凱美瑞、雅閣及君威混合動力系統(tǒng)的技術(shù)分析(下)

◆文/山東 劉華

(接上期)

3.君威30H電控變速器

2017款別克君威30H混合動力汽車安裝了型號為5ET50的電控智能無級變速器(EVT)，變速器內(nèi)部集成了2個驅(qū)動電機(jī)、2組行星齒輪機(jī)構(gòu)、3組離合器、扭轉(zhuǎn)減振器及電源轉(zhuǎn)換器模塊PIM、油泵等部件(圖8)。

圖8 變速器結(jié)構(gòu)圖

(1)扭轉(zhuǎn)減振器及減振器旁通離合器

扭轉(zhuǎn)減振器總成內(nèi)含1個減振器旁通離合器，它安裝在變速器的前端，通過1個離合器接盤直接安裝在發(fā)動機(jī)飛輪上。它的主要功能是在發(fā)動機(jī)和變速器之間傳遞動力。當(dāng)發(fā)動機(jī)向變速器傳遞動力時，離合器分離，扭轉(zhuǎn)減振器工作，使動力傳遞更加平順；在啟動工況時，將由變速器內(nèi)的電機(jī)驅(qū)動發(fā)動機(jī)，此時離合器結(jié)合，將扭轉(zhuǎn)減振器旁通，快速啟動發(fā)動機(jī)(圖9)。

(2)輸入行星齒輪組、輸出行星齒輪組

輸入行星齒輪組安裝在變速器前端，其主要部件有輸入太陽輪、輸入內(nèi)齒圈及輸入行星架。其中，輸入太陽輪通過其驅(qū)動軸的花鍵直接連接在驅(qū)動電機(jī)/發(fā)電機(jī)A的轉(zhuǎn)子上。輸入內(nèi)齒圈外部連接在扭轉(zhuǎn)減振器總成上，輸入行星齒輪架通過鏈條連接至主減速器從動齒輪，再經(jīng)差速器、半軸將動力傳至前輪，駐車鎖止結(jié)構(gòu)的棘輪也集成在輸入行星架上(圖10)。

輸出行星齒輪組安裝在變速器的后端，其主要部件有輸出太陽輪、輸出內(nèi)齒圈和輸出行星架。輸出太陽輪直接連接在驅(qū)動電機(jī)/發(fā)電機(jī)B的轉(zhuǎn)子上，輸出內(nèi)齒圈通過低速離合器可以被固定在殼體上，輸出行星架與輸入行星架通過花鍵連接為一個整體并輸出 。

圖9 扭轉(zhuǎn)減振器及旁通離合器

圖10 輸入行星齒輪組

(3)高速離合器、低速離合器

高速離合器安裝在驅(qū)動電機(jī)/發(fā)電機(jī)A的轉(zhuǎn)子上，它的形式為液壓驅(qū)動多片式離合器(圖11)。離合器結(jié)合后，可以將驅(qū)動電機(jī)/發(fā)電機(jī)A與輸出內(nèi)齒圈連接在一起。

低速離合器(也可稱為制動器)安裝在變速器中部，也為液壓驅(qū)動多片式離合器。低速離合器接合后，可以將輸出內(nèi)齒圈與變速器的殼體連接而被固定。

(4)驅(qū)動電機(jī)/發(fā)電機(jī)A、驅(qū)動電機(jī)/發(fā)電機(jī)B及電機(jī)轉(zhuǎn)速位置傳感器

驅(qū)動電機(jī)/發(fā)電機(jī)A安裝在變速器的后部，也是三相交流同步電機(jī)。該電機(jī)主要作為發(fā)電機(jī)使用，高速模式下也可以參與驅(qū)動，另外，在車輛靜止或行駛時，可以作為啟動機(jī)，倒拖啟動發(fā)動機(jī)。驅(qū)動電機(jī)/發(fā)電機(jī)B安裝在變速器的前部，為三相交流同步電機(jī)，與驅(qū)動電機(jī)/發(fā)電機(jī)A的結(jié)構(gòu)相同。該電機(jī)的主要作用是驅(qū)動車輛，在車輛滑行或制動時，作為發(fā)電機(jī)使用，回收制動能量(圖12)。與凱美瑞、雅閣混合動力車類似，君威30H混合動力車的每個電機(jī)內(nèi)部也安裝1個電機(jī)轉(zhuǎn)速位置傳感器，其結(jié)構(gòu)、原理基本相同。

