英语原文共 24 页
电动汽车动力总成结构：
综述、分类、比较
摘要
越来越严格的法规以及客户对高燃油经济性的需求，导致了不同的动力系统替代解决方案的快速发展。尤其是电动车辆，将电机融入动力总成极大地丰富了动力总成架构和节能的手段。在这项综述中，通过在混合动力电动汽车（串联，并联和功率分流混合动力汽车）的传统分类中把纯电动汽车（PEV）作为第四种主要类型的电动动力总成结构，将其扩展到所有电动汽车（xEV）;此外，对动力系统电气化水平的分析，作为第二指标，被纳入新的分类方法; PEV的不同变种，串联，并联和功率分流混合动力车的不同型号都有相应的专利或产品，通过将它们分解为四种基本类型和子类型中的两种或更多种来说明更复杂的电气动力系统。该综述基于对该领域当前发展的全面和最新总结。
＆2014富兰克林研究所。由Elsevier Ltd.出版。保留所有权利。
第1章 引言
环境问题，燃油效率和能源供应安全，促使政府，汽车公司和研究机构探索环保，高效和可持续的个人运输解决方案。燃料消耗和尾气排放是运输可持续性的关键主题。由于预期的能源需求，预计到2040年世界石油和其他液体供应将在2011年基础上进一步增加30％[1]。作为应对交通能源和环境危机的一部分，世界各地的研究人员正在研究各种减少石油消耗和尾气排放的策略和技术。例如，2017年及以后的轻型车车型温室气体排放标准和企业平均燃油经济性标准将于2017年产品年度[2]在美国生效。如图1所示，乘用车和轻型卡车的燃油经济性要求将分别提高约50％和35％[1]。
图1.按车辆占地面积（平方英尺）计算的平均CAFE合规目标（每加仑英里数），2017-2025型号[1]。 （a）乘用车和（b）轻型卡车。
有一系列先进技术有助于减少石油消耗和尾气排放，一种简单直接的方法是提高动力系统效率和降低车辆阻力。该技术路径可以进一步分为四个主要技术类别：发动机，变速器，车辆技术和混合动力技术。这些技术的综合调查可以在[3]中找到。动力系统的杂交被广泛认为是在不久的将来显着提高内燃机（ICE）效率和排放的实用有效的解决方案[1，P70] [2，P250-260]。混合动力车辆（HV）被定义为具有两个或更多个能量存储系统（ESS）的车辆，两者都必须一起或独立地提供推进动力[4]。具体而言，除了传统的燃料箱之外，二级ESS可以是飞轮，压缩空气罐，电池，超级电容器以及电池燃烧器的组合，如图2的右下方块[5-7]所总结的。这些类型的HV在操作原理，性能和FE益处以及成本方面彼此不同。与其他竞争对手相比，那些配备电池作为ESS的HV在数量和类型方面处于垄断地位。因此，在该审查中，混合动力车辆仅指具有电池作为ESS的HV。
减少石油消耗的第二个策略是将石油的使用转移到其他能源。根据能源，车载能量和推进系统，在图2的两侧总结了各种替代能源和相应的动力总成。主要解决方案包括灵活燃料汽车（FFV）和电动汽车。尽管灵活燃料汽车（FFV）将继续扩大市场渗透率，但在接下来的几十年中，汽车电气化将是最实际和最有影响力的选择，原因如下：（a）电能是能源多样化的关键因素，有利于能源安全; （b）数十年来石油将继续成为陆上车辆的主要燃料，因此车辆的混合将在提高大规模生产车辆效率和减少排放方面发挥关键作用; （c）图2左下角所示的混合动力电动汽车是电气化和杂化方法的交叉点，提供了广泛的技术解决方案[1,3]。电动汽车，尤其是混合动力汽车，结合了杂交和电气化，具有特殊的潜力。
动力总成结构是指动力总成部件之间的拓扑关系和能量流动，是xEV动力总成的另一个重要指标。在开发EV之前的架构设计和选择是一个关键步骤，因为动力总成架构将对未来的设计，控制和优化产生重大影响。但是，在早期阶段确定理想的架构是一项非常具有挑战性的任务。与传统动力系不同，xEV动力系的结构指的是更多变量（例如，电机（EM）的数量，耦合/开关装置的类型和数量，变速器选择和部件的拓扑关系）。此外，通过改变耦合设备，变速器和电机的状态，特定架构可以以不同模式操作。此外，动力总成架构与不同的动力总成管理策略相互作用，进一步使选择适当的架构变得复杂。许多学者将xEV分为串联混合，并联混合和功率分流混合，分别强调电机，电力电子或建模[5-11]。然而，随着这些基本类型的快速发展和多样化，应更新传统框架并进一步细分以跟上最新发展的步伐。同时，电气化水平对建筑设计和选择有很大影响，将电动汽车分为五类混合动力汽车（微型混合动力汽车，轻型混合动力汽车和强劲混合动力汽车，插电式混合动力汽车（PHEV），远程电动汽车（ ER-EV）），PEV和燃料电池电动车辆（FCEV），如图2所示。许多架构不适用于所有级别的电气化。因此，基于对考虑了电气化水平的各种架构的综合评估，系统地对xEV架构进行分类应该是架构选择和设计的有用工作。为了跟上xEV领域的进步，这项审查工作进一步丰富和细分了传统的分类框架，包括PEV和考虑电气化水平。请注意，本次审查工作不包括FCEV，其架构基本上可与PEV互换，与混合动力汽车没有密切关系。
