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国内外混合动力技术盘点及深度解析

原标题:国内外混合动力技术盘点及深度解析

来源 | 汽车工程师之家

目前汽车行业的一个重大趋势是汽车电气化的快速发展以及电动车的市场份额逐步提高。这种趋势对自动变速器行业的影响也越来越大。

动力总成的电气化产品表现为:一方面是基于现有传统发动机动力总成,把电动机安装到动力传输线路的合适位置,构成混合动力实现动力总成的总体效率提高以及排放的减少。这种结构要尽量减少对原动力总成的改变,利用现有的批量变速器产品,从而降低开发新产品费用,这种混合动力从自动变速器角度称之为附加式(Add-On)混合动力系统,其结构比较复杂,适合小批量混合动力或者高端汽车。由于自动变速器变化较少,这类变速器产品可以归纳在传统自动变速器分析里。

另外一方面,随着混合动力及电动汽车的规模加大,开发全新的专用混合动力变速器(DHT- Dedicated HybridTransmission)以及纯电驱动系统成为一个趋势,这主要表现为两个方向:(1)电动机与自动变速器集成为一个统一功能系统,与发动机结合形成混合动力系统。在产量规模达到一定程度时,减少变速器挡数,在节油的同时,可以实现系统的成本及空间的优化。(2)电动汽车的变速器,由于电动机的输出特性,电动车驱动系统一般只要单级或者双级变速即可,机械结构大大简化,但当单机转速很高时,NVH要做很好的优化;另外要提高集成度,实现模块化产品。

本次针对专用混合动力变速器(DHT)做重点分析。

混合动力系统综述

混合动力系统是指在传统发动机动力总成中增加电力驱动的电动机作为补充。 目前根据电动机的位置混合动力系统相应分为P1、P2P3P4混合动力拓扑结构(配置),图1显示了各种混合动力拓扑结构。其中如果发动机动力和电动机动力可以同时驱动车轮,也称之为并联混合动力系统;如果汽车只是由电动机驱动,发动机主要是给电池充电,则称之为串联混合动力系统;混合动力系统根据其电动机提供动力的特性以及电池获得能量方式及大小还分为弱混合动力,强混合动力和插电混合动力。

图1 各种混合动力拓扑结构

混合动力系统的电动机动力可以以不同形式参与到动力总成输出之中,形成混合动力的各种新型动力组合及功能,一般称为混合动力的运行模式或特性,如:启停模式(Start/Stop)、启停滑行模式(cut-off coasting/sailing),能量回收模式(recuperation),转矩增强模式(助力)boost),混合动力驱动模式(hybrid driving),纯电驱动模式(electric driving)等。图2列举了不同电气化程度的混合动力总成可能的运行模式(特性)。

图2 动力总成电气化可能的运行模式(特性)

混合动力系统可以通过以下措施改善传统发动机汽车的油耗以及提高驾驶性能:

(1)回收汽车制动的能量。

(2)避免或者减少发动机工作在不利的运行模式,如怠速、交通灯停车、低速爬行等。

(3)利用电动机调整发动机工作点。

(4)电动机峰值功率的助力作用提高汽车加速性能。

(5)改善自动变速器换挡性能。

(6)拥堵时电驱动爬行。

(7)短途纯电驱动。

鉴于开发全新的混合动力系统开发成本高昂,在混合动力市场有限的情况下,汽车厂以及变速器公司选择在已有的自动变速器批量产品上做尽量少的改动,加入电动机实现附加式(Add-On)混合动力系统。目前比较多的是将电动机加装在变速器输入轴上,电动机与发动机之间加入一个切换离合器,实现并联混合动力系统(P2)。

图3a显示的是一款搭载在宝马X5上的并联混合动力系统。利用传统采埃孚的8AT,用电动机替换液力变扭器,并加装切换离合器,实现混合电力驱动。图3b显示的则是一款搭载在大众汽车上的混合动力系统,在6DCT基础上加装电机和切换离合器。

