汽車混合動力新架構(gòu)：雙電機全功能混合動力系統(tǒng)全解析

　　隨著地球環(huán)境每況愈下，新能源汽車行業(yè)蒸蒸日上，全球汽車企業(yè)紛紛推出各種新能源汽車，最近大眾、通用、本田、寶馬以及比亞迪、吉利等也紛紛推出混動車型，可以說混動進入了百家爭鳴的時代，發(fā)展混合動力汽車的動力系統(tǒng)主要趨勢。前提是選擇性發(fā)展的基于這些新能源技術(shù)有著高效的能耗管理系統(tǒng)，尤其是代表中小型車新能源發(fā)展趨勢的混連式技術(shù)。

　　混聯(lián)式技術(shù)需要精細化的能耗管理，將發(fā)動機更長時間維持在高效率區(qū)間運轉(zhuǎn)，以及高效、充分的回收減速和制動的能量?；炻?lián)式裝置包含了串聯(lián)式和并聯(lián)式的特點。混合動力的出現(xiàn)就是把發(fā)動機低負荷工況下的剩余能量儲存在電池里，然后在車輛運行在高負荷工況時通過電機釋放出來，從而實現(xiàn)發(fā)動機盡可能多的在高效工況下運行，達到降低油耗、節(jié)能減排的初衷。對于混合動力汽車來說，離合器、變速器、傳動軸、差速器都是必不可少的，而這些部件不但重量不輕、讓車輛的結(jié)構(gòu)更為復雜，同時零部件越多存在故障率高的問題。

　　在混動技術(shù)從豐田的混動是靠單排行星輪開始，雄霸混合動力汽車十多年，豐田只采用了一個行星齒輪組，現(xiàn)弱混合動力系統(tǒng)是將電機與曲軸直接連接，這種系統(tǒng)也意味著無法純電動行駛，弊端是發(fā)動機和電動機無法保證同時在最佳工況時工作。本田的混動就是“串聯(lián)+發(fā)動機直驅(qū)”加上離合器，這套機構(gòu)的原理倒為簡單，粗暴復雜化，僅僅是在傳統(tǒng)發(fā)動機和傳統(tǒng)變速箱之間埋一個電機的做法肯定是不夠的。而通用的混動技術(shù)則是集合了兩家之所長但又相對復雜。它是由兩組電機、兩組行星輪和三組離合器組成。主要有四種動力輸出方式，純電動模式（低負荷工況），混合驅(qū)動模式（常規(guī)行駛），混合驅(qū)動模式（中高速），制動發(fā)電模式（減速—剎車）。一直都是用的兩個行星系齒輪，并輔以三個離合器。聽上去很復雜，其實也真的復雜。

　　對于插電式混合動力確認為新能源車汽車可通過電網(wǎng)獲取電能充電具有高效節(jié)能、排放低、續(xù)航里程長等優(yōu)點而成為各大汽車公司研發(fā)的熱點，被視為目前最具有應(yīng)用前景的新能源汽車，這個可從電網(wǎng)獲取電能充電，雖然只是這么一點簡單的改變，傳統(tǒng)混合動力汽車只能稱為節(jié)能汽車，而插電式混合動力汽車可以稱為新能源汽車，對于控制電機的可靠性、功率與運行精度要求也非常高是一款雙行星輪系雙電機混合動力系統(tǒng)，這樣的多種工作模式、精細控制帶來的最直接的好處，混合動力、增程器、純電動汽車等新技術(shù)混合動力技術(shù)領(lǐng)域的增程式混動車型，使得混合度化不斷加強。發(fā)動機和電池電機各有所長，我們想辦法把發(fā)動機盡可能固定在最低燃耗的轉(zhuǎn)速，在額外需要動力的時候善用電池電機的高扭矩輸出特性，二者有效結(jié)合。

　　綜上所述，要多功能、多用途，輕混、深混、挿電、純電動覆蓋全功能的跨界車，混合動力電動汽車的動力系統(tǒng)離不開雙行星輪系架構(gòu)，它具有減速、多動力耦合、還具有離合器的作用，用鎖止制動器就能達到的作用，只要恰當?shù)厥褂面i止制動器，整體自動變速混合系統(tǒng)可以得到多個的解決方案。在電動汽車多電機多擋位自動變速系統(tǒng)的實施中，復雜的結(jié)構(gòu)改為簡單造，驅(qū)動模式具有多用途。下面嘗試運用電動汽車多電機多擋位自動變速系統(tǒng)在混合動力電動汽車的動力系統(tǒng)中。將發(fā)動機主軸與第一級行星輪系中的內(nèi)齒圈輪相聯(lián)接，第一級星輪架的聯(lián)軸與第二級行星輪系中的太陽輪相聯(lián)接，MG1電機/發(fā)電機與第一級行星輪系中的太陽輪相聯(lián)接，MG2電機與第二級行星輪系中的內(nèi)齒圈輪相聯(lián)接，第二級行星輪系中星輪架與輸出軸差速器相聯(lián)接，由此組成雙電機全功能混合動力系統(tǒng)，在不同的驅(qū)動模式中得到以下功能：

