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功率分流式(PS)混动构型

2019-08-03 09:06
Vehicle攻城狮
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有段时间没更混动相关的话题了,之前楼主的几篇主要介绍了混动的分类、构型和48V相关的。但混动这么多,从技术的可靠性、成熟度及最重要的成本和节油效果来说,混动只有两种:一种是丰田混动,另一种是其他混动。这句话足以体现日本车企在混动方面的造诣,除了丰田,本田在这块也玩的蛮溜的,例如本田的i-MMD和i-DCD混动方案。在楼主《浅谈混合动力构型》那篇中,主要介绍了P0~P4构型的混动系统,基本没涉及PS(功率分流式)的,因为PS跟我们常说的P0~P4构型还是有很大差异的,而在PS这块,日本车企有着绝对的技术优势,如丰田的THS和本田的i-MMD都可归类于PS式,因此,这篇楼主想对THS和i-MMD这两种功率分流式的混动方案做些简单介绍。

01

丰田THS

丰田混动系统从1997年第一代普锐斯推出到现在已有四代(这里插播一段普锐斯的发展史,在第31届东京车展,普锐斯概念车首次推出;1997~2003年,第一代普锐斯;2003~2009年,第二代普锐斯;2009~2015年,第三代普锐斯;2015年至今,是第四代普锐斯)。搭载在第一代普锐斯的混动系统即为大名鼎鼎的THS(Toyota Hybrid System),后续由于这套混动系统不断得到改良并被采用在其他车型上,如丰田、汉兰达、雷克萨斯上,因此后续版本都被称为Hybrid Synergy Drive(HSD),因此它有时也被称为THS II。

但不管这套系统如何改进,传动系统依然具有相同的基本特征:系统由两个Motor Generator(分别是MG1和MG2)及行星齿轮系构成,行星齿轮系即为所谓的动力分配单元(PSD-Power Split Device);因此HSD作为丰田开发的一套混动技术,结合了电驱动和无极变速器,丰田也将配置HSD的车型号称为E-CVT配置,所谓的E-CVT即为上面所述的PSD。

THS最核心的部件就是这个PSD,与传统变速箱相比,这套PSD可能非常简单,但实际的效果却非常强大,可能正应验了那句越完美的东西就应越简单,苹果教主乔布斯的极简主义这正是如此。

如上图所示:这套PSD包括外齿圈(Ring Gear)、行星齿轮架(Planet Carrier)和太阳齿轮(Sun Gear),外齿圈与MG2相连,太阳齿轮与MG1相连,行星架与内燃机相连,其中两个Motor Generator的属性如下:

PSD有四个可自由自转或公转的行星齿轮,当齿圈固定不动(停车状态)时,若MG1带动太阳齿轮自转,可带动行星齿轮公转从而带动行星架转动(即启动发动机过程)。

当行星齿轮自转,MG2带动齿圈正转,太阳齿轮可反转;反之,MG2带动齿圈反转时,太阳齿轮可正转。此外,当外齿圈与太阳齿轮同向转动时,行星齿轮又可进行公转。仔细研究后,你会发现这套PSD的运作之美,而正因此巧妙的设计,才实现了发动机、电机和车轮之间互不干扰的运作,从而省去了离合器。最终的结果就是:这套PSD可如CVT一样实现无极变速,外齿圈、行星齿轮架及太阳齿轮三者之间的转速、扭矩及功率会具有如下特性关系:

PSD的传动比是如何计算的?各齿轮之间的转速关系又是如何推导出来的?对于这些问题,起初楼主也挺懵逼,但看了下面这个视频后就豁然开朗了。

通过上面这个视频,再根据这套THS固定的齿数(ZR=78  ZS=30),我们可得到相互之间的传动比及转速关系,如下:

举个例子,当汽车以Hybrid模式工作行驶时,若车速为75,此时外齿圈、行星齿轮架(即发动机转速)和太阳齿轮三者的转速将会分别如下:

其次,当发动机运转时根据上面的公式,分配给太阳齿轮和外齿圈的扭矩也是一定的,分别是28%(1/3.6)和72%(2.6/3.6),只要发动机做功就不会改变此基本事实。因此在实际运作过程中,主要就是控制这三者之间的转速,最终可实现汽车的无极变速,但汽车在行驶时工况很多,虽然PSD在机械结构上会很简单,但控制策略却非常复杂。下面选几个工况代表性的说下这套THS的工作模式。

1、怠速充电模式

在停车状态,若电池SOC过低需要进行充电时,此时MG1作为起动机将发动机启动;等发动机启动成功后MG1会转为发电模式,由发动机带动MG1进行发电为电池充电。

2、起步

在起步阶段,由于发动机工作在低效率区,因此不会参与车辆的起步,此时主要是MG2作为车辆前进的动力源。

3、发动机参与的工况

当在高速巡航或加速工况,发动机此时效率很高。其产生的能量一部分可用于驱动车辆,另一部分则可带动MG1,此时MG1可直接向MG2提供电能也可用于电池充电。

在发动机参与工作时,MG1和MG2的工作状态可分为如下三种情况:

3.1  Cruising: ICE Power

此时,ICE产生的功率一部分直接用于驱动车辆,另一部分将分配给MG1用于发电,MG1所发的电能直接供给MG2工作,MG2发出的力将加载到驱动轴上来辅助发动机驱动车辆。

3.2、Full Acceleration: ICE Power + Battery Power

当有大的加速需求,如爬陡坡等工况时,此时在3.1的基础上,额外需要电池供电给MG2使用来进一步提高此时的动力需求。

3.3 Cruising: ICE Power + Battery Charging

此工况也是在3.1的基础上,若此时电池SOC过低,同时又不需要更多额外动力,那么发动机发出的功率一部分将会直接用于驱动车辆,而另一部分则用于MG1发电,但MG1所发的一部分给MG2使用,另一部分则用于电池充电。

4、减速和制动工况

此时THS系统将会进行制动能量回收,当制动时,汽车的惯性能量将被转化为电能,此时MG2作为发电机为HV电池充电。

相比第一代THS,后续的版本都是对之前的改进和加强,例如采用集成度更高、功率更高的电机,其次第一代和第二代外齿圈与车轮之间是通过链条传动,后续都改为减速齿轮等。总之系统改进上更加紧凑和高效,楼主在此就不详细对比了,因为基本工作原理都是一样的,下面是目前的THS II的结构和构成:

02

本田i-MMD

本田地球梦愿景下,主要有三套混动系统:单电机的i-DCD、双电机的i-MMD和三电机的SH-AWD,并分别在低端、中端和高端车中使用。

本田i-MMD主要由一个驱动电机(即可作为驱动电机也可作为发电机)、一个发电机(主要作为发电机)和一个电动CVT构成。

本田i-MMD工作模式主要有三种:纯电动驱动模式(EV Drive Mode)、混动驱动模式(Hybrid Drive Mode)和发动机驱动模式(Engine Drive Mode),与THS相比,虽都有混动驱动模式,但在i-MMD上,当车辆工作在混动驱动模式时,发动机只是驱动发电机给电池充电或直接驱动发电机给驱动电机用,实际的驱动依然只是驱动电机,而THS在混动驱动模式下,发动机和MG2可共同出力驱动汽车;另外,THS没有纯发动机驱动模式。

EV Drive Mode:与发动机相连的离合器会脱开,电池给驱动电机供电,驱动电机负责驱动车辆行驶。

其中驱动电机的特性如下:

制动能量回收模式:在此模式下,,与发动机相连的离合器会脱开,驱动电机则工作在发电机模式进行制动能量的回收给电池充电。

Hybrid Drive Mode:在此模式下,与发动机相连的离合器会脱开,发动机驱动发电机给电机供电,只由驱动电机驱动车辆行驶(系统类似于串联式),若发电机提供的电能高于驱动电机所需,则发电机会把多余的电能用于给锂电池充电。当发电机提供的电能低于驱动电机所需时,额外的电能将由锂电池提供。

Engine Drive Mode:在此模式下,与发动机相连的离合器会结合,此时系统工作在并联混动模式下,车辆由发动机直接驱动,而电机则起到动力辅助或发电的作用,当车辆需要额外的扭矩输入时,该电机将起到动力辅助的作用,而当在减速制动时,则会回收能量用于给锂电池充电。

此外本田还有具有Pulg in配置的i-MMD

下图更加详细的表示了在不同工况下,i-MMD不同驱动模式间的切换。

从上图可看到EV Drive Mode主要在起步以及低速低负荷时会启用,以避免发动机因工作在低负荷区造成燃油经济性的下降。在低速巡航阶段也可能工作在Hybrid Drive Mode ,比如当以EV 模式持续工作在低速巡航阶段,电池电量会逐渐被耗尽,此时需要启动发动机给电池充电。在从低速向高速急加速的阶段,会工作在混动模式,但此时驱动电机的所需的电能来自电池和发动机带动的发电机两者来共同提供,以满足急加速过程电机所需的能量。而在高速巡航阶段,由于发动机此时效率会很高,因此主要工作在Engine Drive Mode。

下图是i-MMD  E/E架构图,从该图看的化还是挺复杂的,整套系统最核心就是其能量管理系统,该能量管理系统主要实现如下两个目标:

1、保证在车辆在所运行的每一个驱动模式下都能得到最高的燃油经济性。

2、为了最优的燃油经济性,使车辆在不同的驱动模式间进行平顺的切换并保证良好的驾驶性。

03

总结

从原理上来看,THS和i-MMD两者都是把电驱系统作为中低负荷的主要驱动力,以规避发动机工作在燃油经济性很差的区间。可实现电机直驱、发动机带动充电或制动能量回收等常见模式下。但THS主要采用不带离合器的行星齿轮系进行发动机、电机和发电机三者之间的耦合,因此相比带离合器的i-MMD,三者之间的协调和切换更加平顺。

声明: 本文由入驻维科号的作者撰写,观点仅代表作者本人,不代表OFweek立场。如有侵权或其他问题,请联系举报。

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