圖11 輸出行星齒輪組

圖12 電機(jī)及PIM模塊

(5)電源轉(zhuǎn)換器模塊PIM

君威30H混合動力汽車的電源轉(zhuǎn)換模塊PIM的安裝位置與凱美瑞、雅閣混合動力汽車不同，它集成在變速器的內(nèi)部，為兩個電機(jī)的主控模塊。PIM模塊同樣采用獨(dú)立的水冷方式，使用專用的冷卻循環(huán)系統(tǒng)，與發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)分離。

(6)液壓油泵

君威30H混合動力車變速器的液壓油泵采用電驅(qū)動的方式，為3組離合器提供液壓供應(yīng)及變速器內(nèi)部的潤滑、冷卻循環(huán)。油泵電機(jī)為三相交流電機(jī)，由PIM模塊直接驅(qū)動，電機(jī)及油泵總成安裝在變速器的下方。

四、混合動力系統(tǒng)及工作模式

轎車混合動力系統(tǒng)主要分為串聯(lián)、并聯(lián)及混聯(lián)三種類型。2018款凱美瑞(THS-Ⅱ系統(tǒng))、2017款君威30H車的混合動力系統(tǒng)均為混聯(lián)式，而2016款雅閣車混合動系統(tǒng)(i-MMD系統(tǒng))在串聯(lián)式基礎(chǔ)上同時具備發(fā)動機(jī)直接驅(qū)動車輪的特殊混合動力模式。上述凱美瑞、君威車的混合動力系統(tǒng)類似，均采用雙行星齒輪結(jié)構(gòu)作為發(fā)動機(jī)與雙電機(jī)的動力耦合裝置，不同之處在于凱美瑞車的雙行星齒輪結(jié)構(gòu)的齒圈為復(fù)合式(位于復(fù)合齒輪上)且對外輸出動力，而君威車的雙行星齒輪結(jié)構(gòu)的行星架為組合整體式且對外輸出動力。雅閣車的混合動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、特殊，通過設(shè)置超越離合器來改變動力傳遞路徑，從而實現(xiàn)在驅(qū)動發(fā)電機(jī)或驅(qū)動車輪之間切換發(fā)動機(jī)的動力輸出。上述三種車型混合動力系統(tǒng)的主要參數(shù)對比列于表4。

表4 三款車混合動力動力系統(tǒng)的主要參數(shù)對比

對比上述三款車型的混合動力系統(tǒng)的主要參數(shù)，可以看出凱美瑞與雅閣車的混合動力系統(tǒng)的最大功率相近，但是，凱美瑞車的發(fā)動機(jī)功率大而驅(qū)動電機(jī)的功率小，這與上述兩款車型的混合動力系統(tǒng)設(shè)計理念不同有關(guān)。

1.2018款凱美瑞混合動力車工作模式

2018款凱美瑞車混合動力系統(tǒng)傳動原理如圖13所示。該混合動力轎車有發(fā)動機(jī)啟動、純電機(jī)驅(qū)動、混合驅(qū)動、減速或制動時能量回收等多種工作模式。2018款凱美瑞混合動力轎車有發(fā)動機(jī)啟動、純電驅(qū)動、混合驅(qū)動、減速或制動時能量回收等多種工作模式。

圖13 凱美瑞車混合動力系統(tǒng)傳動原理示意圖

(1)發(fā)動機(jī)啟動

當(dāng)車輛靜止時，當(dāng)變速桿位于P擋、點(diǎn)火開關(guān)位于“ON”位置、儀表上的“READY”指示燈亮?xí)r，若此時高壓電池的剩余電量SOC值在目標(biāo)范圍內(nèi)，發(fā)動機(jī)處于停止?fàn)顟B(tài)，若SOC值低于目標(biāo)值，電機(jī)MG1作為啟動機(jī)啟動發(fā)動機(jī)，動力傳遞路線為：電機(jī)MG1→動力分配行星齒輪機(jī)構(gòu)的太陽輪→動力分配行星齒輪機(jī)構(gòu)的行星架→發(fā)動機(jī)。發(fā)動機(jī)被驅(qū)動而啟動著火后，發(fā)動機(jī)驅(qū)動電機(jī)MG1發(fā)電并向高壓電池充電，SOC值提高到目標(biāo)值后，發(fā)動機(jī)停止工作。

