凱美瑞、雅閣及君威混合動(dòng)力系統(tǒng)的技術(shù)分析(上)

◆文/山東 劉華

為了促進(jìn)節(jié)能減排，滿足《乘用車企業(yè)平均燃料消耗量與新能源汽車積分并行管理辦法》(簡(jiǎn)稱雙積分)文件的政策要求，很多車廠陸續(xù)推出了非插電式混合動(dòng)力轎車。本文選擇2018款廣汽豐田凱美瑞、2016款廣汽本田雅閣、2017款上汽通用君威等三款售價(jià)相近且有代表性的中級(jí)轎車，對(duì)其安裝的非插電式混合動(dòng)系統(tǒng)用發(fā)動(dòng)機(jī)、高壓電池、電控變速器以及工作模式等進(jìn)行詳細(xì)的技術(shù)比較。

一、混合動(dòng)力車用發(fā)動(dòng)機(jī)

混合動(dòng)力轎車用發(fā)動(dòng)機(jī)一般采用阿特金森(Atkinson)循環(huán)的發(fā)動(dòng)機(jī)，阿特金森循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率比傳統(tǒng)的奧拓(Otto)循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)更高，原因在于前者的膨脹比大于壓縮比，一般通過(guò)采用可變氣門(mén)正時(shí)系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。與傳統(tǒng)轎車的發(fā)動(dòng)機(jī)不同，混合動(dòng)力轎車用發(fā)動(dòng)機(jī)主要的設(shè)計(jì)目標(biāo)是經(jīng)濟(jì)性，凱美瑞混合動(dòng)力車發(fā)動(dòng)機(jī)采用了燃油雙噴射系統(tǒng)，而雅閣及君威均采用燃油缸內(nèi)直噴系統(tǒng)。三款混合動(dòng)力車用發(fā)動(dòng)機(jī)的類型及主要參數(shù)對(duì)比見(jiàn)表1。

表1 三款混合動(dòng)力車用發(fā)動(dòng)機(jī)的類型及主要參數(shù)對(duì)比

對(duì)比上述三款混合動(dòng)力車用發(fā)動(dòng)機(jī)，可以看出凱美瑞車發(fā)動(dòng)機(jī)的排量、壓縮比、熱效率及最大功率、最大扭矩等參數(shù)均最大，雅閣車發(fā)動(dòng)機(jī)次之，而君威30H車發(fā)動(dòng)機(jī)最小。

二、混合動(dòng)力車用高壓電池

混合動(dòng)力轎車的高壓電池主要采用的類型為鎳氫電池、高壓鋰電池(以三元鋰電池為主)等，一般采用風(fēng)冷，安裝在汽車后排座椅下部(如凱美瑞)或后排座椅與后備箱之間的空腔內(nèi)(如雅閣、君威等)。三款混合動(dòng)力車用高壓電池的類型及主要參數(shù)對(duì)比列于表2。

表2 三款混合動(dòng)力車用高壓電池的類型及主要參數(shù)對(duì)比

對(duì)比上述三款混合動(dòng)力車用高壓電池，可以看出只有凱美瑞車采用了鎳氫電池，其他兩款車均采用了三元鋰電池；三款混合動(dòng)力車用高壓電池的總電壓、總電量相近。用戶對(duì)混合動(dòng)力車始終關(guān)注的核心為高壓電池質(zhì)保，豐田公司為用戶購(gòu)買鎳氫電池組無(wú)憂保險(xiǎn)(僅限為非營(yíng)運(yùn)車輛)的方式，用戶可享受“不限年限，不限里程”的無(wú)憂保障。

三、混合動(dòng)力車用電控變速器

電控變速器為混合動(dòng)力車的核心部件。眾所周知，豐田公司手握轎車混合動(dòng)力系統(tǒng)特別是電控變速器的大量專利，為規(guī)避專利，其他公司開(kāi)發(fā)的轎車混合動(dòng)力系統(tǒng)用電控變速器與豐田車型會(huì)有明顯的區(qū)別。三款混合動(dòng)力車電控變速器的主要參數(shù)及技術(shù)特點(diǎn)列于表3。

表3 三款混合動(dòng)力車電控變速器的主要參數(shù)及技術(shù)特點(diǎn)

對(duì)比上述三款混合動(dòng)力車用驅(qū)動(dòng)電機(jī)，可以看出雅閣混合動(dòng)力車用驅(qū)動(dòng)電機(jī)的最大功率、最大扭矩最大。

