在上海有色网(SMM)主办的2024 SMM(第三届)新能源汽车供应链博览会暨驱动系统三电技术论坛上,国家新能源汽车技术创新中心混合动力首席专家段志辉分享了主流混合动力技术及发展趋势。
NEVC四挡串并联混合动力系统
串并联混动系统,发动机4挡位,动力性和燃油经济性好
P2+P3构型,两个电机均可以参与EV驱动,扭矩和功率需求及成本降低
发动机、电机1和电机2交替驱动、调同步换挡,过程平顺
构造简单,平行轴齿轮变速,两对同步器
1. 四挡串并联混动变速箱
纯电驱动:EV工况
P2/P3混动系统:EV工况双电机驱动,电机容量、成本、重量降低
EV工况P2换挡,提高效率;EV带载换挡,过程平顺
二电机均可单独驱动巡航,支持功能扩展
混合驱动:HEV工况
并联驱动:同步器S1、S2分别挂挡,不同S1和S2挂挡组合,具有不同的速比; 1挡和2挡设置;3挡和4挡设置。
多挡混合动力的优势
增大发动机→车轮的扭矩
提高发动机驱动车速
扩大发动机直驱范围
发动机高效率区域面积扩大:经过变速,发动机map图由转速-扭矩平面图形映射成为车速-推力平面图形;齿轮变速效率不变,map图中的效率等位线映射后,所包围的面积保持不变。
4挡串并联:发动机map图映射到车速-驱动力矩平面
其还对整车及发动机参数、系统关键设计参数、DHT概念方案(完成总成概念布置设计、电机冷却方案、齿轮、轴承润滑方案)、串并联混合动力系统比较、动力性能和油耗比较等进行了介绍。
NEVC四挡串并联混动系统优化(一)
优化系统设计
P3电机采用感应电机,降低成本
消除永磁电机空转时的电磁能量损失(3~5kW)
消除拖车时电机感应电动势造成的各种问题
消除电机退磁失效模式,提高电机可靠性
优化控制策略
感应电机效率和控制精度稍低;空转能量损失少
优化控制策略
P3感应电机仅工作于过渡过程,时间短、精度要求不高
P2永磁电机持续驱动和发电,并执行高精度调同步控制
过度过程持续时间:EV→HEV切换约1.2秒;EV或HEV换挡约1秒;急加速等需要P3助力的持续时间<10秒;因电池缺电而串联驱动约3秒(0~13km/h)
感应电机节省的能量超过损失的能量(新趋势)
零部件成本分析比较
与单挡串并联混动变速箱比较:
壳体、输入轴、输出轴、电机轴1、电机轴2、主减及差速器、润滑冷却泵、油冷器、球轴承等,技术要求相似,数量相同,成本相抵消
多4个齿轮,约增200元
增加两对同步器以及拨叉执行机构,约980元
减少湿式多片离合器和液压系统,约减1245元
二电机扭矩和功率减小,电机及逆变器成本降低;大电机改为感应电机,成本降低。
NEVC四挡串并联混动系统优化(二)
纵置布局:①纵置前轮驱动四挡串并联混合动力;②纵置四轮驱动四挡串并联混合动力---比其他设计减少一套电机系统。
NEVC四挡串并联混动系统优化(三)
改进为双电机四挡四轮驱动混动系统:① P3电机改为P4电机,经过后桥驱动后轮;② 发动机和P2电机经四速变速箱驱动前轮;③ 前轮常驱、后轮毫秒级响应,实现四轮驱动;④ 动力性、越野能力和安全性提升;⑤ 与前驱变速箱共享技术和零部件;⑥ P4感应电机怠速能量损耗少,无需变速或摘挡。
与其他四轮驱动混动系统比较:① 比较P2+P4,变速箱大大简化,降低成本;② 比较P1+P3+P4,减少一电机,降低成本;③ 比较动力分流+P4,减少一电机,降低成本。
NEVC四挡串并联混合动力系统
发动机4挡位,动力性和燃油经济性改善
HEV工况,发动机和电机交替驱动、调同步换挡,平顺性好
EV工况,二电机可共同驱动,P3电机扭矩需求小,降低成本
P2有2挡位,带载换挡,降低扭矩、提高效率,降低成本