基于采埃孚8AT形成并联混合动力系统(来源:BMW

图3 基于大众6DCT形成并联混合动力系统(来源:Volkswagen)

现在国外主要汽车厂家基本上都开发了这种附加式的混合动力系统,尽管利用了现有的量产自动变速器作为基础,但由于加了一整套电驱动系统,动力总成比较复杂且整车的价格还是提高很多,普及率还有限。

专用混合动力变速器DHT

1、专用混合动力变速器定义和特点

混合动力系统的市场继续扩大,发展趋势是纯粹燃油发动机汽车将逐步全部混合动力化,目前开发新型专用混合动力变速器从性价比角度考虑就是一个好的途径和时机,目前众多主流汽车企业大力开发多种专用混合动力变速器也证明了这种趋势。

实际上丰田公司从1997年就开发了应用在普锐斯汽车上的专用混合动力变速器,随着混合动力的需求提高,普锐斯混合动力目前获得很好的市场成功。

专用混合动力变速器(DHT:Dedicated Hybrid Transmission)的定义是:通过集成一个或多个电动机到变速器中形成带电动机的自动变速器系统,加上发动机输入后即可实现混合动力驱动的功能。一般形成的混合动力系统为了实现全部功能不可缺少电动机,即去掉电动机后变速器本身将不能正常工作。与此形成对比的是在现有的自动变速器上附加电动机形成的附加式(Add-On)混合动力系统。

关于专用混合动力变速器DHT,有以下几点说明:

一是专用混合动力变速器的挡位数和空间。

传统自动变速器为了获得更好的油耗特性,必须充分利用发动机的最佳工作点,变速器挡位越多,发动机工作效率高的区域可以更多的利用;目前先进自动变速器已经达到8挡到10挡,这使得自动变速器变得非常复杂,技术门槛高,开发费用高昂,并且只有达到一定的产量才有好的经济效益。

在混合动力系统中由于电动机驱动可以帮助发动机工作在比较好的区域,导致混合动力系统的挡位数可以适当减少,对整车的油耗影响很小。一般来说混合动力系统从节油方面讲,变速器的挡位不需要超过6挡即可;如果配置针对专用混合动力变速器开发的发动机,则挡位数量可以进一步减少到3挡左右;在配备双电动机系统中甚至没有换挡单元,传动比是在某一车速情况下通过转矩平衡控制发动机和电动机的速度,实现所谓的电无级变速(eCVT)功能。

专用混合动力变速器挡位数比附加式混合动力挡位数少,其结构也就相对简单,需要空间也比较少。图4比较了一个传统8AT的空间和一个5AT专用混合动力变速器所需空间。空间和质量的优势也给专用混合动力变速器的应用提供了好的前提。

图4 传统8AT和一个专用混合动力变速器所需空间的比较

二是专用混合动力变速器的成本分析。

由于开发一个新系统费用高昂,虽然专用混合动力变速器相对可以简单,但是如果产量不能达到一定水平时,一次性投入的研发成本导致最终成本比利用现有的自动变速器实现附加式混合动力系统成本高。只有达到一定量产时,一次性开发费用分摊到单件产品的比例就低,开发专用混合动力变速器才有经济性。图5比较了传统8速自动变速器8AT的成本与用于专用混合动力的5AT-DHT成本比较。以8AT年产20万台为100%基准,只有当5AT-DHT产量超过8.1万台时,其价格才能开始到达8AT大批量的成本的临界点,也就是说,5AT-DHT混合动力变速器销量超过8.1万台时,其额外的开发成本计入5AT-DHT后每台成本时也开始低于8AT大批量的每台成本,表明可以考虑重新开发5AT-DHT用于专用混合动力汽车。

