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功率分流式或并联式 - 选择正确的混合架构
Jimmy Kapadia，Daniel Kok，Mark Jennings，Ming Kuang，Brandon Masterson，Richard Isaacs，Alan Dona，Chuck Wagner和Thomas Gee
福特汽车公司
摘要：汽车行业正在迅速扩展其在混合动力汽车、插电式混合动力车和电动汽车等新能源汽车领域的产品，以满足全球客户的需求和各国政府的监管要求。随着销量的不断增加，电动汽车在减少汽车二氧化碳排放领域产生了举足轻重的影响。这意味着电动车辆需要提供一整套满足客户需要的车辆级别的属性，如动力性能，燃油经济性和范围，并不断降低成本以吸引广大客户群。
作为混合动力和插电式混合动力技术逐渐平民化的一部分，汽车制造商旨在以最低的成本和最简单的结构提供车辆所需的各种性能。同时，汽车制造商也认识到：在不同类别的车辆之间，客户的需求可能存在很大差异。例如，中型卡车的客户可能更加看重拖车的牵引力，而C级轿车客户可能更喜欢较高的城市燃油经济性。这种性能需求上的差异可以推动对不同电气化架构的需求。在这里，可以区分两种常用的混合动力和插电式混合动力电动车架构：功率分流式和并联式配置。
本文研究了这些混合架构之间的设计差异以及其可以提供的内在属性优势。同时也考虑了子系统的设计标准，包括各关键组件的大小。并通过针对属性和标准化成本的特定车辆假设，比较这两种方法的优劣。
引言：
汽车电气化的驱动因素
全球关于汽车排放和燃油经济性的法规正变得越来越严格。在美国，根据四年国家计划，预计二氧化碳排放量每年减少5％。欧盟和中国法规也要求未来采取类似的减排措施。虽然传统的发动机技术，在不影响汽车性能的情况下，在改善排放和燃料经济性方面取得了重大进展，但是为了满足未来越来越严格的排放和燃料经济性标准，未来汽车电气化的需求变得显而易见。在车载辅助电源技术的帮助下，汽车实现了诸如发动机小型化、发动机启动/停止功能，高效发动机运行和制动再生等技术革新，有助于提高汽车的燃油经济性并减少排放。
虽然汽车的排放和燃油经济性标准正在越来越严格，但客户不需要一个妥协的解决方案。以牺牲性能或牵引/有效载荷等其他属性为代价来提高燃油经济性的方案并不被客户接受。此外，电气化不再局限于某类车辆。传统印象中，中小型车辆一直是电气化的受益者。但展望未来，其他类型的车辆也需要电气化革命。
客户的期望因车辆类别而异。图1显示了车辆CD车型的最佳购买原因，而图2显示了全尺寸皮卡车的相同信息。虽然燃气里程的价值是CD汽车细分市场的主要原因，但Trailering / Towing是全尺寸皮卡车细分市场的首要原因。燃气里程甚至没有成为前十大购买理由。这种截然不同的客户需求推动了汽车制造商寻找不同电气化战略和架构的需求。
图1. CD车的十大购买理由。 主要原因是成本和燃气里程的价值。资料来源：2014年新车客户调查。
图2.全尺寸皮卡车的十大购买理由。 主要原因是行程 / 牵引力和价格。资料来源：2014新车客户调查。
目前市场上的电气化架构的主要类型是并行和功率分流式。 表1显示了目前在美国市场中每种类型架构的主要参与者。
表1. OEM在美国市场的混合架构及其使用。
并行架构
根据电机的位置，有许多不同的并行架构的实现。按行业惯例，他们使用Pn命名法识别，其中n是数字对应于电机在系统中的位置。该编号惯例如下 -
P0 - 电机位于发动机的输入端
P1 - 电机位于发动机的输出端
P2 - 电机位于发动机和变速箱之间
P3 - 电机位于变速箱输出端
P4 - 安装在轴上的电机（eRAD，eFAD）
在本文中，对并联混合的引用是指P2并行混合系统。这也是如今行业最普遍的选择。并联式混合架构布局如图所示图3.它由传统的车辆架构组成，包括连接到步进比或双离合器（DCT）的发动机，用电动机和电池并联。分离离合器是用来脱离发动机。
图3.典型的并联混合动力系统布局。
图4.并联混合动力流程图。