HEV工况,发动机直驱切入早,2电机功率减小,降低成本
平行轴齿轮变速,构造简单,技术成熟,利于控制成本
控制器件仅有两对同步器,无离合器和液压系统,成本略有降低
增加 4个齿轮,成本160~200元
P3电机可选用交流感应电机,减少能量损失,降低成本
同平台可开发四轮驱动混合动力系统,性能好、成本低
2. 纵置600牛米eTC混动变速箱
研发混合动力匹配中型高档客车
eTC混合动力系统
厦门国创中心与FEV合作开发商用车混合动力
首款搭载中型豪华客车
由混动模块、双输入轴变速箱以及控制系统组成
eTC混动模块替代双离合器模块,并拓宽速比范围
发动机和电机交替驱动/换挡,换挡过程平顺
NeTC混合动力系统:600N-m纵置NeTC混动变速箱
混合动力模块
电机与行星排组成 电力变矩器 (eTC),替代液力变矩器(hTC)
起步扭矩大,电机吸收能量、发电并存储备用,降低能耗;不存在起步离合器过热风险
经行星排减速、增扭,电机扭矩可减小,降低成本
增加一个“挡位”
动力传输通道
若CL1锁定,则发动机与Ⅰ轴连接,可通过Ⅰ轴上的齿轮传动
电机与Ⅱ轴连接,通过Ⅱ轴挡位传动
若CL2锁定,则电机与太阳轮连接:可与发动机差速驱动(CL1分离)或同轴驱动(CL1锁定)
若CL2分离,则发动机与电机可分别独立地驱动Ⅰ轴和Ⅱ轴
发动机换挡时,电机保持驱动并补偿扭矩;电机换挡时,发动机保持驱动并补偿扭矩
怠速启停/驻车发电
CL1和CL2锁定,Ⅰ轴和Ⅱ轴摘挡
电机通过CL2和行星排,拖动发动机转动
发动机达到怠速转速,喷油点火启动
EV电动工况
发动机停机,CL1分离、CL2分离,Ⅰ轴摘挡
Ⅱ轴挂挡,电机启动Ⅱ轴2挡或5挡;电机驱动
HEV差速驱动车辆起步
发动机工作,CL1分离、CL2锁定:发动机连齿圈,电机连太阳轮,行星架连Ⅰ轴
Ⅰ轴挂1挡或R挡、Ⅱ轴摘挡
发动机和电机,通过行星排,差速驱动Ⅰ轴
电机反转、正扭,发电状态;电机和Ⅰ轴正向加速
HEV分轴驱动
CL2分离,Ⅰ轴和Ⅱ轴分离
CL1锁定行星排、Ⅰ轴挂挡,发动机驱动 R挡、1挡、3挡、4挡、6挡或7挡
Ⅱ轴挂2挡,电机驱动2或5挡
电机可以助力、怠速/空转、发电/再生制动
HEV同轴驱动Ⅱ轴(发动机挂2挡或5挡)
CL1锁定、CL2锁定,发动机和电机连接
Ⅰ轴摘挡、Ⅱ轴挂2挡或5挡
发动机通过行星排和CL2驱动Ⅱ轴,电机同轴驱动Ⅱ轴
电机可以助力、怠速/空转、发电/再生制动
电机驱动、发动机换挡
1. 发动机扭矩转移给电机;电机继续驱动并保持驱动力不变;2. CL1分离;3. Ⅰ轴摘挡、挂新挡位;4. 锁定CL1;5. 发动机恢复驱动。
此外,其还对发动机驱动、电机换挡(中低速/中高速相互切换)进行了介绍。
3.eTC重型卡车混动变速箱(简介)
重型卡车混合动力变速箱:
公路运输卡车、矿山卡车、渣土车等;变速箱输入扭矩1800~2400Nm,输出扭矩约25000~35000Nm;公路行驶速度 80~100km/hr;总极差 最大速比:最小速比≥15:1。
MT和AMT 存在的问题:MT换挡动力中断,重载爬坡车辆经常倒退溜坡,容易造成安全事故;重载坡起或脱困,离合器滑摩传递扭矩不稳定,摩擦片烧蚀、磨损严重;重型卡车需要15:1的大级差,通常需要主、副变速箱,换挡麻烦、成本高。
本项目的解决方案:无动力中断换挡,消除倒退溜坡现象,杜绝安全事故;行星排+电机+离合器组成所谓“电力变矩器”,零车速全扭矩输出,且无磨损;齿轮变速箱级差约等于10:1,行星排速比1.55:1,总级差≥15:1;成本不高于 P2+AMT 混动变速箱,远低于 P2+AT 或 P2+DCT 混动变速箱。