(2)純電機(jī)驅(qū)動(EV模式)

當(dāng)車輛掛前進(jìn)擋行駛時，發(fā)動機(jī)停止工作，電機(jī)MG2以固定傳動比驅(qū)動車輛純電行駛，電機(jī)MG2驅(qū)動的動力傳遞路線為：電機(jī)MG2→電機(jī)減速行星齒輪機(jī)構(gòu)的太陽輪→電機(jī)減速行星齒輪結(jié)構(gòu)的齒圈→兩級減速裝置、差速器、半軸→車輪。同時，由于電機(jī)減速行星齒輪機(jī)構(gòu)的齒圈(與動力分配行星行星齒輪機(jī)構(gòu)的齒圈為整體式)被驅(qū)動，動力分配行星行星齒輪機(jī)構(gòu)的行星架被固定(發(fā)動機(jī)停止轉(zhuǎn)動)，因此，動力分配行星行星齒輪機(jī)構(gòu)的太陽輪必須轉(zhuǎn)動，即電機(jī)MG1同時轉(zhuǎn)動，但此時電機(jī)MG1既不是作為驅(qū)動電機(jī)也不是作為發(fā)電機(jī)使用而僅僅是空轉(zhuǎn)。

當(dāng)車輛掛倒擋行駛時，同樣是發(fā)動機(jī)停止工作而電機(jī)MG2驅(qū)動車輛，與車輛前進(jìn)擋純電驅(qū)動比較，只需改變電機(jī)MG2的旋轉(zhuǎn)方向即可實現(xiàn)倒車功能。車輛純電行駛時，當(dāng)高壓電池的電量下降到目標(biāo)值時，電機(jī)MG1立即拖動發(fā)動機(jī)啟動著火，發(fā)動機(jī)驅(qū)動電機(jī)MG1發(fā)電供給電機(jī)MG2或給高壓電池充電。

(3)混合動力驅(qū)動(HV模式)

當(dāng)車輛處于混合驅(qū)動模式時，發(fā)動機(jī)以及電機(jī)MG2產(chǎn)生的動力共同驅(qū)動車輛行駛，而電機(jī)MG1處于發(fā)電狀態(tài)。電機(jī)MG2驅(qū)動的動力傳遞路線為：電機(jī)MG2→電機(jī)減速行星齒輪機(jī)構(gòu)的齒圈→兩級減速裝置、差速器、半軸→車輪；發(fā)動機(jī)驅(qū)動的動力傳遞路線為：發(fā)動機(jī)→動力分配行星齒輪機(jī)構(gòu)的行星架→動力分配行星齒輪機(jī)構(gòu)的齒圈→兩級減速裝置、差速器、半軸→車輪；電機(jī)MG1的動力傳遞路線為：發(fā)動機(jī)→動力分配行星齒輪機(jī)構(gòu)的行星架→動力分配行星齒輪機(jī)構(gòu)的太陽輪→電機(jī)MG1(發(fā)電)。

(4)減速、制動時能量回收

當(dāng)車輛減速或制動時，發(fā)動機(jī)停止工作，電機(jī)MG2作為大發(fā)電機(jī)使用，回收能量。能量回收時的動力傳遞路線為：車輪→半軸、差速器、兩級減速裝置→電機(jī)減速行星齒輪機(jī)構(gòu)的齒圈→電機(jī)MG2(發(fā)電)。

2.2016款雅閣混合動力車工作模式

2016款雅閣車混合動力系統(tǒng)傳動原理如圖14所示。該混合動力轎車在行駛時有純電機(jī)驅(qū)動、混合動力驅(qū)動、純發(fā)動機(jī)驅(qū)動等三種驅(qū)動模式，以及滑行、制動時能量回饋、空載充電等工作模式。i-MMD系統(tǒng)可以根據(jù)行駛條件的不同，自動切換驅(qū)動模式。