　?、?MG1電機/發(fā)電機啟動發(fā)動機與發(fā)電模式

　　放開S1、S4，鎖止S2，S3，使得第一級行星輪系中的星輪架與第二級行星輪系中的太陽輪相聯(lián)接的傳動軸固定不轉(zhuǎn)動，開啟MG1電機/發(fā)電機，太陽輪齒輪轉(zhuǎn)動傳送行星輪齒輪，行星輪齒輪帶動齒圈至發(fā)動機啟動，發(fā)動機轉(zhuǎn)動之后MG1電機/發(fā)電機可以發(fā)電，對電池組進行充電，發(fā)動機可設(shè)定在最佳轉(zhuǎn)速、最佳扭矩和最佳油耗狀態(tài)下工作。

　?、?MG1電機/發(fā)電機、發(fā)動機混合變速驅(qū)動模式

　　按第一項啟動發(fā)動機后，鎖止S3，放開S4，MG1電機/發(fā)電機反轉(zhuǎn)速度與發(fā)電時的速度相對一致，發(fā)動機都參與起步，完全規(guī)避了發(fā)動機中低速的運轉(zhuǎn)區(qū)間，在發(fā)動機保持發(fā)電恒定的轉(zhuǎn)速下，MG1電機/發(fā)電機將反向速度逐漸降低至零隨即正向轉(zhuǎn)動，通過與發(fā)動機同時驅(qū)動或加速通過聯(lián)軸傳至輸出軸差速器驅(qū)動車輪。汽車就起步了，MG1電機/發(fā)電機從反轉(zhuǎn)速度逐漸降低至零再轉(zhuǎn)化為正轉(zhuǎn)而且不斷提高轉(zhuǎn)速，這就是汽車加速的過程。在對加速性要求不太高的場合，汽油發(fā)動機和電動機耦聯(lián)工作，提供可與汽油發(fā)動機相當?shù)能囕v起步性能。在制動時MG1電機/發(fā)電機能大部分回收這些能量，并將其暫時貯存起來供加速時再用，又能在高速狀態(tài)下獲得更加出色的加速性能。從而更有效地利用發(fā)動機高效工況，達到更省油的目的。

　　⒊ MG2電機、發(fā)動機混合變速驅(qū)動模式

　　按第二項啟動發(fā)動機后，S1、S2、S3、S4全放開，MG1電機/發(fā)電機反轉(zhuǎn)速度與發(fā)電時的速度一致，在發(fā)動機保持發(fā)電的轉(zhuǎn)速，將MG1電機/發(fā)電機反轉(zhuǎn)速度逐漸降低至零即把S4鎖止，此時發(fā)動機驅(qū)動車輛行進中，在MG1電機/發(fā)電機反轉(zhuǎn)速度逐漸降低至零同時，MG2電機也從靜止不斷提高轉(zhuǎn)速，汽車開始加速。此后，MG2電機、發(fā)動機混合變速驅(qū)動汽車。這是高速路況下，雙動力直接驅(qū)動車輛，可以一直工作在最佳工作狀態(tài)，在制動時MG2電機能大部分回收這些能量，并將其暫時貯存起來供加速時再用，沒有功率浪費的問題。

