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解析VELITE 5混动技术

文章出处:飞灵汽车 发布时间: 2017/06/19 | 688 次阅读

随着汽车能耗和排放问题的日益突出,发展已经成为汽车行业的大趋势,而已经成为新能源汽车突破的两大主要方向。但就现阶段来说,纯电动汽车还有很多技术壁垒尚未取得突破性进展,相比之下发展混合动力汽车目前更合时宜,技术也相对成熟。

混合动力技术流派众多,但是在能耗和性能之间找到最优解的却屈指可数,其中包括通用、丰田和本田。通用、丰田等也是少数几家掌握了PS型(Power Split 功率分流型)这种先进混合动力构型的厂家,PS型也是目前公认的最优解的混动构型,而这其中又以通用的Gen2 VOLTEC系统最为出色。在最近刚上市的别克VELITE 5上搭载的就是Gen2 VOLTEC混动技术,从VELITE 5上这套混合动力系统实际驾驶表现来看,做到了能耗、排放和性能的平衡,所搭载的这套电驱技术可以当作未来十年混动技术的路线图来参考。

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之所以这么说,一方面源于VELITE 5先进的混动技术构型,另一方面则是它有着高效的控制策略,使之成为目前综合油耗最低(百公里综合油耗0.9L),纯电续航里程最长(116km)的国内生产的混合动力车型,综合里程达到了768km。那么VELITE 5为何能如此优异的数据领跑全行业?我们不妨来对它的动力总成工作原理,进行一个深度的解析。

VELITE 5上这套电驱系统来源于通用在北美已经名声赫赫的第二代VOLTEC技术 。VELITE 5的动力部分由1.5L直喷发动机、容量18kWh的三元锂电池组、一台最大扭矩287N·m/功率83kW的主电机,一台最大扭矩120N·m/功率52kW的副电机组成。电驱系统综合功率达到110kW,综合扭矩398N·m,动力综合参数已经超过了主流2.0T发动机的水平,同时这套混合动力总成已连续两年的沃德十佳。

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通用给VELITE 5取名为增程型混合动力车,从实际工作模式来说,与传统意义的增程型混动并不一样,因为它的主要驱动模式并非发动机与电机为串联的增程式工作模式,而是由一套复杂的控制程序来实现了多种驱动模式。简单来说VELITE 5是有两种不同控制逻辑:在电池电量高于最低限值(电池SOC 20%左右)时,依据扭矩需求来决定是采用单电机还是双电机驱动,与车速无关。在电池电量达到最低限值时,则采用HEV模式,包括单双电机驱动、混合驱动、并联驱动、发动机直驱多种工作模式,根据车辆行驶工况去精准控制能耗。

要说明白这个,我们需要借助几张简图来进行说明。

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VELITE 5的电量高于电池最低限值(SOC值20%左右)时的工作模式

VELITE 5的工作模式可以分为两个阶段来分解,在电池电量高于最低限值时,它完全是采用纯电驱动,扭矩需求大则采用双电机,扭矩需求小则采用主电机单独驱动,在这个阶段它与纯电动汽车没有任何区别。以下图中红色箭头均表示能量的流动方向。

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发动机不参与工作,离合器2结合,扭矩需求低时主电机驱动车辆行驶

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发动机不参与工作,离合器2结合,扭矩需求高时主副电机共同驱动车辆行驶

在这个过程中,主电机(MGB)还要负责制动和减速时的能量回收。整个过程中电机驱动的工况可以参考下面这张车轴扭矩与速度的关系图:

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在车内的车载中控屏幕上,我们也能看到此刻行驶中的车辆能量的流示图,区别在于我们无法看出此刻是属于单电机还是双电机驱动。

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纯电驱动时的中控屏幕的能量流示图、仪表处能实时监测纯电续航里程

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能量回收

VELITE 5的电量达到电池最低限值(SOC值20%左右)时的混动工作模式

当VELITE 5的电池电量达到最低限值(这个值并非恒定,而是随着使用工况在波动)时,此时在电子仪表上显示的纯电续航为0,整个VOLTEC系统的工作模式实际和新君越30H一样都是采用的HEV模式。

在起步阶段,在扭矩需求(轮上扭矩低于2000N·m)不超过电机输出时,且车速在20km/h之内,车辆依然采用纯电驱动,与电池SOC高于20%时的电驱动不同的是,此时的电流输出受到限制,最大扭矩输出要小于双电机的最大扭矩输出,又高于主电机的最大扭矩输出。这样设计的好处是可以让发动机规避低速启动时候的高负荷运转,发动机保持在最佳工作区间,规避高能耗运转工况。VOLTEC的工作模式与电池SOC高于20%时的电驱动一样。