本研究工作的目的包括三个部分：（a）提供xEV动力总成结构的广泛概述，特别是那些具有良好应用潜力的结构; （b）根据电气化水平和一套基本架构提供系统分类; （c）比较不同的架构。 在第2节中，分析了具有不同电气化水平的xEV。 在第3节中，对各种PEV架构进行了审查和比较。 在第4节中，识别和分析了基础混合动力车辆动力系统架构。 在第5节中，基于PEV架构和基本HEV架构分析了复合混合动力车辆架构。 结果和结论包含在第6节中。
- 具有不同电气化水平的xEV之间的关系
通常由电池电压，存储的能量和功率指示的电气化水平决定了电路的容量并且限制了每个xEV的节能“工具”。表1列出了六种不同电气化水平的xEV的主要特征和提高效率的能力。 微型HEV（Micro HEV）是最简单，最经济的混合动力解决方案，只有12 V的停止启动功能，可以在怠速时间关闭发动机或切断燃油供应，并在车辆中央控制器（VCC）检测到驾驶员发动车辆的意图后立即重新启动;轻度HEV（mild HEV）具有更高的电压和更多的动力电机。与微型HEV相比，轻度HEV还可提供有限的动力辅助能力和甚至可能的再生制动（RB）能力。代表性的轻度HEV是带有eAssist系统的GM Chevrolet Malibu和带有集成电机辅助（IMA）系统的HONDA Insight。 eAssist系统将传统起动器替换为带式交流发电机起动器（BAS），以最大限度地减少对发动机的变化，同时IMA系统移除传统起动器并在飞轮和变速器之间安装可以启动和增压发动机的盘式电动机。强劲的HEV（strong HEV）或全HEV（full HEV）可以像PEV一样低速行驶（即使是加速踏板轻轻按压的中速），并且具有更强的动力辅助能力和RB能力。由于轻度HEV和强HEV之间的界限相当暗淡，因此采用了用于轻度和强力混合全尺寸拾取的评估标准，其中通过联邦测试程序在减速期间通过再生制动获得的回收能量至少为15％和65％ [2，P534]。丰田普锐斯和福特Escape分别是众所周知的强劲HEV乘用车和SUV。轻度HEV和强HEV实现较低燃料消耗的一个重要原因是发动机体积小于对应的ICE车辆。上面讨论的所有三个电气化水平通过仅通过第一策略来提高ICE效率来实现更高的动力系效率
与没有充电器的三种混合动力汽车相比，另外三种类型的电动汽车（PHEV，ER-EV和PEV）具有更大和更强大的电池组，通常具有超过300V的电压来存储来自电网系统的电能[12]。 PHEV通常支持PEV行驶约20公里，如本田雅阁混合动力车和插电版丰田普锐斯。 PHEV可以通过将一部分能量使用转移到电能来实现化石燃料消耗的显着降低。但是，由于电力系统的功率限制，即使电池中的能量仍然允许在PEV模式下行驶，ICE也会在恶劣加速或爬坡过程中经常开启。通用汽车为其雪佛兰Volt发明了ER-EV，以强调其全性能，全电动能力。 ER-EV基本上是一个以ICE作为备用能源的PEV，并且由于容量更大动力更强的电池，可以进一步显著降低汽油消耗并减少发动机冷启动[12]。PEV完全由EM（s）提供，其由电池中的电能供电。目前批量生产的PEV包括三菱 i-MiEV和特斯拉 Model S等[13]。通常较高的电气化水平可以带来更大的燃料经济效益。由于缺乏足够可靠的数据和关于每个电气化水平的实际有效性的论据，表1中仅列出了一些有效参考范围[3]。
- PEV动力总成架构
不同的PEV动力系结构可以根据EM的位置和数量，变速器的类型，变速器的数量等来分类。 在这里，分析和比较了三种主要的PEV架构。
3.1．a型：PEV，一个EM，没有变速器
这是最简单的布局，并被市场上几乎所有的PEV广泛采用。 除了没有离合器和变速器之外，这种类型的PEV结构与传统车辆相似。 电池为EM提供动力，通过单速减速齿轮将扭矩输出到差速器。 推进电机，主减速齿轮和差速器通常合并为紧凑型组件，以减轻车辆重量和安装空间。 该架构和代表性的日产 Leaf动力总成的示意图如图3所示。
其中Pprop，Vbat，ibat，eta;bat，eta;p_e，eta;m，eta;fd和eta;w分别表示推进功率，电池电压，电流，电池效率，逆变器效率，电动机效率，最终驱动效率和车轮效率。
