混聯(lián)式混合動(dòng)力耦合系統(tǒng)構(gòu)型分析(一)

◆文/江蘇 高惠民

高惠民 (本刊編委會(huì)委員)

現(xiàn)任江蘇省常州外汽豐田汽車銷售服務(wù)有限公司技術(shù)總監(jiān)，江蘇技術(shù)師范學(xué)院、常州機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院汽車工程運(yùn)用系專家委員，高級(jí)技師。

一、混聯(lián)式混合動(dòng)力耦合系統(tǒng)概述

汽車的節(jié)能與環(huán)保是當(dāng)前汽車行業(yè)比較重要的研究方向之一。傳統(tǒng)汽車由單一動(dòng)力驅(qū)動(dòng)，所有動(dòng)力均來(lái)自發(fā)動(dòng)機(jī)，使得汽車在動(dòng)力匹配方面是按最高車速、最大爬坡度以及極限加速性等動(dòng)力性要求來(lái)設(shè)計(jì)發(fā)動(dòng)機(jī)功率的，這與整車一般行駛工況下的功率需求之間存在很大差別。各種試驗(yàn)表明傳統(tǒng)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)有三分之二以上時(shí)間工作在輕載、低負(fù)荷區(qū)域(1 200r/min，40N.m以下)，而此區(qū)域的燃油消耗約占總油耗的二分之一。針對(duì)這一問(wèn)題，使傳統(tǒng)汽車混合動(dòng)力化無(wú)疑是從純內(nèi)燃機(jī)汽車向純電動(dòng)汽車過(guò)渡期內(nèi)的最優(yōu)選擇。近年來(lái)市場(chǎng)上涌現(xiàn)出大量的混合動(dòng)力車型，其中混聯(lián)式(又稱功率分流式)混合動(dòng)力系統(tǒng)車型應(yīng)用較廣泛?；炻?lián)式混合動(dòng)力汽車都以行星齒輪機(jī)構(gòu)作為核心動(dòng)力耦合構(gòu)型(Powe—Split Device PSD)。該動(dòng)力耦合構(gòu)型可以實(shí)現(xiàn)電子無(wú)級(jí)變速功能(Electric continuously Variable Transmission，ECVT),在動(dòng)力性和燃油經(jīng)濟(jì)性方面優(yōu)勢(shì)明顯。本文將選擇當(dāng)前在國(guó)內(nèi)上市的較為典型的行星式混聯(lián)混合動(dòng)力汽車ECVT構(gòu)型進(jìn)行介紹，主要包括以日本Toyota汽車公司的單模輸入式功率分流構(gòu)型為主，最具代表性的Toyota Hybrid Ssystem(簡(jiǎn)稱THS)系統(tǒng)和以美國(guó)GM汽車公司的雙模功率分流構(gòu)型為主的Advanced Hybrid System(簡(jiǎn)稱AHS)系統(tǒng)，對(duì)這兩種系統(tǒng)的ECVT工作原理和各自特點(diǎn)進(jìn)行分析，展示行星式混聯(lián)混合動(dòng)力耦合系統(tǒng)構(gòu)型的優(yōu)點(diǎn)。

二、典型ECVT構(gòu)型

混聯(lián)式混合動(dòng)力汽車?yán)眯行驱X輪排實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)/電動(dòng)機(jī)(MG1)、驅(qū)動(dòng)電機(jī)(MG2)與車輛輸出軸之間的功率分流?？刂苾蓚€(gè)電機(jī)可以使得發(fā)動(dòng)機(jī)與車速解耦，從而使得發(fā)動(dòng)機(jī)能夠長(zhǎng)期工作在最佳工作效率區(qū)域。這是混聯(lián)式混合動(dòng)力汽車相比于串聯(lián)式、并聯(lián)式混合動(dòng)力汽車更加高效的主要原因。按照功率分流的方式可以將ECVT分成單模構(gòu)型和雙模構(gòu)型，其中單模構(gòu)型又可分為三種模式：

第一種模式是輸入分流式(Input-split)，特點(diǎn)是將發(fā)動(dòng)機(jī)和一個(gè)電機(jī)分別連在行星齒輪排上的兩個(gè)不同節(jié)點(diǎn)(杠桿分析法中將行星齒輪機(jī)構(gòu)中太陽(yáng)輪S、齒圈R、行星架PC的嚙合點(diǎn)看成節(jié)點(diǎn))上，剩下的一個(gè)節(jié)點(diǎn)連接另一個(gè)電機(jī)和輸出軸。豐田THS系統(tǒng)的普銳斯用的就是這種構(gòu)型，是現(xiàn)今非常成熟的一種構(gòu)型。