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发动机不参与工作,离合器2结合,扭矩需求低时主电机驱动车辆行驶

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发动机不参与工作,离合器2结合,扭矩需求高时主副电机共同驱动车辆行驶

当起步阶段扭矩输出需求高于电机的最大扭矩输出时,此时电驱系统处于一种混联的工作模式,通过调节负载让发动机维持在高效率区间运转,同时将多余的能量用来发电,以及让电机来弥补此时扭矩输出的不足。此时离合器2结合,发动机启动运转,发动机动力一部分经过1号齿圈传递给1号行星座,驱动车辆,另外一部分动力则由行星齿轮带动1号太阳轮让MGA电机发电,部分给MGB电机,或者全部给B电机,B电机则同时驱动车辆。在此工况下的能量回收过程中,MGA还要负责平衡发动机的负扭矩,MGB则用来回收能量。

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这种工作模式主要可覆盖两种扭矩需求工况,一种是车速在0~60km/h之间的高扭矩需求工况,还有一种就是车速在20~40km/h的低扭矩需求工况。此时的能量流示图如下图:

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高扭矩输出时的能量流示图

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低扭矩输出时的能量流示图

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能量回收时的能量流示图

在车辆处于中高速行驶时,VELITE 5电驱系统会采用一种固定速比的工作模式,此时发动机的能量几乎完全用于驱动车轮。这种工况下发动机负载小、能耗低,处于高效率区间运转,因此不需要去进行混合驱动。系统运转模式如下:1号太阳轮被1号离合器锁止不转,发动机带动1号齿圈通过1号行星座以固定的齿比驱动车辆,而MGB电机则通过2号行星座向车轮提供动力或者吸收动力发电(车辆在制动或者减速过程中,MGB电机成为发动机对电池充电),此时2号齿圈也被锁止,MGB电机与车轮之间的转速也是固定齿比。此过程的能量回收依然由MGB执行,且MGB还需要参与平衡发动机的负扭矩,MGA完全不参与工作。

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这种模式实际也分两个情况,一种是低扭矩输出公工况,车速在40~60km/h之间,一种是高扭矩输出工况,车速在70~110km/h之间。能量流示图如下:

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发动机直驱

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发动机直驱与主电机参与驱动

在车辆处于高速巡航时,VELITE 5电驱系统会采用一种高速增程模式来运转。此时离合器1锁止,离合器2断开。发动机一部分动力从1号行星座直接驱动车辆,另外一部分动力则通过1号太阳轮传送到2号齿圈,再传给2号行星座驱动车辆,2号行星齿轮还分出部分动力给MGB电机发电。而MGB电机则要么将发出的电给MGA电机,MGA电机驱动1号太阳轮,要么流出部分电给电池。这个和低速增程模式的区别主要是改变了发动机到车轮的齿比,以保证较高车速下发动机处于低负载的高效区间。类似于常规动力的发动机与变速箱在高低档位的工作区别。能量回收的过程与低速增程模式一样。

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这种模式实际也分两个情况,一种是低扭矩输出公工况,车速在60km/h以上,一种是高扭矩输出工况,车速在110km/h以上。能量流示图如下:

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高扭矩输出时的能量流示图

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低扭矩输出时的能量流示图

VELITE 5在电池SOC值达到20%左右时,实际的驱动工况也可以参考下面这张车轴扭矩与速度的关系图:

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从图中我们可以很直观的看到在各工况下的扭矩以及速度都有重叠区间,在这些重叠区间,VELITE5的这套混动的控制策略完全基于发动机的负载来调节,尽可能让发动机处于更高效率的区间运转,这也是这套系统的精髓所在。

VELITE5在行驶过程中的电量也可以用下图来进行一个说明。电池的电量在达到SOC值最低要求时,就会进行HEV模式,电量会在最低值附近浮动。这里需要说明一点就是为什么电池的电量不是完全消耗完再进行HEV模式,笔者的推测是通用的工程师一方面是为了防止电池的过放电对电池的伤害,一方面让电机随时参与驱动去调节发动机的负载,补充扭矩,让发动机尽可能维持高效率区间运转,这也是为什么SOC的最低值是浮动的原因。

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VELITE5这套精细的能耗管理策略,以及先进的混动系统构型,让它可以轻松满足未来十年内的全球各地区的能耗以及排放法规,所以它完全可以被当作未来十年混动技术的路线图来参考。

技术资料出处:飞灵汽车
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