图5 8AT和专用混合动力的5AT-DHT成本比较

今后市场对混合动力需求提高,占有率达到一定的水平时,从成本角度就可以考虑开发专用混合动力变速器了。

2、目前一些专用混合动力变速器介绍

专用混合动力变速器也可以在自动化手动变速器AMT、双离合器变速器DCT、传统自动变速器AT和无级变速器上集成单电动机构成。下面介绍其中一些典型例子,目前这方面的DHT还没有形成量产规模,主要大公司还在方案评估以产品开发阶段,估计逐步会有多种型号产品进入市场。

(1)丰田普锐斯专用混合动力变速器。

最有名的专用混合动力变速器是丰田从1997年推出的普锐斯车上所用的混合动力系统THSToyota Hybrid System),图62009年推出的第三代THS系统。其中的Power Split Device PSD)为一个行星齿轮组,实现功率、转矩和转速的分配。根据驾驶工况的不同可以实现纯电驱动和混合驱动等等模式。电动机M2纯电行驶时,发动机通过电动机MG1给电池充电,实现串联混合动力模式;发动机也可以与电动机MG2(或者MG1)同时驱动汽车,形成并联混合动力驱动模式;所以普锐斯THS可以称为串并联混合动力系统或者功率分流混合动力(Power Split Hybrid)。

由于行星齿轮副的双速度控制特点,不同于一般行星齿轮副锁止某个零件(静止或固定速度)获得特定传动比,普锐斯混合动力当然可以不锁止零件,而是通过电动机或发动机控制其转矩比例,从而无级调节传动比,所以也通常被称为eCVT(电动无级变速器)。

图6 2009年推出的第三代THS系统

可以看出,THS的变速器机构相当简单,但是通过与电动机的集成形成很好的混合动力系统,NEDC工况下油耗可以降到百公里3.4L以下;虽然其控制系统比较复杂,但随着电子控制系统的发展,整车可以在保证油耗性下也能实现很好的驾驶性能。随着排放要求的高要求,混合动力也越来越普及。图7显示了丰田混合动力的销售情况,可以看到,每年销售已经超过百万辆的规模。

图7 丰田混合动力的销售情况

基于丰田普THS双电动机专用混合动力变速器为基础,通过一些变化丰田也为高端品牌Lexus配置了的混合动力系统,图8显示通过增加一套行星齿轮副构成凌志汽车的混合动力总成,可以采用功率更大的驱动电动机等,行星齿轮副可以更有效的分配转矩到车轮上。

图8 丰田THS专用混合动力变速器(DHT

随着各国对环境保护及能源利用的重视,很多国家已经开始表达意向甚至给出时间表禁止纯燃油汽车的销售;电动汽车由于电池的瓶颈,普及和盈利还需要很大突破,混合动力系统会在未来的汽车销售中占据很大的比例,混合动力技术必将会得到极大的发展。结合专用混合动力变速器的上述特点和丰田普锐斯成功先例,很多公司也开始开发自己的专用混合动力变速器。

(2)本田iMMD智能多模式混合动力系统。

图9显示了其构成形式和工作模式:本田iMMDIntelligent Multi-Mode Drive)的变速器部分也非常简单,只是通过几副减速齿轮和一个锁止离合器实现电动机驱动和发动机的动力输出控制,如纯电驱动、混合动力、发动机驱动、驻车充电。

图9 本田iMMD智能多模式混合动力系统构成和工作模式

(3)大众TwinDrive

大众正在开发的专用混合动力变速器TwinDrive采用与本田iMMD近似的结构。其结构和工作模式如图10所示。

图10 大众TwinDrive结构和工作模式

(4)上汽荣威电驱动变速器EDU

双电动机结构的专用混合动力变速器(DHT)国内代表产品是上汽搭载在插电强混的量产车型荣威e550e950之上的电驱变速器EDUElectric Drive Unit),如图11所示,上汽电驱动变速器NEDC综合能耗据资料可以达到百公里1.7L,纯电行驶60km