第二種模式是輸出分流式(Output-split)，將輸出軸和一個(gè)電機(jī)分別連在行星齒輪排上的兩個(gè)不同節(jié)點(diǎn)上，剩下的一個(gè)節(jié)點(diǎn)連接另一個(gè)電機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)。GM汽車公司第一代沃藍(lán)達(dá)用的就是這種構(gòu)型，車型也十分暢銷。

第三種模式是復(fù)合分流式(Compound-split)，將兩行星齒輪排中三個(gè)節(jié)點(diǎn)中的兩個(gè)節(jié)點(diǎn)連接起來(lái)，這樣可形成一個(gè)有四個(gè)節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)，再將發(fā)動(dòng)機(jī)、兩個(gè)電機(jī)和輸出軸分別連在這4個(gè)節(jié)點(diǎn)上，雖然復(fù)合分流式構(gòu)型還沒(méi)有在實(shí)車上得到廣泛應(yīng)用。但是，復(fù)合分流式與輸入分流式構(gòu)型組合可以獲得雙模構(gòu)型(Twomode)，相比于單模構(gòu)型，雙模構(gòu)型中發(fā)動(dòng)機(jī)具有更廣的工作區(qū)間，并且傳動(dòng)效率更高。如GM汽車公司AHS系統(tǒng)ECVT構(gòu)型。

1.豐田THS系統(tǒng)ECVT構(gòu)型

縱觀豐田公司在 ECVT 混合動(dòng)力耦合構(gòu)型方面的發(fā)展路線和技術(shù)成就，可以總結(jié)出如表1的科研成果路線。

從單排到雙排，從Prius 到Lexus GS450h(Lexus LS600h)，豐田公司的 ECVT 構(gòu)型演變非常清晰，始終以最原始的THS構(gòu)型作為精華部分，在其基礎(chǔ)上進(jìn)行演變，逐漸多樣化、復(fù)雜化，又產(chǎn)生了其它各種各樣的性能優(yōu)越的構(gòu)型。

(1)雙擎卡羅拉混合動(dòng)力ECVT構(gòu)型

雙擎卡羅拉屬于THS-II混合動(dòng)力系統(tǒng)。該系統(tǒng)與普銳斯相同，采用了豐田汽車公司具有發(fā)明專利的雙排行星齒輪機(jī)構(gòu)的混合動(dòng)力車輛傳動(dòng)橋,構(gòu)型簡(jiǎn)圖如圖1所示。

表1 豐田THS系統(tǒng)ECVT構(gòu)型科研成果路線

圖1 雙擎卡羅拉ECVT構(gòu)型圖

(2)雷克薩斯LS600h混合動(dòng)力ECVT構(gòu)型

雷克薩斯LS600h混合動(dòng)力系統(tǒng)有排量5L，功率為290kW發(fā)動(dòng)機(jī)和ECVT組成。ECVT構(gòu)造包括發(fā)電機(jī)/電動(dòng)機(jī)MG1、驅(qū)動(dòng)電機(jī)MG2(輸出功率260kW)，雙行星齒輪排和兩個(gè)制動(dòng)器。其構(gòu)型仍屬于豐田混合動(dòng)力THS-II系統(tǒng)，又稱為輸入分配增扭型結(jié)構(gòu)，其構(gòu)型如圖2所示。

圖2 雷克薩斯L600h ECVT構(gòu)型圖

ECVT構(gòu)型的前排是一個(gè)普通的行星齒輪機(jī)構(gòu)，而后排采用了拉維娜氏(Ravigneaux)的行星齒輪機(jī)構(gòu)，因此為雙行星排式混合力耦合構(gòu)型。后排的拉維娜氏結(jié)構(gòu)又單獨(dú)被稱為復(fù)合式行星齒輪機(jī)構(gòu)(Compound Planetary Gear)，從本質(zhì)上觀察分析可知，它由兩個(gè)普通的行星齒輪巧妙的組合而成。它包含兩個(gè)太陽(yáng)輪：前小太陽(yáng)輪和后大太陽(yáng)輪，含有一個(gè)由兩個(gè)半徑不同的行星架組合而成的公共的復(fù)合式行星架，兩組行星架上的行星輪都能夠圍繞行星架獨(dú)立旋轉(zhuǎn)，但同一時(shí)刻只存在一個(gè)固定速比。小行星架的內(nèi)行星輪與前小太陽(yáng)輪相嚙合，齒圈也同樣與大行星架的外行星齒輪相嚙合。由此可見(jiàn)，拉維娜氏行星齒輪機(jī)構(gòu)可以看作一個(gè)雙行星齒輪共用一個(gè)行星架和一個(gè)齒圈。