功率流程如图4所示。机械功率来自发动机和电池的电力，通过马达被送到车轮。 在EV操作期间，用发动机关闭后，电力通过电动机传递给车轮。在此模式下，离合器打开。 在混合模式下，离合器关闭用发动机和电池，通过电动机，为电动机提供动力车轮。 在这种模式下，发动机转速由车轮控制速度和传动齿轮比。 部分力量来了车轮由电动机提供，发动机可在a扭矩点以获得最佳效率。 因此并联混合动力车运行具有两个自由度 - 一个连续（扭矩）和一个离散的（速度）。 在再生制动期间，电机运行为发电机，恢复能量并将其存储在电池中。每种操作模式的详细功率流如图所示附录。
功率分流式架构
虽然有功率分流式混合的不同实现建筑，使用行星齿轮组的简单，经济的布局如图5所示。这是一种使用a的单模式配置单行星齿轮组，没有任何离合器或制动器。 这篇报告仅评估此功率分流式特定配置。 在这配置，行星齿轮的太阳齿轮连接到发电机，承载器与环形齿轮连接到发动机连接到车轮。 来自发动机的动力被传递部分到车轮（机械路径），部分到电池通路发电机（电气路径）。
图5.典型的功率分流式动力总成布局。
功率分流式的功率流程图如图6所示EV操作时，电池的电能输送到通过电机轮子。 在混合模式下，发动机功率被“分开”行星进入机械和电气路径。 大量的“拆分”经过优化，可实现最高效率。 由于性质在行星方面，发动机工作点的速度可以变化和扭矩域允许功率分流式也有两个度数自由，但两者都是连续的。 在再生期间制动时，电动机像发电机一样工作，以便在电动机中存储电力电池
图6. 功率分流式动力总成功率流程图。
a的每种操作模式的详细功率流功率分流式显示在附录中。功率分流式通常比并联混合动力车具有更高的效率。图7显示了功率分流式和并联式的相对效率EV发动操作的架构。对于功率分流式，电力通过可变电压控制器（VVC）和变频器系统控制器（ISC）和电机所在的地方电功率转换为机械功率，效率为87％。然后机械动力通过反转齿轮送到车轮，总效率为82％。为了并联混合动力，ISC /电机功率输出发送到传统传输通常以平均效率运行89％。然后该路径通过最终传动比（FDR）被送到车轮。
对于再生制动示出了类似的效率比较图8中的操作。再生制动的路径类似于EV发射操作除了与摩擦相反的方向外制动损失增加。两个方向的效率都有所下降功率流是乘法的，这导致整体更低并行系统的效率。
请注意，这种比较是针对典型的通用车辆来说明的功率分流式和并联混动的相对效率。具体这些架构的应用可能有不同的相关性效率。
图7. EV操作期间功率分流式和并联式架构之间的效率比较。
图8. 功率分流式和并联式之间的效率比较再生制动操作期间的架构。
并行与功率分流式之间的比较
客户属性比较
表2显示了并行和功率分流式体系结构之间的客户属性比较，其中传统的是基线。对于使用相同发动机和电池的相同尺寸的车辆，该比较是假设的。
燃油经济性
如上所述，功率分流式通常比并联混合动力车具有更好的燃油经济性。在功率分流式中缺少传统的传输有助于此。在停车和城市驾驶中尤其如此，其中车轮处的再生能量在存储在电池中时受到效率的打击而在用于驱动车轮时会产生另一效率。此外，在功率分流式提供的扭矩和速度域中的发动机操作中的连续自由度有助于优化发动机操作以实现峰值系统效率。
性能
与内燃机不同，电动机可以零速度产生扭矩。这一特性推动了电动汽车的卓越性能，特别是在发动过程中。这种无缝扭矩可在零速或低速下提供，有助于提高动力装置和并联式混合动力车的加速性能。对于给定的电动机转矩，由于传统变速器的第一传动比，并联系统可以实现比动力分配显着更高的峰值加速度。在更高功率运行期间，电池和电机功率补充发动机功率，以改善并联和电力切割的性能。
驾驶性/平整度
并联混合动力的驾驶性能/平稳性属性由变速器换档特性决定。它仅略微改进，并不比相应的传统动力系的特性更好。与并联混合动力车相关的显着驾驶挑战是在重新减速事件期间管理换档。这是因为在降速过程中必须中断减速期间通过变速器传输的功率。然而，对于动力分配，由于缺少换档，可驾驶性得到极大改善。由于动力总成的“eCVT”特性，功率分流式操作是无缝的。
最大车速