圖14 雅閣車混合動力系統(tǒng)傳動原理示意圖

(1)純電機(jī)驅(qū)動(EV模式)

2016款雅閣混合動力轎車在高壓鋰電池電量正常時，起步及初期前進(jìn)行駛或者倒車行駛時，均采用純電動機(jī)驅(qū)動模式，該模式行駛時驅(qū)動電機(jī)為唯一的動力，發(fā)動機(jī)停機(jī)、發(fā)電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(2106款銳·混合動力雅閣轎車在冷車啟動的時候，會啟動發(fā)動機(jī)以便發(fā)動機(jī)冷卻液及三元催化器迅速達(dá)到正常的工作溫度)。動力傳遞路線為：驅(qū)動電機(jī)→驅(qū)動電機(jī)軸→驅(qū)動電機(jī)軸常嚙合齒輪→副軸常嚙合齒輪→主減速器驅(qū)動齒輪→主減速器從動齒輪→差速器→半軸→前輪(驅(qū)動輪)。

(2)混合動力驅(qū)動(HV模式)

2016款雅閣混合動力轎車純電機(jī)驅(qū)動時，若高壓鋰電池組的電池低于閾值就會自動啟動發(fā)動機(jī)。車輛行駛中發(fā)動機(jī)啟動，是由發(fā)電機(jī)倒拖(發(fā)電機(jī)作為電動機(jī)使用)實現(xiàn)的。

發(fā)動機(jī)著火后，發(fā)動機(jī)驅(qū)動發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動，發(fā)電機(jī)發(fā)電并向驅(qū)動電機(jī)提供電能。如果來自發(fā)電機(jī)的供電不足，高壓鋰電池將提供補(bǔ)充電能。此外，如果發(fā)電機(jī)發(fā)電量充足，發(fā)電機(jī)將多余電能為高壓蓄電池充電，驅(qū)動電機(jī)得到持續(xù)供電并驅(qū)動車輛行駛。此時，為典型的串聯(lián)式(增程式)混合動力布置方式。

發(fā)動機(jī)驅(qū)動發(fā)電機(jī)的動力傳遞路線為：發(fā)動機(jī)→飛輪及扭轉(zhuǎn)減振器→輸入軸→輸入軸常嚙合齒輪→發(fā)電機(jī)軸常嚙合齒輪→發(fā)電機(jī)軸→發(fā)電機(jī)。

驅(qū)動電機(jī)驅(qū)動車輛的動力傳遞路線為：驅(qū)動電機(jī)→驅(qū)動電機(jī)軸→驅(qū)動電機(jī)軸常嚙合齒輪→副軸常嚙合齒輪→主減速器驅(qū)動齒輪→主減速器從動齒輪→差速器→半軸→前輪。

(3)純發(fā)動機(jī)驅(qū)動

2016款雅閣混合動力轎車在高速公路巡航行駛(低負(fù)荷、高速)時，采用純發(fā)動機(jī)驅(qū)動車輛，驅(qū)動電機(jī)、發(fā)電機(jī)均不工作。

純發(fā)動機(jī)驅(qū)動車輛的動力傳遞路線為：發(fā)動機(jī)→飛輪及扭轉(zhuǎn)減振器→輸入軸→超越離合器(結(jié)合)→超越驅(qū)動齒輪→副軸常嚙合齒輪→副軸→主減速器驅(qū)動齒輪→主減速器從動齒輪→差速器→半軸→前輪(驅(qū)動輪)。

(4)滑行、制動時能量回收

車輛行駛中當(dāng)抬起油門加速踏板車輛滑行或者踩制動踏板車輛制動時，車輪倒拖驅(qū)動電機(jī)轉(zhuǎn)動，PCU通過驅(qū)動電機(jī)控制器及逆變器等控制驅(qū)動電機(jī)發(fā)電并向高壓鋰電池充電，從而實現(xiàn)滑行或制動時回收部分能量，并起到減速制動的效果。

滑行、制動時動力傳遞路線為：前輪(驅(qū)動輪)→半軸→差速器→主減速器從動齒輪→主減速器驅(qū)動齒輪→副軸→驅(qū)動電機(jī)常嚙合齒輪→驅(qū)動電機(jī)軸→驅(qū)動電機(jī)。