1.凱美瑞混合動(dòng)力車電控變速器

凱美瑞混合動(dòng)力車電控變速器習(xí)慣稱為混合動(dòng)力傳動(dòng)橋，2018款凱美瑞混合動(dòng)力傳動(dòng)橋由小電機(jī)MG1、大電機(jī)MG2、復(fù)合齒輪裝置、傳動(dòng)橋阻尼器、中間軸齒輪、減速齒輪、差速器齒輪機(jī)構(gòu)和油泵組成。該傳動(dòng)橋?yàn)?軸結(jié)構(gòu)，復(fù)合齒輪裝置、傳動(dòng)橋阻尼器、油泵、MG1和MG2連接至輸入軸。中間軸從動(dòng)齒輪和減速主動(dòng)齒輪連接至第二軸。減速?gòu)膭?dòng)齒輪和差速器齒輪機(jī)構(gòu)連接至第三軸(圖1)。

圖1 混合動(dòng)力傳動(dòng)橋結(jié)構(gòu)圖

(1)電機(jī)MG1、MG2

電機(jī)MG1(小)和MG2(大)為緊湊、輕量且高效的三相永磁同步電機(jī)，內(nèi)置于混合動(dòng)力傳動(dòng)橋內(nèi)，由定子、定子線圈、轉(zhuǎn)子、永久磁鐵和解析器(也稱為電機(jī)轉(zhuǎn)速位置傳感器)等組成(圖2)。MG1電機(jī)主要用作發(fā)電機(jī)來(lái)使用，為MG2驅(qū)動(dòng)車輛提供電能并對(duì)鎳氫電池充電。另外，啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)，MG1作為起動(dòng)機(jī)來(lái)使用。MG2主要作用是利用MG1和鎳氫電池提供的電能，以驅(qū)動(dòng)電機(jī)模式驅(qū)動(dòng)車輛行駛，此外，在減速或制動(dòng)過(guò)程中MG2用作發(fā)電機(jī)對(duì)鎳氫電池充電，以回收再生制動(dòng)能量。

圖2 電機(jī)結(jié)構(gòu)圖

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)進(jìn)行矢量控制，需精確測(cè)量電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速及磁極的位置(相位)，為此安裝了解析器(電機(jī)轉(zhuǎn)速位置傳感器)。解析器采用旋轉(zhuǎn)變壓器的結(jié)構(gòu)形式，由3個(gè)定子線圈(勵(lì)磁線圈、檢測(cè)線圈S、檢測(cè)線圈C)和轉(zhuǎn)子(隨電機(jī)轉(zhuǎn)子同步旋轉(zhuǎn))組成。

(2)復(fù)合齒輪裝置

復(fù)合齒輪裝置由動(dòng)力分配行星齒輪機(jī)構(gòu)和電動(dòng)機(jī)減速行星齒輪機(jī)構(gòu)等組成。通過(guò)采用2套行星齒輪機(jī)構(gòu)的齒圈和中間軸主動(dòng)齒輪及駐車鎖止齒輪做成一體的復(fù)合齒輪，使復(fù)合齒輪裝置的結(jié)構(gòu)更為緊湊和輕量化。動(dòng)力分配行星齒輪機(jī)構(gòu)的太陽(yáng)齒輪連接至MG1、行星架連接至發(fā)動(dòng)機(jī)、齒圈位于復(fù)合齒輪上。電動(dòng)機(jī)減速行星齒輪機(jī)構(gòu)的太陽(yáng)齒輪連接至MG2、齒圈位于復(fù)合齒輪上、行星架固定至傳動(dòng)橋外殼(圖3)。

圖3 復(fù)合齒輪裝置

(3)傳動(dòng)阻尼器

傳動(dòng)阻尼器一般稱為扭轉(zhuǎn)減振器。混合動(dòng)力車輛在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)停止或啟動(dòng)瞬間，會(huì)產(chǎn)生很大的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)，而在傳動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)上又取消了液力變矩器，無(wú)液力減震作用，因此，為減少傳動(dòng)系統(tǒng)的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)，提高可靠性以及駕乘的舒適性，混合動(dòng)力車輛普遍在發(fā)動(dòng)機(jī)飛輪與傳動(dòng)橋之間安裝了傳動(dòng)阻尼器(圖4)。

圖4 傳動(dòng)阻尼器

(4)傳動(dòng)橋油泵

機(jī)械油泵采用余擺線型油泵，內(nèi)置于混合動(dòng)力傳動(dòng)橋內(nèi)。由發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，壓力潤(rùn)滑各部齒輪。另外傳動(dòng)橋還通過(guò)減速齒輪旋轉(zhuǎn)，飛濺潤(rùn)滑齒輪，減小機(jī)械油泵運(yùn)轉(zhuǎn)負(fù)載。