通常，在简单的动力分配混合动力车中，从车轮到电动机具有固定的传动比。这意味着最大车轮速度有时会受到电机最大运行速度的限制。因此，最大车速可以在运动学上受到电动机的最大速度的限制。由于变速器中可用的齿轮比不同，并联式混合动力车没有这种限制。而且，对于动力分配，发电机必须提供反作用扭矩，以便将发动机动力传递到车轮。始终存在用于发动机动力到达车轮的机械和电气路径。电路径以热量的形式产生损耗。产生的热量可以成为确定在降额之前可以维持最大车速多长时间的限制因素。传统的动力系统和并联式混合动力车也具有热约束。热管理系统需要排除动力系（发动机，变速器，传动系）产生的热量，以维持最大速度。 功率分流式的电气侧面的热限制和挑战与传统动力系统的不同。假设已经针对给定车辆应用的传统动力系统解决了挑战，那些解决方案通常也适用于并联混合动力车。 功率分流式存在独特的挑战，在实施同一车辆上的传统动力总成工作未涵盖的系统时必须解决这些挑战。
牵引力
牵引通常表征为持续的高功率操作。出于与上述用于持续最大速度操作相同的原因，功率分流式通常具有降低的牵引能力。在持续牵引期间在电路径中产生的热量可能是牵引负载的限制因素。并联式混合动力车在持续牵引过程中与传统动力系统一样有效运行。因此，它们具有与传统动力系统相同的牵引能力。
电驱动效率
由于在电力路径中存在传统的变速器，并联式混合动力车具有较低的EV驱动效率。 变速器通常比动力分配器的中间齿轮具有更多的损耗。 这导致并联混合动力车的EV驱动效率较低。 与并联混合动力车相比，功率分流式的效率提高使得功率分流式架构更适合PHEV应用。
表2. 功率分流式与Parallel Hybrid客户属性比较，假设传统车辆为基线。 比较是针对相同尺寸的车辆和相同的发动机和电池。
系统与功能属性比较
虽然对客户不明显，但系统和功能属性是架构选择过程中的重要考虑因素。表3突出显示了一些系统和功能级别属性，并将每个并行和功率分流式混合架构的相对位置与传统车辆作为基线进行了比较。和以前一样，比较适用于具有相同发动机和电池的相同尺寸的车辆。
包传输和eDrive
并联式混合动力车需要将附加的电动机和相关的电力电子设备与已经存在的传统变速器一起打包。这增加了现有动力传动系统的长度，并且对前轮驱动车辆提出了显着的包装挑战。 功率分流式s用行星齿轮组和中间齿轮组代替现有的变速驱动桥，从而减少了挑战。
CVT功能
由于缺乏步进传动，功率分流式s提供“eCVT”功能。这导致车辆的优越的驾驶性能和平稳操作。
EV和Regen效率
在EV模式下，功率分流式中的电池电量流通过电机和中间齿轮到车轮。该路径中的损耗低于并联混合动力，其中电动机功率受到传统变速器的损失。与并联混合动力相比，这导致动力分配的EV效率更高。对于再生路径也是如此。 EV和再生效率的损失成为插电式混合动力车（PHEV）的关键考虑因素，它可以对该系列产生重大影响。此外，由于传输损耗增加，与功率分流式相比，并联混合动力车的EV驱动能力更低（对于相同的电池功率）。
反向能力
这里讨论的单模输入动力分配系统没有机械倒档。仅通过沿相反方向运行电动机通过电路实现反向操作。这导致反向操作受到电动机能力和电池状态的限制。并联式混合动力车具有类似于传统车辆的机械倒档，并且可以使用全发动机扭矩和动力进行反向操作。
发动机动力转向车轮
基本上，在简单的动力分配操作中，为了使发动机动力到达车轮，发电机必须提供反作用力矩。这意味着发动机功率始终通过机械和电气路径传递到车轮。仅通过机械路径不可能为车轮提供动力。并联混合动力不具有这种约束，因为机械和电气路径是平行的并且因此彼此独立。
电源组共性
功率分流式中的组件（发电机，电机等）的设计和尺寸适用于给定的发动机。例如，发电机扭矩能力设定为匹配发动机扭矩;增加发动机扭矩能力要么要求发电机调整大小要么要求发动机以低于其全部能力运行。这使得难以在多个引擎或车辆段上成本优化功率分流式架构。 并联式没有这种限制，因为电气化作为现有传统动力系统的并行路径而增加。增加发动机的尺寸对电机尺寸没有显着影响。
表3. 功率分流式与并联混合系统/功能属性比较，假设传统车辆为基线。比较是针对相同尺寸的车辆和相同的发动机和电池。
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资料编号：[3519]</st
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