(5)空載充電

高壓鋰電池剩余電量(SOC)顯示在儀表中，若車輛因長時間停駛或其他原因造成SOC值低于2格或更低(共8個格)，車輛行駛前必須先執(zhí)行空載充電。

按照下列步驟，進(jìn)行空載充電：設(shè)置為準(zhǔn)備啟動，將換擋按鈕設(shè)置到P擋位置；踩住加速踏板直到節(jié)氣門全開；踩住加速踏板10s以上時間，啟動發(fā)動機(jī)；發(fā)動機(jī)著火后，開始為高壓鋰電池充電。

空載充電的動力傳遞路線為：發(fā)動機(jī)→飛輪及扭轉(zhuǎn)減振器→輸入軸→輸入軸常嚙合齒輪→發(fā)電機(jī)軸常嚙合齒輪→發(fā)電機(jī)軸→發(fā)電機(jī)。

3.2017款君威30H混合動力車工作模式

2017款君威30H車混合動力系統(tǒng)傳動原理如圖15所示。該混合動力轎車在車輛行駛時有純電機(jī)驅(qū)動、低速驅(qū)動、固定傳動比驅(qū)動、高速驅(qū)動等四種驅(qū)動模式以及啟動、滑行或制動時能量回收等工作模式。各工作模式下，發(fā)動機(jī)、電機(jī)及離合器的狀態(tài)列于表5。

圖15 君威30H車混合動力系統(tǒng)傳動原理

表5 各工作模式下，發(fā)動機(jī)、電機(jī)及離合器的狀態(tài)

(1)純電機(jī)驅(qū)動

當(dāng)車輛處于純電驅(qū)動模式時，發(fā)動機(jī)停止工作，低速離合器結(jié)合而高速離合器、扭轉(zhuǎn)減振器旁通離合器均分離，由于低速離合器結(jié)合，輸出行星齒輪組的齒圈被固定，驅(qū)動電機(jī)/發(fā)電機(jī)B驅(qū)動車輛純電行駛。

純電驅(qū)動時動力傳遞路線為：驅(qū)動電機(jī)/發(fā)電機(jī)B→輸出行星齒輪組的太陽輪→輸出行星齒輪組的行星架→鏈條傳動→主減速器、差速器、半軸→車輪。

當(dāng)純電驅(qū)動時，由于輸出行星齒輪組的行星架轉(zhuǎn)動，輸入行星齒輪組的行星架也同步轉(zhuǎn)動，而發(fā)動機(jī)停止轉(zhuǎn)動(輸入行星齒輪組的齒圈也停止轉(zhuǎn)動)，因此，輸入行星齒輪組的太陽輪(連接驅(qū)動電機(jī)/發(fā)電機(jī)A)必須轉(zhuǎn)動，此時，驅(qū)動電機(jī)/發(fā)電機(jī)A雖然轉(zhuǎn)動，但是處于不驅(qū)動也不發(fā)電即空轉(zhuǎn)的狀態(tài)。

純電行駛時的前進(jìn)擋與倒擋的動力傳遞路線相同，可以通過改變驅(qū)動電機(jī)/發(fā)電機(jī)B的轉(zhuǎn)動方向來實現(xiàn)前進(jìn)擋或倒擋。

(2)低速驅(qū)動

車輛純電行駛，當(dāng)高壓電池的電壓減低到設(shè)定值時，發(fā)動機(jī)自動啟動，發(fā)動機(jī)工作帶動驅(qū)動電機(jī)/發(fā)電機(jī)A發(fā)電，驅(qū)動電機(jī)/發(fā)電機(jī)B驅(qū)動車輛行駛。此時，低速離合器結(jié)合而高速離合器、扭轉(zhuǎn)減振器旁通離合器均分離。

車輛驅(qū)動的動力傳遞路線為：驅(qū)動電機(jī)/發(fā)電機(jī)B→輸出行星齒輪組的太陽輪→輸出行星齒輪組的行星架→鏈條傳動→主減速器、差速器、半軸→車輪。