　?、?強混模式雙電機多擋位發(fā)動機混合變速驅(qū)動

　　按第一項啟動發(fā)動機后，S1、S2、S4全放開，繼續(xù)鎖止S3，使得第一級行星輪系中的星輪架與第二級行星輪系中的太陽輪相聯(lián)接的傳動軸固定不轉(zhuǎn)動，切斷兩級行星輪系的關(guān)聯(lián)，使各自運轉(zhuǎn)。在MG1電機/發(fā)電機反轉(zhuǎn)速度與發(fā)電時的速度一致，在發(fā)動機保持發(fā)電的轉(zhuǎn)速，將MG1電機/發(fā)電機反轉(zhuǎn)速度逐漸降低至零隨即正向轉(zhuǎn)動，同時，MG2電機也從靜止不斷提高轉(zhuǎn)速（放開S3），汽車開始加速。在整個過程，通過MG1電機和MG2電機分別呈相反方向旋轉(zhuǎn)來驅(qū)動車輛起步，雙電機與發(fā)動機同步急加速的時候，電動機和發(fā)動機可以一起驅(qū)動車輪，實現(xiàn)最大動力輸出。MG1電機/發(fā)電機配置功率比MG2電機功率小，而兩電各自有合適的傳動比，再加上兩種耦合的疊加傳動比，即可有多個擋位使用，毎個擋位都能功率與速度的對應(yīng)，各電機在高效區(qū)轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)使用，物盡其用，能量回收盡可能在高效區(qū)，續(xù)航里程大幅提高。在此模式中雙電機和發(fā)動機可共同參與加速、加速度也是最大，加速時間最短，超加速能力最強，同時可達至最高速。隨外界的負荷變化，讓電動機的驅(qū)動力與行駛阻力始終保持平衡，從而在高效率區(qū)工作。動力系統(tǒng)更加靈活地根據(jù)工況來調(diào)節(jié)內(nèi)燃機的功率輸出和電機的運轉(zhuǎn)。全功能混合動力技術(shù)還是目前最新的混動技術(shù)，可靠性也更高。電控系統(tǒng)通過扭矩傳感實時探測車輛行駛的工況，來判斷發(fā)動機是否需要參與驅(qū)動，從而決定是采用純電驅(qū)動、混合驅(qū)動還是發(fā)動機直驅(qū)的模式來精細化管理能耗，并且不受車輛行駛速度的限制，又能在高速狀態(tài)下，對經(jīng)濟性帶來更大的提升，同時也能獲得更加出色的加速性能。從而更有效地利用發(fā)動機高效工況，達到更省油的目的。是一種比較完美的組合。

　　5. MG1電機/發(fā)電機純電動驅(qū)動模式

　　S2、S4放開，鎖止S1、S3，由MG1電機/發(fā)電機啟動、停止、速度的快慢，制動回饋發(fā)電，并將其暫時貯存起來供加速時再用。功率在合理傳動比中運行。MG1電機/發(fā)電機配置功率比MG2電機功率少，特別適合在城市的道路上，在對加速性要求不太高和輕載的場合，車多、人多、速度慢、紅綠燈更多頻繁啟停的道路上行駛。

　?、?増程式發(fā)電、MG2電機純電動驅(qū)動模式

　　對于增程式技術(shù)未來的發(fā)展命運，現(xiàn)在從學界到業(yè)界尚有爭議。增程式技術(shù)的出現(xiàn)是對新能源汽車行駛里程不足的補充，爭議的關(guān)注點聚焦在增程技術(shù)是否環(huán)保，以及隨著動力電池技術(shù)的進步，增程技術(shù)會否失去存在的價值等。是否要將增程技術(shù)定位為過渡技術(shù)也值得思考。如果將增程式作為獨立的發(fā)展方向，那么它的發(fā)展前景在哪里。這些問題需要技術(shù)研發(fā)回答，實用的雙電機多擋位發(fā)動機混合動力變速驅(qū)動的增程模式。

　　按第一項啟動發(fā)動機后，MG2電機從靜止不斷提高轉(zhuǎn)速，汽車開始加速。S3是保持鎖止狀態(tài)，即兩組行星輪系動力相隔開，MG1電機/發(fā)電機發(fā)電與MG2電機驅(qū)動互不干擾，啟動、停止、速度的快慢，整個行駛過程由MG2電機驅(qū)動，中高速時使用回饋制動由MG2電機回收，向電池組充電，并將其暫時貯存起來供加速時再用。通過控制系統(tǒng)優(yōu)化，可以讓發(fā)動機一直工作在最佳轉(zhuǎn)速，即使在充電不便時，市內(nèi)堵車路況下油耗也比較低，也可以控制發(fā)動機噪音到非常小。在增程模式下，沒有“里程焦慮”，而且發(fā)動機可以一直控制在最佳轉(zhuǎn)速，油耗低，噪音小，振動小便能使發(fā)動機一直保持在最佳工況狀態(tài)，動力性好，排放量很低。而且電能的來源都是發(fā)動機，只需加油即可。

