主流车企混动控制策略对比
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更新时间: 2023/02/13

现阶段,国际上主流车企的混动控制策略主要有功率分流式混动系统和串并联混动系统两大类。其中,功率分流混动系统根据其变速器的结构不同,又包括输入式功率分流系统(input split)、输出式功率分流系统(output split)和复合式功率分流系统(compound split)。



一、输入式功率分流系统


发动机的功率在输入端的行星齿轮上就被分为两个部分,这种功率在输入轴或输入端被分流系统被称为输入式功率分流系统。输入式功率分流系统主要典型代表为丰田的普锐斯,从1997年第一代正式推出到现在已经有四代了,既有混动版本又有插电版本。输入式功率分流混动系统由发动机(engine)、发电机(generator)、电动机(motor)和功率分流机构(power split device)四大部分组成。发电机、电动机及功率分流机构共同组成了混动变速器,安装在发动机的输出端。最新一代的普锐斯PHV在WLTC工况下(WLTC模式是一种国际运行模式,由城市、郊区和高速公路的运行模式组成,平均使用时间分布。城市模式假定行驶相对较慢,受信号和交通堵塞的影响,郊区模式假定行驶不受信号或交通堵塞的影响,高速公路模式假定在高速公路上行驶。)的综合油耗为30.3km/L,换算成百公里油耗为3.3L,油耗是非常的低。其中,城市工况油耗27.3km/L,换算成百公里油耗为3.66L;郊区工况油耗33.2km/L,换算成百公里油耗为3.01L;高速工况油耗30.0km/L,换算成百公里油耗为3.33L。


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功率分流机构是整个混动系统的核心部件,安装位置处于发电机和电动机之间,通俗点讲就是一个行星齿轮组,包含太阳轮、行星齿轮和外齿圈。四个行星轮围绕着一个太阳轮,同时被齿圈包围住,四个行星轮同时被一个齿架支撑着。由于发动机的功率在变速器的输入端(即齿架)被分流,因此这个系统被称为输入式功率分流。与传统变速箱相比,这套功率分流机构可能非常简单,但实际的效果却非常强大。


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输入式功率分流系统将发动机的功率在行星齿轮组的齿架上划分成两个部分——机械部分与电力部分,并传输至变速器出口,在此重新汇合,两个部分的总和始终为100%,但通过控制,其各自的份额比例可增可减。输入式功率分流系统的工作原理如下:发动机输送到变速器的功率(图中粗的红色功率流)在齿架上(图中①)被一分为二。第一部分功率向上继续流动到齿圈,然后向右流动到变速器的出口处。第二部分功率向下流动,由太阳轮进入到发电机,驱动其发电(图中②)。这部分产生的电功率继续传输到电动机上。电动机将电能再次转化为机械功率,输出到输出轴上(图中③)。最终,两部分功率在变速器的出口处汇合(图中④),由输出链条传输至车轮上。根据整车功率需求推算出发动机最佳运行工况点对应的转速和扭矩。发动机根据期望扭矩进行相应控制。发电机根据发动机的期望转速进行对应的转速控制,并转化为发电机内部的扭矩控制。电动机扭矩=轴端扭矩需求-发动机需求扭矩换算到齿圈的扭矩。


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输入式功率分流系统在低速类似增程,高速类似直驱,但都是类似。也就是说,输入式功率分流混动系统的车型的驾驶感受无法让混动车做到跟纯电动车完全一样。而本田的IMMD串并联构型可以让混动车开出纯电动车一样的感觉。



二、输出式功率分流


发动机和电机的两部分功率到输出端的行星齿轮盘或输出轴汇合,这种将功率在输出轴合流系统被称为输出式功率分流。输出式功率分流系统的典型代表就是2010年11月通用汽车推出的雪佛兰第一代Volte车型,不过在第二代的Volte就升级为了复合式功率分流系统,这个在后续的文章再具体介绍。与输入式功率分流系统比较类似,输出式功率分流系统也有一个行星齿轮组,同样包含太阳轮、行星齿轮和外齿圈。唯一的区别在于输出式功率分流系统的发动机和发电机通过齿圈直接相连,太阳轮连接着电动机,齿架连接着变速器输出轴。而在丰田普锐斯的输入式分流系统中,发动机与齿架相连,发电机与太阳轮相连,电动机与齿圈相连。


通用公司的雪佛兰第一代Volt输出式功率分流系统特点鲜明,一套行星齿轮,3个离合器实现串并联的控制效果。输出式功率分流系统发动机的产生的一部分功率(图中①)传递至行星齿轮组齿圈,这部分的功率为机械功率。另一部分发动机功率直接用来了驱动发电机(generator)发电,这里产生的电功率被传递给电动机(motor),由其再转换为机械功率传递至行星齿轮组的太阳轮。最终,两部分分流的功率在行星齿轮组的上齿架上汇合,最终传出变速器。发动机和电机传来的两部分功率在行星齿轮组上进行汇合,同时,功率汇合发生的位置在变速器的输出轴上,因此这个系统被称为输出式功率分流系统。但因输出式功率分流方式在低速突出的劣势,会造成了无功功率,系统效率偏低,故采用专用纯电方式运行,CD模式效率OK,但CS模式下效率并不高(因为CS模式下的电能出自发动机动力及制动能量回收)。


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输出式功率分流系统在起步时纯电驱动,低速时增程驱动,高速直驱或增程比效率。最终因为输出式低速效率差,即使在CS模式下也只能单电机纯电工作,效率相比其他模式偏低。因此,输出式功率分流系统只存在了一代,最后被通用公司的复合式功率分流系统所取代了。



三、总结


两种功率分流虽然在基本结构和基本组件非常相似,两种功率分流原理见图如下。但最大的区别就是发动机以及电机连接行星齿轮组的逻辑,输入式功率分流系统的逻辑是将发动机的功率在进入变速器后就进行分流,而输出式功率分流系统的逻辑则是将分散在变速器内部的功率最后进行合流。


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