图11 上汽电驱动变速器原理和实物图

(5)上汽精进电动公司的双电动机EDU

上海精进电动公司提出其DHT方案,利用双电动机实现串并联混合驱动,如图12所示。

图12 精进公司DHT方案

除上面介绍的双电动机结构的专用混合动力变速器(DHT)之外,采用双电动机DHT的产品还有通用Voltec,爱信2-Motor Hybrid,吉凯恩(GKN)的Multimode eTransmission等。

配双电动机的专用混合动力变速器的特点是机械结构相对简单,一般不需要换挡单元,要求发动机在特点的工作区高效工作。

(6)大陆公司成本优化DHT

大陆公司做了一个简单专用混合动力变速器的结构、功能和成本分析,给定发动机和电动机不同的挡位数,对比功能和成本,选出大陆公司的优先方案。图13是相应的结构,前面数字表示发动机(ICE)和电动机(ED)的挡位数,电动机数字0表示电动机与汽车驱动轴以一个传动比固定相连,1表示电动机有一个传动比,但可以挂空挡。

图13 大陆公司DHT几种结构分析(来源 CTI2017 Conti

大陆最后选出自己的优化方案是发动机4挡,电动机固定挡(4(ICE)+0(ED)),另外要配置一个高压的启动发电动机(HV-SG)。

(7)AVL公司八模式混合动力系统8mode-DHT

另外一个单电动机专用混合动力变速器比较有代表性的是AVL的第二代DHT,即Future Hybrid 8-Mode 未来八模式混合动力系统。图14显示其原理结构特点。

AVL的八模式混合动力DHT基于传统自动变速器AT集成电动机而成,它采用了:两个离合器和两个制动器、一个Ravigneaux(拉威挪式)行星齿轮结构。

图14 AVL的八模式混合动力DHT(来源:AVL

其可以有八种运行模式(见附表和图15),即5挡混合电力驱动模式,两挡纯电驱动模式,以及eCVT(电动无级传动)模式,驻车充电模式。

混合动力以及纯电驱动模式可以很好的利用发动机和电动机的动力源,根据不同的汽车工况优化其工作点,实现油耗和驾驶性能的改善。eCVT模式可以利用发动机和电动机转矩控制提高汽车起步(launch)和爬行(creep)性能。驻车充电可以很好的利用发动机在驻车时给电池充电,为汽车行驶时混合动力功能的利用和优化提供条件。

AVL的八种模式

模式 C1 C2 B1 B2 ICE比例 EM比例
混合1挡 Gear ICE/EM × × 8.804 12.005
混合2挡 Gear ICE/EM × × 6.118 12.005
混合3挡 Gear ICE/EM × × 3.920 5.346
混合4挡 Gear ICE/EM × × 3.025 2.632
混合5挡 Gear ICE/EM × × 0.000 12.000
电动1挡 Gear EM × 0.000 2.632
电动2挡 Gear EM ×
eCVT E-CVT × nICE/nEM
驻车充电 备用充电 × 0.733

图15 AVL的八模式混合动力DHT的运行模式及牵引力工作区(来源:AVL

(8)诺日产EOLAB ZE-Hybrid

为实现百公里2L油耗目标,雷诺日产在2014巴黎汽车展上展示了在Eolab汽车项目上最新开发的专用混合动力变速器DHT项目即ZE-Hybrid 动力总成项目,在保证油耗目标的前提下,还要求有好的驾驶性能和低的成本。

ZE-Hybrid在第一代EOLAB1是基于自动化手动变速器AMT集成电动机构成,有3个挡位,同步器靠电动实现,原理结构和驱动模式如图16所示,可以实现纯电、混合以及纯发动机驱动,同时也可以驻车充电。雷诺在第二代EOLAB2汽车上也开始研发基于AMT的双电动机DHT(见图17)。

图16 雷诺EOLAB1混合动力原理结构和驱动模式(来源:雷诺N. Fremau etc.