2.雅閣混合動(dòng)力車電控變速器

2016款雅閣混合動(dòng)力車的電控變速器結(jié)構(gòu)與凱美瑞車有明顯不同。該電控變速器(E-CVT)內(nèi)部集成了發(fā)電機(jī)、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、扭轉(zhuǎn)減振器、超越離合器、超越離合器齒輪、4根平行軸及齒輪等部件(圖5)。(1)飛輪與扭轉(zhuǎn)減振器

圖5 E-CVT內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖

與凱美瑞混合動(dòng)力車類似，2016款雅閣混合動(dòng)力車在發(fā)動(dòng)機(jī)飛輪與電控變速器的輸入軸之間安轉(zhuǎn)了扭轉(zhuǎn)減振器。飛輪通過(guò)1個(gè)定位銷以及8個(gè)螺釘與曲軸凸緣連接，扭轉(zhuǎn)減振器通過(guò)6個(gè)螺釘固定在飛輪后端面上，電控變速器的輸入軸通過(guò)外花鍵插入扭轉(zhuǎn)減振器的內(nèi)花鍵孔中，將發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力輸入到電控變速器內(nèi)(圖6)。

圖6 飛輪及扭轉(zhuǎn)減振器

(2)平行軸及齒輪

電控變速器內(nèi)集成了4根平行軸及齒輪：輸入軸及齒輪、發(fā)電機(jī)軸及齒輪、驅(qū)動(dòng)電機(jī)軸及齒輪、副軸及齒輪(圖7)。輸入軸的外花鍵與扭轉(zhuǎn)減振器的內(nèi)花鍵連接，將發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力輸入到E-CVT內(nèi)部。輸入軸也與超越離合器連接。驅(qū)動(dòng)電機(jī)軸與驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)子連接，驅(qū)動(dòng)電機(jī)軸齒輪與副軸常嚙合齒輪嚙合，然后通過(guò)主減速器、差速器、半軸將動(dòng)力傳給兩個(gè)前輪(驅(qū)動(dòng)輪)，驅(qū)動(dòng)車輛行駛。駐車齒輪通過(guò)花鍵與驅(qū)動(dòng)電機(jī)軸連接，并隨驅(qū)動(dòng)電機(jī)軸同步轉(zhuǎn)動(dòng)。發(fā)電機(jī)軸與發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子連接，發(fā)電機(jī)軸齒輪與輸入軸的常嚙合齒輪嚙合。發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，通過(guò)常嚙合齒輪傳動(dòng)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。

副軸上集成了副軸常嚙合齒輪及主減速器驅(qū)動(dòng)齒輪，副軸常嚙合齒輪與驅(qū)動(dòng)電機(jī)齒輪及超越離合器齒輪嚙合。主減速器驅(qū)動(dòng)齒輪將來(lái)自驅(qū)動(dòng)電機(jī)或發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力傳遞至主減速器從動(dòng)齒輪，然后經(jīng)過(guò)差速器、半軸傳遞至前輪(驅(qū)動(dòng)輪)。

圖7 平行軸及齒輪

(3)超越離合器及超越驅(qū)動(dòng)齒輪

與凱美瑞、君威車混合動(dòng)力系統(tǒng)不同，2016款雅閣混合動(dòng)力轎車的電控變速器內(nèi)采用了超越離合器(PCM控制)，超越離合器為液壓驅(qū)動(dòng)的濕式多片式離合器，位于輸入軸的末端。通過(guò)超越離合器改變動(dòng)力傳遞路徑，從而實(shí)現(xiàn)在驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)或驅(qū)動(dòng)車輪之間切換發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力。

當(dāng)超越離合器不工作(分離)，若發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力將通過(guò)扭轉(zhuǎn)減振器→輸入軸→輸入軸齒輪→發(fā)電機(jī)軸齒輪→發(fā)電機(jī)軸→發(fā)電機(jī)，實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。當(dāng)超越離合器工作(接合)，發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力將通過(guò)扭轉(zhuǎn)減振器→輸入軸→超越離合器→超越齒輪→副軸齒輪→副軸→主減速器驅(qū)動(dòng)齒輪→主減速器從動(dòng)齒輪→差速器→半軸→前輪，實(shí)現(xiàn)將發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力傳遞給前輪(驅(qū)動(dòng)輪)。另外，當(dāng)超越離合器工作(接合)且發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)還將同時(shí)驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)(空轉(zhuǎn))。

(4)發(fā)電機(jī)及驅(qū)動(dòng)電機(jī)

發(fā)電機(jī)、驅(qū)動(dòng)電機(jī)均采用了重量輕、體積小、高效率高的三相永磁同步電機(jī)。驅(qū)動(dòng)電機(jī)、發(fā)電機(jī)以及電機(jī)轉(zhuǎn)速位置傳感器的作用與凱美瑞混合動(dòng)力車類似，在此不再贅述。