新型插电式混合动力变速驱动桥的开发
摘要
为了满足日益增长的客户对环保车辆的需求，插电式混合动力汽车（PHV）的新型变速驱动桥已经开发出来，可以实现出色的燃油经济性，并确保PHV在电动汽车（EV）模式下运行时的高性能。 在全新普锐斯与变速驱动桥共享大量零部件的基本理念下，新设计的PHV变速驱动桥旨在提高EV动力和行驶里程。 为了实现我们的目标，新型变速驱动桥采用双电机驱动系统，将发电机作为电机运行，以补充现有电机。 它还具有电动油泵（EOP），可提高EV模式下的散热性能。 开发的变速驱动桥有助于通过最大化丰田混合动力系统（THS）的性能并实现比新款普锐斯HV更好的动态EV模式性能，推动PHV成为下一代关键环保型车辆。
- 引言
自1997年第一代普锐斯推出世界首款大规模生产混合动力车辆（HV）[1,2,3]以来，客户对全球环境的认识和对环境性能的要求不断提高。此外，随着环保型车辆的普及，消费者也开始需要更高水平的动态性能和风格，以及出色的燃油经济性。我们听取了客户的反馈意见，他们表示希望在不使用发动机的情况下驾驶PHV进入EV模式，因此在EV模式下需要更大的驱动力和行驶里程。因此，这款变速驱动桥的开发旨在尽可能利用THS在新款第四代Prius中的组件和功能，从而大幅提升EV动态性能。
本文介绍安装在全新普锐斯Prime上的全新小型车PHV驱动桥。
- 开发目标
新型PHV驱动桥的开发目标如下：1.通过在发动机与动力分配装置之间放置单向离合器，实现强大的EV模式驱动力，实现双电机驱动系统，使车辆使用两个电机驱动。 2.有助于实现强大的EV模式驱动力，并通过使用EOP提高EV模式下行星齿轮和电机的冷却性能，大幅度延长EV模式驱动范围。 3.尽可能利用普锐斯HV中HV驱动桥的现有组件和功能[4]，以保持HV模式下的高性能，同时大幅提高EV模式下的性能。
- 基本规格和结构
图1和2显示了开发的PHV变速驱动桥的横截面和示意图。表1显示了主要规格。
PHV变速驱动桥具有四轴结构，由扭矩限制器，单向离合器，输入轴，行星齿轮，发电机，电动机，减速装置和差速装置组成。行星齿轮用作动力分配装置，其确定发动机动力是供应给发电机还是用作车辆驱动力。电机和电机减速装置布置在与输入轴不同的轴上，电机减速装置采用平行轴布局。动力从发动机和电动机施加到反向从动齿轮，后者将动力传递到差动齿轮。在EV模式下，当驾驶员要求高驱动力时，单向离合器接收发电机的反作用力矩并将其传递给轮胎。
- 双电机驱动系统
4.1双电机驱动系统的原理
图3显示双电机驱动系统运行时动力分配装置（行星齿轮）的列线图。单向离合器设置成允许在行星齿轮的行星齿轮架的发动机上向前旋转，同时防止发动机沿相反方向旋转。如果从太阳轮轴上的发电机输出反方向转矩，则行星架轴上的单向离合器接收该反作用转矩，并将发电机转矩传递到与齿圈轴相连的输出端。除了这个发电机扭矩之外，来自牵引电机的扭矩输出允许使用两个电机驱动车辆。
图4显示了双电机驱动系统运行时的转矩流量。在发送到轮胎之前，从发电机输出的转矩被行星齿轮，反转齿轮副和差动齿轮对放大。另外，由牵引电动机输出的转矩在被传递到轮胎之前由平行轴布置和差动齿轮对中的减速装置放大。
图5显示了EV模式下的驱动力图。在低负载下，只使用牵引电机。当驾驶员所需的转矩超过牵引电动机的范围时，增加发电机的转矩输出，使得电动机和发电机都驱动车辆。
4.2单向离合器
图6显示了单向离合器安装配置的横截面。单向离合器连接到曲轴上的飞轮，并位于飞轮的发动机侧。这种简单而创新的设计能够在采用双电机驱动系统的同时承载尽可能多的HV发动机和变速驱动桥。
图7显示了单向离合器的内部结构。为了实现具有高扭矩容量的薄型结构，采用了具有不依赖于摩擦系数的爪的机械式单向离合器。
单向离合器由壳体，外圈，棘爪，弹簧，内圈，板和铆钉组成。在这些部件中，壳体，外圈，棘爪，弹簧和板被集成并一起旋转。内圈通过花键接合与发动机和驱动桥之间的保持板接合。内圈和保持板都是非旋转元件。
在发动机的正向旋转方向上，单向离合器可以旋转，因为棘爪和内圈不接合。随着发动机转速的增加，棘爪上的离心力也随之增加
增加并超过将棘爪推入内圈的弹簧力。这能够在棘爪和内圈之间不接触的情况下旋转。另外，由于棘爪和内圈接合，单向离合器不允许发动机在反向旋转方向上旋转。