图17 雷诺EOLAB2的双电动机DHT(来源:雷诺 N. Fremau etc.

(9)IAV混合动力变速器。

IAV基于AMT设计了一个相对简单低成本的基于AMT的模块化结构,即可成为纯电动也可以实现专用混合动力变速器DHT,提供3挡的纯电动或者混合动力驱动。变速器部分也可以直接用于电动车上。基于CVT的专用混合动力变速器也在研发中。

图18 IAV混合动力变速器系列(来源:CTI2016 IAV

(10)舍弗勒P2-DHCVT

专用混合动力无级变速器舍弗勒的P2-PHEV-DHCVT,可以实现纯电、P2混合动力及纯发动机驱动,后退挡靠电动机实现,在无级变速单元(Variator)之后有个犬齿式离合器实现驻车充电功能。图19显示了舍弗勒的P2-PHEV-DHCVT的原理和设计。

图19 弗勒的P2-PHEV-DHCVT的原理和设计(来源:CTI2016 Luk

通过变速器一些设计变化,增加一套双离合器,可以进一步实现P2/P3的混合电力驱动,以提高电驱动里程和混合动力驾驶性能。图20显示了舍弗勒的P2/3-PHEV-DHCVT的原理和设计。

图20 舍弗勒的P2/3-PHEV-DHCVT的原理和设计(来源:CTI2016 Luk

(11)万里扬混合动力无级变速器C38 P2P3

国内变速器公司万里扬也在开发基于传统无级变速器CVT38的混合动力无级变速器CVT38 P2/P3;相对于CVT38CVT38 P2/P3NEDC工况下可节油22%

图21 万里扬混合动力无级变速器(来源:TMC2018

【延伸阅读】

三种常见的混合动力技术解读

电能作为未来汽车的动力之源,能实现高能效比及零排放,是一种相当理想的能源。但由于目前电池及电机技术的限制,使得纯电动车在续航里程及维护成本上都比不上传统的燃料汽车。再加上纯电动车充电设施暂未完善,使得纯电动车暂不能普及。汽车生产商为此推出了混合动力汽车。混合动力汽车一方面排放较低,而另一方面在续航里程上和传统汽车无异。本文将为大家详细剖析一下三种常见的混合动力技术。

● 混合动力汽车的定义:

混合动力汽车内部同时有传统的燃油发动机和电动机,共同作为汽车的动力源供应

● 混合动力系统动力总成结构的3种形式:

1.并联式:发动机为主,电动机为辅,电动机一般无法单独驱动汽车。系统输出动力等于发动机与电动机输出动力之和。代表车型有:本田CR-Z、别克君越eAssist。

2.混联式:主要靠电机,发动机为辅助的,电动机和发动机都能单独驱动汽车。由于系统中配置有独立发电机,因而系统输出的最大动力等于发动机、电动机以及充当电动机(部分情况)的发电机的输出动力之和。混联式系统结构复杂,但动力性能和燃油经济型都相当出色。代表车型有:丰田普锐斯、丰田凯美瑞尊瑞、雷克萨斯CT200h、比亚迪F3DM。

3.串联式:只靠发电机行驶的电气汽车,配置的发动机输出的动力仅用于推动发电机发电。系统输出动力等于电动机输出动力。雪佛兰沃蓝达的充电形式正是这种。

● 混合动力系统的另一种分类方法:

有时候我们会听说到“轻型”或“重型”混合动力汽车。这是另一种分类方法,下面我来说明一下。

1.轻型混合动力:轻型混合动力汽车无法单独使用电动机驱动车辆。别克君越eAssist就是采用了轻型混合动力系统,使用并联式结构,为车辆提供了能量回收、车辆启停等功能。

2.中型混合动力:中型混合动力系统和轻型混合动力系统一样,由燃油发动机提供动力,电动机只起到辅助作用。但中型混合动力系统在特定情况下(如低速巡航)能够单独使用电动机驱动汽车。例如本田的IMA混合动力系统就是采用并联式结构的中型混合动力系统。

