大。

( 3) 功率分流模式控制难度大。

3 混动控制策略分析

由于文中介绍的机电耦合系统，包含串联和功率分流两大工作模式，利用合理的模式控制策略，可有效避免本田i-MMD 混动系统高速高扭工况效率低和丰田THS系统高速工况功率回流的一些问题。混合动力系统模式划分如图9 所示。

对于低转速和高速低扭矩的①区，多采用增程充电模式，发动机带动发电机充电，让发动机一直工作在高效区，驱动电机根据车辆的轮端需求，驱动车辆行驶。

对于低转速的②区，多采用增程随需模式，即增程所发的电量刚好满足驱动电机所需，电池不充电也不放电。

对于低速高扭和高速低扭的③区，多采用增程放电模式，此时发动机带动发电机发电，所发的电能不足以满足车辆驱动所需，需要从动力电池放电，供驱动电机驱动车辆行驶。

对于中速低扭的④区，多采用混合驱动模式，此时轮端的功率需求较小，发动机的工作点效率较低。通过增加发动机的功率，一部分满足轮端的需求，另一部分功率给电池充电。

对于中速、中小扭矩的⑤区，此时轮端需求正好能落在发动机的高效区，所以采用发动机直接驱动的工作模式。

对于中速、中高扭矩的⑥区，采用混合驱动模式，同时电池放电，以满足轮端的需求。

对于中高速、大扭矩的⑦区，采用功率分流模式。

4 仿真与集成分析

4.1 仿真分析匹配2. 0TM 发动机，混动系统的参数见表3。

基于某款大型SUV 的HEV 车型，进行了初步动力性和经济性的仿真，并与丰田THS 系统做了对比。仿真结果见表4，NDPC 系统与丰田THS 系统的动力性与经济性仿真结果相当。但是与常规车相比，NDPC 系统的整车成本增量约为THS 系统的40%，该构型去掉3个制动器，可作为最简单的增程结构，成本也进一步降低。

4.2 机电耦合系统集成

为实现整车性能提升和成本降低，机电耦合系统产品正向高速、高压、高效率和集成化发展。具体体现如下:

( 1) 通过电机的高速化，提高电机的功率和扭矩密度，减少电机的材料用量，从而降低电机的成本。

( 2) 电机采用扁线绕组，可有效提高槽满率，减小电机体积、电机质量，从而提高电机功率密度。

( 3) 采用SIC 的IGBT 和双面冷却技术，可以有效提高电机控制器的效率。

( 4) 采用油冷电机技术，进一步提高系统的效率。

( 5) 将电机、传动系统、电机控制器、DCDC 等零部件高度集成于一体，可以减小系统质量，也可节约系统的成本。

基于以上设计思路，对文中所设计的混合动力机电耦合系统做了概念数据设计，方案如图10 和图11 所示。

5 结论

基于国家制定的2030 年实现碳达峰、2060 年实现碳中和的目标，汽车工业面临巨大压力的同时，给了混合动力汽车很大的发展空间。目前国内各汽车企业都在加紧开发各自的混合动力机电耦合系统，如广汽的G-MC混动系统、上汽的EDU 混动系统、长城的柠檬混动系统、比亚迪的EHS 混动系统等。

但是怎样提高产品的性能、节约系统的成本、提升产品的竞争力是各汽车企业面临的重大问题。而混合动力的机电耦合系统方案对系统的性能、成本、竞争力具有重要影响。文中提出了一种新型机电耦合系统方案，该系统方案包含了串联和功率分流两大工作模式，具备本田i-MMD混动系统和丰田THS 混动系统的两种特点。利用合理的模式控制策略，可有效避免本田i-MMD混动系统高速高扭工况效率低和丰田THS 系统高速低扭工况功率回流的一些问题，为混合动力的机电耦合系统开发提供了一种解决方案。