具有棘爪的单向离合器的一个潜在问题是棘爪与内圈在旋转过程中接触而产生的棘轮噪音。然而，在这种结构中，棘爪和内圈在向前方向上以约400rpm的发动机速度开始分离。由于这小于设计的发动机怠速（大约1,000rpm），所以在发动机的正常工作区域不会产生棘轮噪音。这种设计还可以将单向离合器的拖曳转矩降到最低，因为在混合动力车辆（HV）模式下棘爪与内圈不接触。
5.行星齿轮/电机冷却结构
双电机驱动系统允许在发动机停止时将发电机输出扭矩施加到行星齿轮。另外，由于与正常HV相比，发动机在PHV中停止较长时间，因此牵引电动机的发热是一个具有挑战性的问题。因此，当发动机驱动的机械油泵（MOP）无法提供润滑和冷却所需的油时，采用图8所示的EOP来增强行星齿轮润滑和电机冷却性能。
另外，当发动机不运转时，行星架的旋转也停止。为了确保在该状态下向行星齿轮供给足够的润滑油，从EOP向输入轴和行星齿轮提供闭路油路。在这种配置中，泵可提供加压润滑，而不是使用离心力的传统飞溅润滑方法。
图9显示了润滑和冷却结构。 EOP与MOP平行布置，并在两者之间提供止回阀。这种结构可确保在必要时从其中一个泵供应润滑油和冷却液。两个泵都共享同一个排放通道，可以与HV变速驱动桥共用部件，并且由于额外的EOP而减少了驱动桥尺寸的增加。
图10显示了输入轴结构。图中的顶部显示了HV结构，底部显示了新开发的PHV结构。在HV中，通过与发动机一起旋转的输入轴的离心力而飞散的油被油接收器捕捉。相比之下，PHV具有直至行星齿轮的闭路连接结构。
图11显示了EOP对行星齿轮润滑的影响。 使用EOP的润滑限制了行星齿轮温度的增加并提高了耐久性。
这些技术有助于在EV模式下大幅提升全新Prius Prime的驱动力和范围。
6.结论
本文介绍了一种用于小型车辆的新型PHV变速驱动桥。 双电机驱动系统的采用以及行星齿轮和电机的冷却性能的增强有助于提高电动汽车在EV模式下的性能。 EV模式下性能的改善使新PHV能够在比以前的PHV更多的行驶条件下保持发动机熄火。 PHV是新一代重要的环保型车辆，采用这种新型驱动桥将有助于向全球所有人展示PHV性能和效率的新水平。
双电控混合动力汽车行星齿轮组的控制策略
摘要
配备动力分配系统的混合动力电动汽车提供多种功能提高车辆的燃油经济性和更好的可能性适应各种驾驶条件。在本文中，一个新的权力分裂由双行星组成的混合电动客车系统引入齿轮组和离合器。系统能够解耦发动机的扭矩和速度都来自道路载荷，这一点使发动机可以在最佳运行状态下运行
（OOL）。考虑到系统配置和功能公交车行驶周期，公交车的行驶方式分为电动车辆（EV）模式，电动可变传动（EVT）模式和并行模式。通过将离合器的接合控制在高位车速（机械点之后），系统运行在并行模式而不是EVT模式。这避免了这个问题在高速区域系统效率急剧下降EVT配置通常面临着。因此，一个控制提出了基于引擎OOL的策略和相应的策略Matlab / Simulink平台上的协同仿真模型和AVL /克鲁斯成立。仿真结果验证总线是否可用以涵盖UDDS周期下的动态性能要求达到17.84L / 100km的低油耗。
1.导言
随着汽车工业和环境的蓬勃发展随之而来的能源问题正在变得日益突出严重[1]。这使得有必要开发替代推进和关于个人和商业运输的能源解决方案。纯电动汽车不是解决这个问题的有效方法因为它受当前电池技术的限制[2]。混合动力电动车（HEV）这是结合了传统的优点车辆和纯电动汽车是解决这个问题的有效途径能源短缺和环境污染问题。混合动力电动车可分为串联HEV，并联HEV和根据其动力总成配置的串并联HEV [3]。串并联HEV结合了串联和并联的优点HEV并具有全面最佳性能。
由Toyota Motor Corporation和General制造的HEV汽车公司是目前汽车市场上最典型的混合动力汽车。丰田在1997年开发的Prius使用丰田混合动力系统（THS）作为动力分配装置是第一次大规模生产混合动力汽车在世界上[4]。 丰田也开发出新一代THS II并将其应用于SUV，同时实现出色的动力性能和燃油经济性达到严格的排放标准[5,6] .GM开发了它的混合动力车配置由两个或三个行星齿轮组组成，实现了双重功率分配模式[7-8]。