發(fā)電的動力傳遞路線為：發(fā)動機(jī)→扭轉(zhuǎn)減振器→輸入行星齒輪組的內(nèi)齒圈→輸入行星齒輪組的太陽輪→驅(qū)動電機(jī)/發(fā)電機(jī)A→發(fā)電。

(3)固定傳動比驅(qū)動

隨著車速的提高，車輛進(jìn)入固定傳動比驅(qū)動模式。此時，低速離合器、高速離合器均結(jié)合，扭轉(zhuǎn)減振器旁通離合器分離。由于低速離合器、高速離合器均結(jié)合，因此，輸出行星齒輪組的齒圈、輸入行星齒輪組的太陽輪均被固定在變速器的殼體上。發(fā)動機(jī)、驅(qū)動電機(jī)/發(fā)電機(jī)B均參與驅(qū)動車輛，驅(qū)動電機(jī)/發(fā)電機(jī)A停止轉(zhuǎn)動。

發(fā)動機(jī)驅(qū)動車輛的動力傳遞路線為：發(fā)動機(jī)→扭轉(zhuǎn)減振器→輸入行星齒輪組的內(nèi)齒圈→輸入行星齒輪的行星架→鏈條傳動→主減速器、差速器、半軸→車輪。

驅(qū)動電機(jī)/發(fā)電機(jī)B驅(qū)動車輛的動力路線為：驅(qū)動電機(jī)/發(fā)電機(jī)B→輸出行星齒輪組的太陽輪→輸出行星齒輪組的行星架→鏈條傳動→主減速器、差速器、半軸→車輪。

(4)高速驅(qū)動

當(dāng)車輛高速行駛或急加速時，進(jìn)入高速驅(qū)動模式。低速離合器分離、高速離合器結(jié)合、扭轉(zhuǎn)減振器旁通離合器分離，此時，驅(qū)動電機(jī)/發(fā)電機(jī)A、驅(qū)動電機(jī)/發(fā)電機(jī)B以及發(fā)動機(jī)共同驅(qū)動車輛。

在輸入行星齒輪組中，發(fā)動機(jī)和驅(qū)動電機(jī)/發(fā)電機(jī)A分別向輸入行星齒輪組的齒圈和輸入行星齒輪組的太陽輪輸入動力，通過輸入行星齒輪組的行星架向車輪輸出動力。

在輸出行星齒輪組中，驅(qū)動電機(jī)/發(fā)電機(jī)B和驅(qū)動電機(jī)/發(fā)電機(jī)A分別向輸出行星組的太陽輪和輸出行星組的內(nèi)齒圈輸入動力，通過輸出行星齒輪組的行星架向車輪輸出動力。

(5)啟動工況

車輛停止啟動發(fā)動機(jī)時，扭轉(zhuǎn)減振器旁通離合器結(jié)合，高、低速離合器均分離。驅(qū)動電機(jī)/發(fā)電機(jī)A起到啟動機(jī)的作用。啟動工況的動力傳遞路線為：驅(qū)動電機(jī)/發(fā)電機(jī)A→輸入行星齒輪組的太陽輪→輸入行星齒輪組的內(nèi)齒圈→扭轉(zhuǎn)減振器旁通離合器→發(fā)動機(jī)。當(dāng)車輛行駛過程中，若需要啟動發(fā)動機(jī)時，仍然需要由驅(qū)動電機(jī)/發(fā)電機(jī)A通過輸入行星齒輪組來實現(xiàn)。

(6)滑行、制動時能量回收

當(dāng)車輛處于滑行或制動時，發(fā)動機(jī)停止工作，低速離合器結(jié)合而高速離合器、扭轉(zhuǎn)減振器旁通離合器均分離，由于低速離合器結(jié)合，輸出行星齒輪組的齒圈被固定。此時，驅(qū)動電機(jī)/發(fā)電機(jī)B被車輛反拖驅(qū)動而發(fā)電，實現(xiàn)回收能量?；厥漳芰繒r的動力傳遞路線為：車輪→半軸、差速器、主減速器→鏈條傳動→輸出行星齒輪組的行星架→輸出行星齒輪組的太陽輪→驅(qū)動電機(jī)/發(fā)電機(jī)B→發(fā)電。