在動(dòng)力輸入連接上，前排行星齒輪機(jī)構(gòu)屬于動(dòng)力分配行星齒輪機(jī)構(gòu)，太陽(yáng)齒輪連接至 MG1、行星架連接發(fā)動(dòng)機(jī)、齒圈連接后排行星架輸出扭矩。后排拉維娜氏行星齒輪機(jī)構(gòu)屬于電機(jī)MG2減速增扭行星齒輪機(jī)構(gòu)，其前小太陽(yáng)齒輪連接至B1制動(dòng)器，后大太陽(yáng)齒輪連接至MG2，齒圈連接至B2制動(dòng)器、行星架與前排齒圈連接輸出扭矩。通過(guò)液電控制，操作B1和B2制動(dòng)器，系統(tǒng)能將MG2轉(zhuǎn)速在低速檔和高速檔之間切換,如圖3所示。使得車輛最大輸出功率總和達(dá)到327kW，0～100km加速時(shí)間6.4s，綜合油耗9.6L。

關(guān)于幸福，在我們身份角色轉(zhuǎn)換中也展現(xiàn)著不一樣的內(nèi)容，父母從承擔(dān)養(yǎng)兒女責(zé)任中感受成長(zhǎng)的幸福，愛(ài)人在積極溝通傾聽(tīng)你我中互相理解，當(dāng)我們走向社會(huì)，工作是我們的熱愛(ài)，與他人往來(lái)也不必遮掩自我，這就是池莉展現(xiàn)給讀者的具象的幸福。為普通大眾在凡俗人生眾追求幸福提供了指南。

圖3 LS600h高低速切換及扭矩輸出

2.通用AHS系統(tǒng)ECVT構(gòu)型

縱觀美國(guó)GM公司在EVT混合動(dòng)力耦合系統(tǒng)方面的技術(shù)演變路線并沒(méi)有Toyota公司那么清晰明朗，而且結(jié)構(gòu)上比Toyota公司更為復(fù)雜,多數(shù)集中于雙排、三排行星齒輪機(jī)構(gòu)的研究，尤其是在三排方面，發(fā)表了一些專利，如表2所示。

表2 通用AHS系統(tǒng)ECVT構(gòu)型總結(jié)

(1)雪弗蘭君越30H混合動(dòng)力ECVT構(gòu)型

雪弗蘭君越30H混合動(dòng)力采用了通用5ET50變速器。5ET50變速器是一款集機(jī)械驅(qū)動(dòng)和電機(jī)驅(qū)動(dòng)的ECVT，它具有無(wú)級(jí)變速、兩個(gè)行星齒輪排動(dòng)力耦合、三組離合器和1組制動(dòng)器控制、四種驅(qū)動(dòng)模式等特點(diǎn)。ECVT技術(shù)參數(shù)如表3所示。

表3 5ET50 ECVT技術(shù)參數(shù)

5ET50：

5—5種驅(qū)動(dòng)模式；

E—電子變速器；

50—產(chǎn)品系列。

在全新一代君越30H全混動(dòng)上只使用了4種驅(qū)動(dòng)模式，ECVT的構(gòu)型如圖4所示。

圖4 君越30H混合動(dòng)力ECVT構(gòu)型

扭轉(zhuǎn)減振器與旁通離合器——安裝在變速器前端，連接發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)盤(pán)與輸入行星齒輪排的齒圈。扭轉(zhuǎn)減振器總成內(nèi)部包含一個(gè)單向離合器，在發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)將減振器旁通。

輸入行星齒輪排——太陽(yáng)輪直接連接電動(dòng)機(jī)/發(fā)電機(jī)A；齒圈通過(guò)扭轉(zhuǎn)減振器連接發(fā)動(dòng)機(jī)；行星架與輸出行星齒輪排的行星架直接連接，通過(guò)鏈條連接至主減速器輸出動(dòng)力。

輸出行星齒輪排—太陽(yáng)輪直接與電動(dòng)機(jī)/發(fā)電機(jī)B連接；齒圈通過(guò)低速離合器B1連接殼體，通過(guò)離合器C1鏈接電動(dòng)機(jī)/發(fā)電機(jī)A；行星架與輸入行星齒輪排的行星架連接，輸出動(dòng)力。

離合器C1—安裝在電動(dòng)機(jī)/發(fā)電機(jī)A的轉(zhuǎn)子上，并與輸出行星齒輪排的齒圈連接。

低速離合器B1安裝在變速器殼體中，固定輸出行星齒輪排齒圈。5ET50變速器運(yùn)行模式如表4所示。

5ET50變速器各個(gè)運(yùn)行模式狀態(tài)和過(guò)渡狀態(tài)如圖5所示，發(fā)動(dòng)機(jī)、MG1、MG2的輸入轉(zhuǎn)速與車輛行駛速度的關(guān)系如圖6所示。雪弗蘭君越30H混合動(dòng)力汽車綜合油耗為4.7L/100km。

表4 5ET50變速器運(yùn)行模式

圖5 君越30H混合動(dòng)力ECVT工作模式切換圖

圖6 君越30H混合動(dòng)力ECVT組件轉(zhuǎn)速與車輛速度關(guān)系圖