主流双电机混合动力系统对比分析

2021年8月5日汽车技术评论2,103阅读模式

本文以丰田 THS、通用 Volt、本田 i-MMD、上汽EDU 四大构型，两大类（动力分流，串并联）为例，对目前市场上主流双电机混合动力系统的构型、特点等加以简要对比分析。

一、主流双电机混动系统对比分析

自1997年日本丰田汽车公司推出第一代双电机混合动力系统的普锐斯以后，其新颖的构思、不俗的动力、超低的油耗、优越的驾驶感受引起了世界同行的关注，同时也掀起了汽车行业开发双电机混合动力汽车的浪潮。

之后，通用 Volt、本田 i-MMD、上汽 EDU 等双电机混动系统相继问世，现就市场上几款主流双电机混合动力车型参数（表 1 信息源于网络公告）及其搭载的双电机混合动力系统（表 2 图片源于网络）做简要的统计对比及优缺点分析。

表 1 主流混合动力车型参数对比

表 2 主流混合动力系统及功能对比

对比整车参数来看，这几款双电机混合动力车均为中型车，综合油耗在 4.1～5.88L/100km，比同级别燃油车节油率均在 30%以上（综合油耗），燃油经济性十分亮眼；百公里加速时间在 8.13～9S 之间，相较于同级别燃油车动力性也均有不同程度的提高。

从这四款车型搭载的双电机混合动力系统（表 2）来看，四种构型都有各自的优点及不足：

1. 结构简易程度：

就国内目前的工业水平，平行轴式轴齿相较于行星排，设计、工艺更简单，继承性更好，资源更容易获得，因此平行轴式布局结构在国内应用更广泛一些。

由表 2 对比信息可知，通用 Volt 耦合部件采用两组行星排、一组制动器、一组离合器组合搭配，在四种构型中最为复杂；本田 i-MMD 发动机和驱动电机各只有一档平行轴减速齿轮，一组离合器，其结构最为简单。

2. 控制简易程度：

在混合动力系统中，需要控制的元件有发动机、电机、离合器、制动器等。行星排（动力分流）结构，是通过发动机、电机、输出元件的杠杆平衡原理（后文中以 TSH-Ⅳ为例做简要介绍）进行控制调节，再控制离合器、制动器配合完成系统工作，控制难度相对较大。平行轴式结构为定速比调节，系统工作主要在于换档过程的控制，相较于行星排结构系统控制简单很多。

3. 速比调节简易程度：齿轮副正确啮合条件：

式中 mn、mt、αn、β 分别为齿轮法向模数、端面模数、法向压力角、螺旋角。由齿轮副正确啮合条件（1）、（2）、（3）可知，在布置空间受限的条件下，同一级减速齿轮中，同时啮合的齿轮数越多，齿轮参数就越难调整，速比也就越难调节。

表 2 的四种构型中，只有上汽 EDU 构型没有出现同级减速中三个以上（含三个）齿轮同时啮合的情况，因此，上汽 EDU 构型的速比更容易调节。

4. 换档动力中断：

换档动力中断（换档顿挫感）是驾驶平顺性的一个重要评价指标， AT/DCT 可以通过换档时合理控制制动器、离合器的滑摩，尽可能降低换档顿挫感；CVT 是真正意义的无极变速器，无固定的速比极差，因此无换档动力中断。而 AMT/MT 变速器内部无滑摩离合器，不可避免的会出现换档顿挫。

丰田 THS、通用 Volt 为 ECVT，可实现无极变速；本田 i-MMD 发动机和电机各只有一档，只要控制好纯电行驶和发动机介入的模式切换过程，就不会有换档顿挫。

上汽 EDU变速器本体为 AMT，且不具备换档动力补偿功能，因此，换档动力中断是其不可回避的硬伤。

5. 驱动电机效能的发挥程度：

在整车性能需求（动力性、最高车速）不变的情况下，两档变速器与一档变速器相比，可降低整车性能对驱动电机的最大扭矩和最高转速的需求，收窄电机工作区域，使其更大程度的工作在高效区（图 2）。本田 i-MMD 驱动电机只有一档，在能效发挥上会受到一定限制。

图 2 电机需求对比

二、主流双电机混动系统工作原理介绍

目前双电机混合动力系统千差万别，市场主流构型可归结为两大类：

一类是以丰田THS、通用Volt为代表的动力分流式（行星排结构），另一类是以本田i-MMD、上汽 EDU 为代表的串并联式（平行轴结构）。

1. 动力分流式：以丰田THS-Ⅳ系统（图3）为例说明。

图3 THS-Ⅳ结构布局

结构布局：发电机与发动机通过单排行星排同轴布置。发电机与太阳轮固连，发动机与行星架固连，行星排系统动力通过齿圈输出；驱动电机与行星排机构平行布置。行星排输出动力与驱动电机输出动力通过输出轴汇合，最终由差速器传递给车轮。