　　7. 雙電機多擋位變速驅(qū)動純電動模式

　　熟悉純電動汽車的消費者會明白，純電動汽車在中低速下的性能十分優(yōu)異，安靜、經(jīng)濟、性能，但到了高速，純電動汽車的性價比就會變的很低，阻力的增加讓純電動汽車的電量消耗速度成倍數(shù)增加。

　　MG1電機/發(fā)電機與第二級行星輪系中星輪架與輸出軸的傳動比是MG2電機與第二級行星輪系中星輪架與輸出軸的傳動比大，MG1電機/發(fā)電機MG2電機共同參與起步并根據(jù)不同需要，采用不同擋位行駛，四種狀態(tài)分別為；MG1電機/發(fā)電機反轉(zhuǎn)和電MG2機正轉(zhuǎn)、MG1電機/發(fā)電機正轉(zhuǎn)、電MG2機正轉(zhuǎn)、MG1電機/發(fā)電機和電MG2機正轉(zhuǎn)?？梢詫崿F(xiàn)較高的傳動效率和更多的擋位及更寬泛的傳動比，這樣可以降低對MG電機功率及速度等級的要求。爬坡有力，中高速夠勁。

　　熟悉純電動汽車的消費者會明白，電動機在剛起步的時候就可以輸出最大的啟動扭矩，純電動汽車在中低速下的性能十分優(yōu)異，安靜、經(jīng)濟、性能，但到了高速，純電動汽車的性價比就會變的低，伴隨轉(zhuǎn)速的逐漸升高扭矩反而是呈衰減的趨勢，阻力的增加讓純電動汽車的電量消耗速度成倍數(shù)增加。在汽車處于加速或者大負荷工況時，

　　在這系統(tǒng)裝置中，MG1電機/發(fā)電機與第二級行星輪系中星輪架與輸出軸的傳動比是MG2電機與第二級行星輪系中星輪架與輸出軸的傳動比大，在不中斷動力的情況下，這套自適應(yīng)系統(tǒng)隨外界的負荷變化，讓電動機的驅(qū)動力與行駛阻力始終保持平衡，從而高效率工作。MG1電機/發(fā)電機MG2電機的組合可以獲得三個擋位，每個都有相對應(yīng)的傳動比，爬坡有力，中高速夠勁。兩臺電機可以一起工作，兩者功率加起來具有非常好的起步和加速性能。

　　8. 純發(fā)動機驅(qū)動

　　在電池組電力不足，為了避免電池組電量過度損耗功率閾值，電池失效的速率而不用電機驅(qū)動，在公路上巡航時使用汽油發(fā)動機該模式，在時速40KM/H以上手動擋的汽車司機都知道，到達該速度以上，巳是推到最高的擋位。讓發(fā)動機直接驅(qū)動，可以一直工作在最佳工作模式，沒有功率浪費的問題。制動時根據(jù)速度的不同，MG1電機/發(fā)電機MG2電機分別或共同回饋發(fā)電，并將其暫時貯存起來供加速時再用。

　　發(fā)動機雙電機多擋位混合動力變速驅(qū)動該技術(shù)避免使用體積大的離合器，采用相對耐用的鎖止制動器，有效地減少了零部件的數(shù)量和重量，更減少了日后維修的次數(shù)與時間。在不同擋位、八種模式轉(zhuǎn)換行駛采用最為簡單的結(jié)構(gòu)，無論電氣系統(tǒng)、液壓控制系統(tǒng)可得到最簡的配置，各種狀態(tài)在適用范圍內(nèi)發(fā)動機、電機分別都能在高效區(qū)內(nèi)工作，動力系統(tǒng)可以更加靈活地根據(jù)工況來調(diào)節(jié)內(nèi)燃機的功率輸出和電機的運轉(zhuǎn)?？刂破骺梢货矶偷仉S心所欲并根據(jù)不同需要駕馭車輛，驅(qū)動系統(tǒng)在深度集成化配合智能化的電控策略后，擁有更強的拓展性，適用于HEV/PHEV/EREV等多種類型混合動力，這是現(xiàn)代車最需要的，髙性能的混合動力總成，是一種比較完美的組合。若增配衛(wèi)星摩擦環(huán)型無級變速器更是如虎添翼。

　　從理論上看，發(fā)動機雙電機多擋位混合動力變速驅(qū)動拿出了史上運用最全面，合成最強的混合動力技術(shù)已經(jīng)可以有與日系混動和通用的混動技術(shù)分庭抗禮的資本。此項混動技術(shù)實力，以洪荒之力從容面對越來越嚴格的各類排放法規(guī)。