EM超过ICE的几个优点是实现这种简单的架构的关键原因，如图4所示：（a）更大的EM速度范围使这种类型的PEV能够在没有额外更多级齿轮的帮助下达到高速; （b）没有用于扭矩放大的低速档，低速时的巨大扭矩输出使PEV能够足够快地加速; （c）EM具有以零速运行车辆的能力，而ICE必须在怠速（约800rpm）下运行以在离合器或变矩器（TC）的帮助下运行车辆; （d）与ICE相比，EM的效率可以超过85％，整个工作区内的效率图与ICE相比非常平坦。因此，前两个特性使单速PEV能够在低速时实现高速和苛刻的加速;第三个优点使得可以消除用于车辆发射的动力传动系统的联接装置;最后一个特征确定PEV可以在没有多个传动比的情况下在不同情况下实现期望的燃料经济性（FE）。
该架构具有一系列明显的优点。 布局简单，有利于减少安装空间和轻量化; 单速减速机应比变速齿轮传动更具成本效益; 由于齿轮副数量减少且液压元件不存在，动力传动系统的损失可以进一步减少; 完全消除了对换档和相关驾驶性能问题的控制。 不可否认，这种架构并不是很完美。 单速减速齿轮无法避免明显的效率下降，因为EM在效率图的边界附近运行（极低或高速，低扭矩输出），EM只能以低速输出其最大功率的一部分，这反过来增加了EM的尺寸和成本。
3.2．b型：带一个EM和多速变速箱的PEV
通过在EM和差速器之间插入一个多速齿轮箱，类型-B PEV架构在a-type的基础上进行了改进，如图5所示。增加的齿轮箱有助于克服类型-PEV的缺点，使得除了没有耦合装置之外，b型结构更像传统的车辆。一般来说，这个变速箱的数量不超过四个。根据之前的研究，增加的齿轮比可以将FE增加2-5％，这取决于驾驶周期和车辆[15,16]。
该PEV架构可以以各种形式实现。三个代表性的双速齿轮箱—一个平行轴齿轮箱和两个行星齿轮箱—如图6所示。最直接的想法是转换手动变速箱，如图6（a）所示。来自EM的扭矩通过减速器组件放大，减速器组件是安装在输出轴上的套筒齿轮。同步器组件可以转换成与左或右齿轮啮合以产生高档和低档。考虑到手动变速箱是最经济和最有效的，这种设计不会明显增加摩擦损失和成本[15]。另一方面，换档期间的扭矩间隙和车辆颠簸可能会降低驾驶员的舒适度。因此，带有摩擦自动变速器（AT）变速箱的PEV应该能够达到更好的舒适性。该行星齿轮箱的关键部件是两个行星齿轮组（PGS）。 PGS由太阳轮，齿圈，行星架和一组小齿轮组成，如图6（b）所示。行星齿轮组（PGS）的三个端口（太阳齿轮，齿圈和齿轮组）之间的关系用数学公式1-3表示，其线性度可用水平图表示，如图6（b）所示[ 17-19]。该PGS也是第4节中介绍的功率分流混合架构的关键元件。图6（c）和（d）是两个典型的带双速行星齿轮箱的PEV架构。两个行星齿轮箱中的第二行星齿轮组（PGS）始终用作减速齿轮，并且制动器1（BR1）和BR2的状态确定啮合齿轮。具体地，当BR1接合且BR2打开时，第一行星齿轮组（PGS）的所有齿轮以相同的速度旋转并选择高速档;相反，BR2锁定第一PGS的齿圈，齿轮的转速比EM慢。
其中omega;s omega;r omega;c分别是太阳齿轮，齿圈和齿轮的转速; Rs Rs Rs相应地是三个齿轮的半径。
3.3． c类型：具有多个EM的PEV架构
这是一个综合的组合，涵盖了具有两个或更多EM的不同架构。具有两个或更多EM的PEV的四种主流架构如图7所示。
安装有前后轴两个EM的PEV如图7（a）所示。这种架构类型是灵活的。它允许车辆根据EM1和EM2的状态在后轮驱动（RWD），前轮驱动（FWD）和四驱（AWD）模式下运行。此外，可以控制RWD和FWD在不同速度区域激活，产生两种模式的传动。当功率或扭矩需求超过单个EM功率极限时，可以激活AWD模式。图7（b）显示了具有两个相同EM但没有变速器或差速器的PEV架构[22]。当车辆沿直线行驶时，EM1和EM2的等扭矩直接发送到左右车轮。当车轮被转向时，控制器（未示出）将协调两个EM的扭矩输出以产生两个驱动轮之间的速度差。没有变速器和差速器的类似PEV架构如图6（d）所示。四个“煎饼”轮毂式车轮驱动相应的车轮。这种设计可以释放包装空间，为电池组，货物和乘客提供更多空间。另一个优点是其操作灵活性：FWD，RWD和AWD都是可能的。同时，这些EM的有限安装空间决定了对EM尺寸的严格要求。 Pretean Electric Ltd.建了一个
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