一般来说，丰田混合动力系统是一种输入分配配置通用混合动力系统能够实现两种运行模式：输入分离模式和复合分离模式。 THS是可行的全范围单模混合动力系统，但需要高发动机功率和电机的扭矩和速度。 GM混合动力系统能够提供完整的比例覆盖率适中的部件速度和扭矩，更少电路功率，因为它结合了输入分路和复合分路模式[9]。 然而，GM混合动力系统很难制造，由于其相对需要更复杂的控制策略结构复杂。
因此，这项研究提出了一个混合配置组成两个行星齿轮组和一个离合器。 前齿轮采用输入分流配置和后部作为一个固定的速度比与其环齿轮固定。 离合器连接到前齿轮的太阳轮设置和将在机械点从事实现并行模式。 这种结构具有相对简单的结构保持良好的动态性能和燃油经济性能够实现两种操作模式。
本文结构如下：第二节描述动力分配系统的配置; 第三节介绍系统的控制策略; 第四部分通过仿真验证控制策略的正确性; 第五部分给出了本文的结论。
2.系统描述
THS配置棒图如图1所示。发动机连接到行星架，发电机MG1连接到太阳轮，电动机MG2连接到齿圈，齿圈输出功率驱动车辆。
本文提到的具有两个齿轮组的串并联结构的棒图如图2所示。前太阳轮与发电机MG1和一个将在机械点啮合的离合器相连，以实现并联模式（PHEV）。 前行星架与发动机连接。 随着齿圈被固定，后行星齿轮组被用作固定速比。 前齿圈与后行星架连接。 后太阳齿轮连接到马达MG2，并且动力通过后行星架输出。
在机械点之前，这两种配置具有相同的功率分配特性。 动力分配装置（PSD）的输出功率全部来自发动机，并且被分成两个部分：机械路径功率（Pmech）和电路功率（Pele），如等式（1）中所述。
Pout是PSD的输出功率。
前齿轮组的动力学方程和动力学方程如方程（2）和方程（3）所示。
当超级电容器不工作时，假设机械传输效率为0.95，则可以如等式（6）和等式（7）中所示计算机械路径功率和电气路径功率。
eta;g和eta;m分别是发电机MG1和电动机MG2的效率。因此，机械点之前的传动效率eta;可以如等式（8）计算。
在机械点（SR lt;k1 /（1 k1））之后，随着SR增加，THS效率迅速降低。 复合分流效率为1，因为前太阳齿轮被锁定并且发动机直接驱动车辆，PSD切换到并联模式。 两种配置的效率比较如图3所示。
- 系统的控制策略
根据上述配置的特点，制定了基于发动机最优运行线（OOL）的控制策略。
混合动力客车有三个动力源：发动机，发电机MG1和电机MG2。 他们提供的所有能源最初都来自发动机燃烧的燃料。 控制策略的基本思想是通过调节电机和发电机的运行点来使发动机在其OOL上工作，因为该配置能够将扭矩和速度分离，从而提高燃料经济性。 具体的控制流程如图4所示。
系统的顶层操作模式可以分为驾驶模式和制动模式，模式切换流程图如图5所示。此外，驾驶模式分为电动汽车模式（EV），电动可变传动模式（EVT） ）和并联HEV模式（PHEV）; 制动模式分为再生制动模式（RBG）和机械制动模式（MB）。
车辆进入EV模式的条件是如表3所示。车辆进入EV模式所需功率相对较低且SOC较高。 MG1停止工作和MG2驱动总线在EV模式和单独电源全部来自超级电容器。 EV模式可以消除特别是当公共汽车开车时，发动机怠速燃料消耗慢慢地或停止。 而对于混合动力公交车，它主要运营在EVT或者PHEV模式，它们极大地影响了巴士的燃油经济性。因此，系统的关键控制策略在于EVT和PHEV模式。
EVT模式下能量分配策略的核心思想是：通过控制MG1的速度来调节发动机的转速，从而使发动机在OOL上运行，并且MG2输出其以确保系统符合驾驶性能要求。因此，控制EVT模式策略的关键是控制MG1的工作点。 控制方法表示为如下：
1.确定OOL上的预期发动机转速计算的车辆所需功率。
2.将发动机转速限制在发动机怠速之间的范围内速度和最高速度，并获得处理“预期引擎速度”。
3.使用处理后的“预期发动机”之间的差异速度“和实际的发动机转速作为PID的输入控制器，并输出预期的MG1扭矩。
如上所述，MG2运行以确保系统会合驾驶性能要求，预期的MG2扭矩为如等式（9）计算。
在PHEV
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