图 4 THS-Ⅳ功能分析

工作原理（图 4）：行星排特性系数为：α=ZR/ZS （4）

式中 ZR、ZS 分别为齿圈与太阳轮的齿数；

单级行星排运转特性方程：

ωS+α×ωR-（1+α）× ωC=0 （5）

式中，ωS、ωR、ωC 分别为太阳轮、齿圈、行星架的角速度；

某一瞬态下，单级行星排系统扭矩处于平衡状态，其平衡方程为：

TS+TR+TC=0 （6）

式中，TS、TR、TC 分别为太阳轮、齿圈、行星架传递的扭矩；

现以THS-Ⅳ系统的第一种工况（纯电起步 & 低速纯电行驶）为例，对动力分流混合动力系统的工作原理进行说明。

①纯电起步工况：驱动电机EM2输出扭矩TEM2克服输出轴静态阻力矩 Tf，使输出轴产生角加速度，驱动车辆起步。

此外，由行单级星排系统扭矩平衡方程式（6）可知，与太阳轮固连的发电机 EM1 输出扭矩 TS、与发动机固连的行星架上的作用扭矩 TC、齿圈上的作用扭矩 TR（等于 EM2 输出扭矩 TEM2 与输出轴阻力矩 Tf 的矢量和）三者平衡，既 TC=–（TS+TR）。

若TC小于发动机的静态阻力矩TC0，则发动机不会产生角加速度，即发动机转速维持在零点；若TC大于发动机静态阻力矩TC0，则发动机将被拖动而产生转速波动，即 ωC≠0，由单级行星排运转特性方程（5）可知，此时会引起齿圈转速变化，进而引起输出端的输出平稳性。

因此，在实际控制过程中需实时调整发电机 EM1 的输出扭矩 TS 与齿圈的作用扭矩TR，使作用在行星架上的扭矩 TC 始终小于发动机静态阻力矩 TC0，以保证行星架转速控制在零点附近。

②低速纯电行驶工况：通过控制发电机 EM1 的输出扭矩 TS 与齿圈的作用扭矩 TR，可使纯电加速过程中行星架转速始终维持在零点，随着车速增加，输出轴的阻力矩 Tf 也随之增加，直至驱动电机 EM2 的输出扭矩TEM2 与输出轴的阻力矩 Tf 相平衡，行星排系统杠杆位置保持稳定状态，系统进入匀速纯电动行驶模式（为简化分析模型，忽略各原件转动惯量及摩擦损耗的影响）。

其他工况模式控制原理基本相同，此处不再赘述。

2.串并联式：以本田 i-MMD 为例，对串并联式混合动力系统进行说明。

结构布局：发动机 ICE 与驱动电机 MG2 各只有一档，且发动机档位与驱动电机档位并联布置（见图5）。

图5 本田 i-MMD 结构布局

驱动电机 MG2 通过减速机构可直接驱动车轮；发动机ICE 输出曲轴与发电机 MG1 通过减速齿轮并联后，经过离合器 K0 与减速机构耦合，进而驱动车轮。

工作原理：本田 i-MMD 系统虽然结构简单，但可实现“怠速发电、EV 行驶、串联驱动、并联驱动、发动机直驱、制动能量回收”等混合动力系统的所有功能模式（如图 6，依据结构及实车功能分析绘制）。

图6 本田 i-MMD 系统模式分析

①怠速发电模式：动力电池 SOC 低于设定值，车辆无起步需求或因动力电池电量过低无法起步时，系统启动怠速充电模式，此时整车处于停止状态，离合器K0断开，驱动电机MG2不工作，发动机输出动力通过减速齿轮带动发电机MG1发电，将发出的电能储存于动力电池中，以补充动力电池电量。

②EV行驶模式：动力电池SOC值能够满足驱动电机MG2驱动整车所需的功率时，系统不启动发动机，离合器K0断开，此时系统中只有驱动电机MG2工作，驱动车辆行驶。

③发动机直驱：车辆处于高速巡航时，若动力电池SOC不足以供驱动电机MG2驱动车辆高速行驶，此时车辆对转速和扭矩的需求基本处在发动机Map高效区，系统会选择发动机直接驱动车辆行驶，避免应用串联模式而降低动力系统效率。该模式下，驱动电机MG2不工作，K0离合器接合，发动机输出动力经减速机构后，直接驱动车辆行驶。MG1电机随时调节发动机负荷，使发动机一直在最高效区域内工作。

④混动行驶（串联模式）：动力电池SOC值能够满足驱动电机MG2驱动整车所需的功率，且工况未满足发动机直驱的条件时，此时系统选择断开离合器K0，发动机ICE输出动力带动发电机MG1发电并储存于动力电池，以补充动力电池SOC值，进而为驱动电机MG2驱动车辆行驶提供电能。

⑤混动行驶（并联模式）：车辆遇到“急加速、爬陡坡”等极端工况时，驱动电机 MG2或发动机ICE任何单一动力不足以满足车辆所需的扭矩或功率，系统选择驱动电机和发动机同时工作。此时，离合器K0接合，发动机ICE输出动力经离合器K0 后，与驱动电机MG2输出的动力耦合后共同驱动车辆行驶，以应对车辆极端工况对动力的需求。

⑥制动能量回收：驾驶员全收油门溜车或踩下制动踏板时，系统判断驾驶员有减速意图，此时离合器K0断开，MG2电机作为发电机，提供负扭矩为车辆减速，并将制动能量转换成电能储存于动力电池中。