新型P2构型混合动力系统分析

本文针对一种新型P2构型混合动力变速箱的工作原理进行分析。

1 工作原理概述

本文介绍一种新型P2构型混合动力系统，主要由发动机、动力耦合装置（含行星齿轮、驱动电机、C1离合器和B1制动器）、无级变速器CVT和高压电动油泵POD组成。该方案属于P2构型，但与一般意义的P2构型不同，该方案无需起步离合器，由基于行星齿轮的动力耦合装置实现起步功能，可靠性更好。其工作原理如图1所示，行星齿轮的太阳轮与发动机相连，齿圈与电机连接，发动机和电机的动力经行星齿轮耦合后由行星架输出至CVT的输入轴，CVT通过速比无级调节保证发动机和电机工作在高效区间。

图1 混合动力系统原理图

通过控制发动机、电机、C1离合器和B1制动器状态，可以实现7种工作模式，如表1所示。

表1 工作模式

2 模式分析

本节主要分析7种模式的工作原理，其中涉及到的参数说明如下：s、c、r分别代表太阳轮、行星架和齿圈，ωs为太阳轮转速，ωc为行星架转速，ωr为齿圈转速；Zs为太阳轮齿数，Zc为行星架齿数，Zr为齿圈齿数。

2.1 纯电动模式

纯电动模式主要用于电池SOC较高时，由电机单独驱动车辆，通过调节CVT速比保持电机工作在高效区间。此时发动机由制动器B1锁住，不参与工作。其能量流如图2所示。

图2 纯电动模式能量流

根据杠杆原理，纯电动模式的受力分析如图3所示，发动机（太阳轮）保持静止，行星架输出转速与电机转速线性相关，通过控制电机输出扭矩满足车辆行驶动力需求。

图3 纯电动模式受力分析

输出到车轮的扭矩与电机扭矩之间的关系可表达为：

式中：To——输出到车轮的扭矩；

Tem——电机输出扭矩；

iem——电机在PGS部分的速比；

icvt——CVT部分的速比；

ifd——主减速比。

2.2 混动模式

混合动力模式主要用于车速较高或车辆扭矩需求较大的情况，此时发动机和电机同时参与驱动车辆，通过调节CVT速比保持发动机和电机工作在高效区间。通过控制C1离合器的分离结合可实现2种混合动力模式，分别为连续变速模式和固定速比模式。

2.2.1 连续变速模式

当C1离合器处于分离状态，发动机和电机同时驱动车辆即为连续变速模式。其能量流如图4所示。

图4 PGS模式能量流

连续变速模式的受力分析如图5所示，发动机（太阳轮）和电机（齿圈）同时输出扭矩驱动车辆。此模式可同时调节发动机和电机的扭矩和转速，让两者保持在高效区间运行，是一种省油的模式。

图5 连续变速模式受力分析

发动机和电机的扭矩需要满足一定的关系，可表达如下：

式中：Teng——发动机输出扭矩。

2.2.2 固定速比模式

当C1离合器处于结合状态，发动机和电机同时驱动车辆即为固定速比模式。其能量流如图6所示。

图6 并联模式能量流

固定速比模式的受力分析如图7所示，发动机（太阳轮）和电机（齿圈）同时输出扭矩驱动车辆。此模式下发动机和电机同转速，扭矩解耦，可根据实际需求和动力源效率进行分配，适用于行车充电和中高速助力工况。

图7 并联模式受力分析

式中：Tc——行星架输出扭矩。

2.3 发动机直驱模式

发动机直驱模式时，C1离合器处于结合状态，B1制动器处于分离状态，由发动机单独驱动车辆，其能量流如图8所示。

图8 发动机模式能量流

发动机直驱模式的受力分析如图9所示，C1结合，发动机（太阳轮）和电机（齿圈）同转速，发动机单独输出扭矩。适用于中高速巡航工况，电机根据SOC高低决定工作状态，SOC低时，小功率发电维持整车用电设备的功率需求，SOC高时电机不工作。

图9 发动机模式受力分析

2.4 充电模式

充电模式主要用于电池SOC低时。通过发动机带动电机发电。分两种充电状态：驻车充电（P挡）和驻车充电（D挡）。

2.4.1 驻车充电P挡模式

驻车充电P挡模式下，C1离合器和B1制动器均处于分离状态，由发动机带着电机转动发电，其能量流如图10所示。

图10 驻车充电P挡模式能量流

驻车充电P挡模式的受力分析如图11所示，因此时处于P挡，行星架固定（图11C点），发动机（太阳轮）通过行星轮将扭矩传递至电机（齿圈），驱动电机发电。适用于驻车等人且SOC低的工况。

图11 驻车充电P挡模式受力分析

式中：——发动机转速传递到电机的减速比；

——电机的转速；

——发动机的转速。

2.4.2 驻车充电D挡模式

驻车充电D挡模式下，C1离合器处于结合状态，B1制动器处于分离状态，由发动机带着电机转动发电，发动机和电机同转速，行星架和车轮之间依靠CVT内部的离合器解耦，其能量流如图12所示。

图12 驻车充电D挡模式能量流

驻车充电D挡模式的受力分析如图13所示，因此时处于D挡，C1离合器结合，发动机（太阳轮）和电机（齿圈）同转速，发动机驱动电机发电。适用于驻车等人且SOC低的工况。

图13 驻车充电D挡模式受力分析

2.5 发动机起步模式

发动机起步模式时，C1离合器和B1制动器均处于分离状态，由发动机和电机配合完成整车起步，该模式下发动机驱动，电机处于发电状态，其能量流如图14所示。

图14 发动机起步模式能量流

发动机起步模式的受力分析如图15所示，在处于起步状态瞬间时，因为滚阻和加速阻力的存在，行星架固定（图15C点），发动机（太阳轮）通过行星轮将扭矩传递至电机（齿圈），驱动电机发电，此时C点处产生驱动车辆起步的扭矩。适用于SOC很低无法完成纯电动起步功能的工况。

图15 发动机起步模式受力分析

式中：——电机发电扭矩，为标量。

2.6 能量回收模式

能量回收模式时，C1离合器处于分离状态，B1制动器处于结合状态，由电机单独完成制动能量回收，其能量流如图16所示。

图16 能量回收模式能量流

根据杠杆原理，能量回收模式的受力分析如图17所示，发动机（太阳轮）保持静止，行星架转速与电机转速线性相关，通过控制电机发电扭矩满足车辆制动需求。适用于零油门或有制动需求的工况。

图17 能量回收模式受力分析

输出到车轮的制动扭矩与电机扭矩之间的关系可表达为：

式中：——输出到车轮的制动扭矩。

2.7 发动机辅助主动模式

发动机辅助制动模式时，C1离合器处于结合状态，B1制动器处于分离状态，由发动机和电机共同完成整车制动需求，其能量流如图18所示。

图18 发动机辅助制动模式能量流

发动机辅助制动模式的受力分析如图19所示，C1结合，发动机（太阳轮）和电机（齿圈）同转速，发动机输出阻扭矩，电机发电输出负扭矩。适用于中高速下零油门或有制动需求的工况。

图19 发动机辅助制动模式受力分析

3 小结

本文介绍的新型P2构型混合动系统有7种模式，能覆盖混合动力系统的主要工作模式，可实现e-CVT+CVT模拟7挡，保证了整车动力性和经济性，模式切换平顺，且能应对不同的工况使用需求。