3.重型混合动力:重型混合动力系统中的发动机和电动机都能单独驱动车辆行驶。如丰田的THS混合动力系统就是混联式结构的重型混合动力系统。使用THS系统的第三代普锐斯Hybrid采用的电动机最大功率达到60kW,最大扭矩达到207Nm,足以推动汽车进行中低速行驶。

● 关于插电式混合动力汽车:

插电式混合动力汽车的主要特征是其充电电池可以使用外部电源充电。插电式混合动力汽车一般为重型混合动力汽车,可以使用电动机单独驱动车辆。丰田最新一代普锐斯就是具备插电功能的混合动力汽车。

● 并联式混合动力系统解析

1)系统构成

本田IMA系统是非常典型的并联式混合动力系统,至今已发展到第六代并应用在本田最新的CR-Z、思域、飞度等车型上。下面,我们就以IMA系统为例来说明一下并联式混合动力系统的结构。

IMA系统由4个主要部件构成,其中包括:发动机、电机、CVT变速箱以及IPU智能动力单元组成。电动机取代了传统的飞轮用于保持曲轴的运转惯性。整套系统的结构非常紧凑,和传统汽车相比仅是IPU模块占用了额外的空间。

2)部件解析

IMA系统的发动机通过搭载本田的i-VTEC(气门正时及生成可变技术)、i-DSI(双火花塞顺序点火技术)以及VCM(可变气缸技术)来实现降低油耗的目的。国内的进口的本田CR-Z采用的是顶置单凸轮轴1.5L的i-VTEC发动机,最大功率83kW,最大扭矩145Nm,实测百公里油耗约5.4L。IMA系统中的发动机和传统车型中的发动机并没有太大区别,只是在调校上更偏向于节省燃料。

IMA系统的电机安装在发动机与变速箱之间,由于电机较薄且结构紧凑,行内人俗称“薄片电机”。国内销售的CR-Z上采用的薄片电机最大功率10kW,最大扭矩78Nm。显然,这样的电机只能起到辅助的作用。而由于IMA系统能够在特定情况下(如低速巡航)单独驱动汽车,而被划分到中型混合动力汽车行列。

IMA系统的变速箱采用的是普通CVT变速箱。在国内销售的CR-Z上采用的变速箱是模拟7速CVT变速箱,以获得平顺的换挡体验及较高的换挡效率。

IMA系统的IPU智能动力单元是由PCU动力控制单元和电池组成。其中PCU又包括BCM电池监控模块、MCM电机控制模块以及MDM电机驱动模块组成。

3)工作逻辑

IMA系统的工作逻辑包括起步加速、急加速、低速巡航、轻加速和高速巡航、减速以及停车。

起步加速时,发动机以低速配气正时状态运转,同时电机提供辅助动力,以实现快速加速性能,同时达到节油的目的。

急加速时,发动机以高速配气正时状态运转,此时电池给电机供电,电机与发动机共同驱动车辆,提高整车的加速性能。

低速巡航时,发动机的四个气缸的进排气阀全部关闭,发动机停止工作,车辆以纯电动方式驱动车辆。

轻加速和高速巡航时,发动机以低速配气正时状态运转,此时发动机工作效率较高,单独驱动车辆,电动机不工作。

减速或制动时,发动机关闭,电机此时以发电机方式工作,将机械能最大限度地转化为电能,储存到电池包中。车辆制动时,制动踏板传感器给IPU一个信号,计算机控制制动系统,使机械制动和电机能量回馈之间制动力协调,以得到最大程度的能量回馈。

车辆停止时,发动机自动关闭,减少燃料损失和排放。当制动踏板松开时,发动机自动启动。

● 混联式混合动力系统解析

1)系统构成

丰田THS系统是典型的混联式混合动力系统,至今已发展到第二代。THS是“Toyota Hybrid System”的缩写,最早被用于97年10月发布的第一代普锐斯(Puris)上。下面我们就以最新的THS-II系统对混联式混合动力系统进行解释。

