混聯式混合動力耦合系統構型分析(一)

◆文/江蘇 高惠民

高惠民 (本刊編委會委員)

現任江蘇省常州外汽豐田汽車銷售服務有限公司技術總監，江蘇技術師范學院、常州機電職業技術學院汽車工程運用系專家委員，高級技師。

一、混聯式混合動力耦合系統概述

汽車的節能與環保是當前汽車行業比較重要的研究方向之一。傳統汽車由單一動力驅動，所有動力均來自發動機，使得汽車在動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力性要求來設計發動機功率的，這與整車一般行駛工況下的功率需求之間存在很大差別。各種試驗表明傳統汽車發動機有三分之二以上時間工作在輕載、低負荷區域(1 200r/min，40N.m以下)，而此區域的燃油消耗約占總油耗的二分之一。針對這一問題，使傳統汽車混合動力化無疑是從純內燃機汽車向純電動汽車過渡期內的最優選擇。近年來市場上涌現出大量的混合動力車型，其中混聯式(又稱功率分流式)混合動力系統車型應用較廣泛?；炻撌交旌蟿恿ζ嚩家孕行驱X輪機構作為核心動力耦合構型(Powe—Split Device PSD)。該動力耦合構型可以實現電子無級變速功能(Electric continuously Variable Transmission，ECVT),在動力性和燃油經濟性方面優勢明顯。本文將選擇當前在國內上市的較為典型的行星式混聯混合動力汽車ECVT構型進行介紹，主要包括以日本Toyota汽車公司的單模輸入式功率分流構型為主，最具代表性的Toyota Hybrid Ssystem(簡稱THS)系統和以美國GM汽車公司的雙模功率分流構型為主的Advanced Hybrid System(簡稱AHS)系統，對這兩種系統的ECVT工作原理和各自特點進行分析，展示行星式混聯混合動力耦合系統構型的優點。

二、典型ECVT構型

混聯式混合動力汽車利用行星齒輪排實現發動機、發電機/電動機(MG1)、驅動電機(MG2)與車輛輸出軸之間的功率分流?？刂苾蓚€電機可以使得發動機與車速解耦，從而使得發動機能夠長期工作在最佳工作效率區域。這是混聯式混合動力汽車相比于串聯式、并聯式混合動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分成單模構型和雙模構型，其中單模構型又可分為三種模式：

第一種模式是輸入分流式(Input-split)，特點是將發動機和一個電機分別連在行星齒輪排上的兩個不同節點(杠桿分析法中將行星齒輪機構中太陽輪S、齒圈R、行星架PC的嚙合點看成節點)上，剩下的一個節點連接另一個電機和輸出軸。豐田THS系統的普銳斯用的就是這種構型，是現今非常成熟的一種構型。

第二種模式是輸出分流式(Output-split)，將輸出軸和一個電機分別連在行星齒輪排上的兩個不同節點上，剩下的一個節點連接另一個電機和發動機。GM汽車公司第一代沃藍達用的就是這種構型，車型也十分暢銷。

第三種模式是復合分流式(Compound-split)，將兩行星齒輪排中三個節點中的兩個節點連接起來，這樣可形成一個有四個節點的結構，再將發動機、兩個電機和輸出軸分別連在這4個節點上，雖然復合分流式構型還沒有在實車上得到廣泛應用。但是，復合分流式與輸入分流式構型組合可以獲得雙模構型(Twomode)，相比于單模構型，雙模構型中發動機具有更廣的工作區間，并且傳動效率更高。如GM汽車公司AHS系統ECVT構型。

1.豐田THS系統ECVT構型

縱觀豐田公司在 ECVT 混合動力耦合構型方面的發展路線和技術成就，可以總結出如表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 構型演變非常清晰，始終以最原始的THS構型作為精華部分，在其基礎上進行演變，逐漸多樣化、復雜化，又產生了其它各種各樣的性能優越的構型。

(1)雙擎卡羅拉混合動力ECVT構型

雙擎卡羅拉屬于THS-II混合動力系統。該系統與普銳斯相同，采用了豐田汽車公司具有發明專利的雙排行星齒輪機構的混合動力車輛傳動橋,構型簡圖如圖1所示。

表1 豐田THS系統ECVT構型科研成果路線

圖1 雙擎卡羅拉ECVT構型圖

(2)雷克薩斯LS600h混合動力ECVT構型

雷克薩斯LS600h混合動力系統有排量5L，功率為290kW發動機和ECVT組成。ECVT構造包括發電機/電動機MG1、驅動電機MG2(輸出功率260kW)，雙行星齒輪排和兩個制動器。其構型仍屬于豐田混合動力THS-II系統，又稱為輸入分配增扭型結構，其構型如圖2所示。

圖2 雷克薩斯L600h ECVT構型圖

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

在動力輸入連接上，前排行星齒輪機構屬于動力分配行星齒輪機構，太陽齒輪連接至 MG1、行星架連接發動機、齒圈連接后排行星架輸出扭矩。后排拉維娜氏行星齒輪機構屬于電機MG2減速增扭行星齒輪機構，其前小太陽齒輪連接至B1制動器，后大太陽齒輪連接至MG2，齒圈連接至B2制動器、行星架與前排齒圈連接輸出扭矩。通過液電控制，操作B1和B2制動器，系統能將MG2轉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到327kW，0～100km加速時間6.4s，綜合油耗9.6L。

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圖3 LS600h高低速切換及扭矩輸出

2.通用AHS系統ECVT構型

縱觀美國GM公司在EVT混合動力耦合系統方面的技術演變路線并沒有Toyota公司那么清晰明朗，而且結構上比Toyota公司更為復雜,多數集中于雙排、三排行星齒輪機構的研究，尤其是在三排方面，發表了一些專利，如表2所示。

表2 通用AHS系統ECVT構型總結

(1)雪弗蘭君越30H混合動力ECVT構型

雪弗蘭君越30H混合動力采用了通用5ET50變速器。5ET50變速器是一款集機械驅動和電機驅動的ECVT，它具有無級變速、兩個行星齒輪排動力耦合、三組離合器和1組制動器控制、四種驅動模式等特點。ECVT技術參數如表3所示。

表3 5ET50 ECVT技術參數

5ET50：

5—5種驅動模式；

E—電子變速器；

50—產品系列。

在全新一代君越30H全混動上只使用了4種驅動模式，ECVT的構型如圖4所示。

圖4 君越30H混合動力ECVT構型

扭轉減振器與旁通離合器——安裝在變速器前端，連接發動機驅動盤與輸入行星齒輪排的齒圈。扭轉減振器總成內部包含一個單向離合器，在發動機起動時將減振器旁通。

輸入行星齒輪排——太陽輪直接連接電動機/發電機A；齒圈通過扭轉減振器連接發動機；行星架與輸出行星齒輪排的行星架直接連接，通過鏈條連接至主減速器輸出動力。

輸出行星齒輪排—太陽輪直接與電動機/發電機B連接；齒圈通過低速離合器B1連接殼體，通過離合器C1鏈接電動機/發電機A；行星架與輸入行星齒輪排的行星架連接，輸出動力。

離合器C1—安裝在電動機/發電機A的轉子上，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變速器運行模式如表4所示。

5ET50變速器各個運行模式狀態和過渡狀態如圖5所示，發動機、MG1、MG2的輸入轉速與車輛行駛速度的關系如圖6所示。雪弗蘭君越30H混合動力汽車綜合油耗為4.7L/100km。

表4 5ET50變速器運行模式

圖5 君越30H混合動力ECVT工作模式切換圖

圖6 君越30H混合動力ECVT組件轉速與車輛速度關系圖