THS-II系统主要部件有汽油发动机、永磁交流同步电机、发电机、高性能金属氢化物电池盒以及功率控制单元。最新的第三代普锐斯和凯美瑞尊瑞采用的就是THS-II混合动力系统。

2)部件解析

采用THS-II系统的第三代普锐斯使用的发动机是1.8L的5ZR-FXE发动机,而2012款凯美瑞尊瑞采用的是2.5L的4AR-FXE发动机。上面提到的这两款发动机均采用了能效相对较高的阿特金森循环。

阿特金森循环:

阿特金森循环是一种高压缩比,长膨胀行程的内燃机工作循环。阿特金森循环发动机通过推迟进气门关闭及推迟排气门打开使得燃烧产生的能量更充分地被利用,是一种能效比较高的发动机种类。传统阿特金森循环发动机低速扭矩输出较弱,较长的做工行程不利于高速运转。随着四冲程发动机配气机构控制技术的日益成熟(本田VTEC、丰田VVT、宝马Valvetronic),使得阿特金森循环发动机的性能有了极大的进步。在面临燃油危急的今天,阿特金森循环发动机能效较高的优势便凸显出来了。

THS-II系统的关键也是最为复杂的部件就是由两台永磁同步电机及行星齿轮组成的动力分配系统。

THS-II系统中带有两台电动机——MG1和MG2。MG1主要用于发电,必要时可推动汽车。MG2主要用于推动汽车。而MG1、MG2以及发动机输出轴被连接到一套行星齿轮机构的太阳轮、齿圈和行星架上。动力分配就是通过功率控制单元控制MG1和MG2电机,通过行星齿轮机械机构进行巧妙分配的。由于使用了这种创新的动力分配方式,THS-II系统甚至连变速箱也不需要了,发动机输出经过固定减速机构减速后直接驱动车轮。

很明显,丰田THS-II系统的复杂度要比上面提到的本田IMA系统高出许多。虽然控制系统复杂,但其结构尚算紧凑,省去了庞大的变速箱降低了车身重量,对于车辆的燃油经济性有相当大的帮助。

3)工作逻辑

为了解THS-II系统的工作逻辑,我们通过视频先来学习一下行星齿轮运作的基本原理。

下面我们来看看THS-II的核心部件——动力分配系统的工作原理。在下面解析中,发电机MG1我们简称为MG1,电动机MG2我们简称为MG2。

发动机启动时,电流流进MG2通过电磁力固定行星齿轮的齿圈,MG1作为启动机转动太阳轮,太阳轮带动行星架转动,与行星架连接的发动机曲轴转动,发动机启动。

怠速时,电流流进MG2固定行星齿轮的齿圈,发动机带动行星架转动,行星架带动太阳轮转动,与太阳轮连接的MG1发电给电池充电。

车辆起步时,发动机停转,行星架被固定。MG2驱动行星齿轮齿圈,推动车辆前进。此时,MG1处于空转状态。

车辆起步时,如需要更多动力(驾驶员深踩油门或检测到负载过大),MG1转动启动发动机。

车辆起步时,发动机驱动MG1发电并供给推动MG2运转的电能。

在轻负荷下加速时,发动机驱动MG1发电并供给推动MG2运转的电能,MG2提供附加的驱动力用以补充发动机动力。

在重负载下加速时,发动机驱动MG1发电并供给推动MG2运转的电能。MG2提供附加的驱动力用以补充发动机动力。电池会根据加速程度给MG2提供电流。

降挡(D挡)时,发动机停转,MG1空转,MG2被车轮驱动发电给电池充电。

减速(B挡)时,MG2产生的电能供给MG1,MG1驱动发动机。此时发动机断油空转。MG1输出的动力成为发动机制动力。

倒车时,只使用MG2作为倒车动力。

● 串联式混合动力系统解析

沃蓝达内置了1.4L汽油发动机、主电动机(最大功率111kW,最大扭矩368Nm)以及辅助电动机/发电机。其汽油发动机仅用于对电池充电,并不直接驱动车辆。而由于沃蓝达可以仅使用电池供电推动车辆行驶80公里,从某种意义上已属于纯电动车范畴。

1)系统构成

Voltec混合动力系统是通用汽车的E-Flex插座充电式混合动力驱动系统的最新版本,采用1台小型的发动机、2台电动机对车辆进行综合驱动的系统。沃蓝达上采用的是容量为16kWh的360V锂电池组,电池组成T型布置,隐藏于后排座椅下及车身中部,纯电动最高行驶里程可达80km。整个Voltec混合动力系统包括汽油发动机、综合动力分配系统、高容量锂电池以及电力控制单元。

2)部件解析

沃蓝达的动力系统由2台电动机(最大功率分别为111kW和55kW)和1台发动机(最大功率为63kW)组成,发动机仅用于发电。其中功率较大的电动机主要用于驱动车辆,而功率较小的电动机主要用于发电。

2台电动机和1台发动机通过1个行星齿轮机构以及3个离合器组成了动力产生/回收/分配系统。和上文提到的丰田THS系统一样,Voltec系统同样使用行星齿轮组巧妙地实现了动力的综合分配。所不同的是,在Voltec系统中,太阳轮连接到电动机,行星架连接到减速机构直接输出动力到车轮,而齿圈则根据实际情况连接到动力分配系统的壳体(固定)或者连接到发电机和发动机。

3)工作逻辑

要了解系统的工作逻辑,首先要了解动力分配系统的结构。从Voltec的动力分配系统的控制方式与THS系统有一定的区别,Voltec系统通过3个离合器来控制动力的分配。我们把这三个离合器分别命名为C1、C2、C3。C1用于连接行星齿轮齿圈与动力分配机构壳体(固定);C2用于连接发电机与行星齿轮齿圈;C3用于连接发动机与发电机。系统结构简图可参看下图。

Voltec混合动力系统一共有5种工作模式,分别为:EV低速模式、EV高速模式、EREV混合低速模式、EREV混合高速模式以及能量回收模式。

处于EV低速模式时,C1吸合,C2、C3松开,发动机停转。齿圈被固定,电动机推动太阳轮转动,行星架因太阳轮的转动而转动,把动力传输到减速齿轮并传递到车轮。

处于EV高速模式时,C2吸合,C1、C3松开,发动机停转。发电机此时充当电动机工作,推动齿圈转动。同时,功率较大的另一个电动机推动太阳轮转动。齿圈和太阳轮同时转动,带动行星架转动,从而把动力传到车轮。发电机充当电动机推动齿圈转动,降低了与太阳轮连接的另一电动机的转速,提高了其能源使用率。

处于EREV低速模式时,C1、C3吸合,C2松开,发动机运转。此时,发动机推动发电机发电,并为电池充电;同时电池为电动机供电推动太阳轮转动,由于齿圈固定,行星架跟随太阳轮转动,从而把动力传到车轮。

处于EREV高速模式时,C2、C3吸合,C1松开,发动机运转。此时,发动机与发电机转子连接后推动齿圈转动同时发电,电动机推动太阳轮转动。齿圈和太阳轮同时转动,带动行星架转动,从而把动力传到车轮。发动机推动齿圈转动,降低了与太阳轮连接的另一电动机的转速,提高了其能源使用率。

处于能量回收模式时,C1吸合,C2、C3松开,发动机停转。车轮带动行星架转动,由于齿圈固定,太阳轮随着行星架转动。此时,功率较大的电动机作为发电机对电池充电。(来源:太平洋汽车网)返回搜狐,查看更多

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