主流E-CVT動力分流混動變速器簡析

鄭昌舜

(上海交通大學(xué) 機械與動力工程學(xué)院， 上汽大眾汽車有限公司產(chǎn)品研發(fā)部, 上海 200240)

主流E-CVT動力分流混動變速器簡析

鄭昌舜

(上海交通大學(xué) 機械與動力工程學(xué)院， 上汽大眾汽車有限公司產(chǎn)品研發(fā)部, 上海 200240)

本文簡要介紹了單電機并聯(lián)、雙電機混聯(lián)以及動力分流三種主流的混動結(jié)構(gòu)及應(yīng)用。接著詳細說明和分析了了豐田THS 1/2代和通用Voltech 2代兩種動力分流混動變速器的機械結(jié)構(gòu)、各行駛模式的動力流。通過對其不同的動力分流模式下發(fā)動機及電機功率、扭矩和轉(zhuǎn)速分析，比較了其混動效率。

混合動力 動力分流 豐田THS 通用Voltech 行星齒輪

0 引言

隨著國家政策對新能源汽車的大力扶持以及混動技術(shù)的進一步發(fā)展成熟，近年來，國內(nèi)乘用車市場混合動力汽車勢如破竹，發(fā)展迅速。

目前全球范圍內(nèi)乘用車最主流的混動系統(tǒng)主要有：單電機并聯(lián)、雙電機串并聯(lián)(混聯(lián))、以及動力分流三種混動結(jié)構(gòu)[1-3]。

歐洲廠商相對更傾向使用單電機并聯(lián)的混動結(jié)構(gòu)。按照電機在整個傳動系中不同的布置位置，又可以分為P0，P1，P2，P3，P4等結(jié)構(gòu)(見圖1)。例如德國大眾Glof GTE(DQ400E)將電機和電機離合器布置于發(fā)動機與變速器之間，為P2的結(jié)構(gòu)；國內(nèi)市場熱銷的比亞迪秦將電機布置在差速器前，為P3結(jié)構(gòu)；比亞迪唐在秦的基礎(chǔ)上，在后橋上又增加了一個電機，形成了P3+P4的雙電機并聯(lián)結(jié)構(gòu)，同時實現(xiàn)了電四驅(qū)；此外，目前熱門的48V弱混系統(tǒng)大都是將單電機布置在原來發(fā)電機的位置，即為P0結(jié)構(gòu)。

圖1 單電機并聯(lián)結(jié)構(gòu)

上海汽車的榮威E550(圖2)，三菱歐藍德PHEV以及本田的i-MMD混動系統(tǒng)采用的都是雙電機混聯(lián)結(jié)構(gòu)，可以實現(xiàn)串聯(lián)、并聯(lián)、發(fā)動機直驅(qū)等混動模式，本文不作過多的介紹。

在美日混動乘用車市場占據(jù)絕對主力的混動結(jié)構(gòu)則是以豐田THS (TOYOTA Hybrid System)以及通用Voltech為代表的E-CVT動力分流(Power-Split)混動系統(tǒng)。下面將對這兩種系統(tǒng)做詳細深入的介紹和分析。

圖2 上海汽車榮威e550 EDU結(jié)構(gòu)圖

1 豐田THS 1/2代系統(tǒng)

豐田普銳斯、卡羅拉雙擎、雷凌雙擎，雷克薩斯CT200h等混動車型使用的均為THS(TOYOTA Hybrid System)混動系統(tǒng)[4-6]。

1.1 結(jié)構(gòu)原理

THS 1/2代混動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成如圖3所示，由一臺阿特金森發(fā)動機(ICE)，兩個電機(EM1，EM2)以及一個簡單行星輪組成。

ICE與行星架(C)連接， EM1與太陽輪(S)連接， EM2與齒圈(R)連接并與差速器連接以輸出動力。該系統(tǒng)可以實現(xiàn) 純電(EV Mode) 及 動力分流(Power-Split Mode) 兩種行駛模式。

為了便于后面計算分析，這里定義簡單行星輪的齒圈齒數(shù)Zr與太陽輪齒數(shù)Zs比∝為：

(1)

圖3 TOYOTA THS Gen1/2結(jié)構(gòu)原理

1.2 不同駕駛模式的動力流分析

1) 純電模式(EV Mode)：

純電模式下，如圖4所示， ICE處于停機狀態(tài)(鎖止)，EM2通過齒圈直接驅(qū)動車輛行駛，此時EM1由于簡單行星輪的運動關(guān)系處于反向空轉(zhuǎn)的狀態(tài)。假設(shè)車輛前進時齒圈順時針旋轉(zhuǎn)(下同)，則EM1和EM2運動關(guān)系如圖5所示。

圖4 純電模式動力流

圖5 EV Mode行星齒輪各元件運動關(guān)系

通過杠桿法(The Level Analogy[7])我們可以對該運行模式下的行星輪各運動元件進行轉(zhuǎn)速及扭矩的分析，如圖6所示。

此時EM2正轉(zhuǎn)輸出功率，EM1反向空轉(zhuǎn)，且轉(zhuǎn)速為EM2的α倍(式2)，整個系統(tǒng)的輸出扭矩Tsum即為TEM2(式3)：

(2)

(3)

圖6 EV Mode杠桿法轉(zhuǎn)速分析

由于EM1轉(zhuǎn)速為EM2的α倍，受限于EM1的最高轉(zhuǎn)速，純電模式下車速最高只能達到40MPH(約64KPH，基于普銳斯α=2.6得出)，之后發(fā)動機必須啟動，以降低EM1的轉(zhuǎn)速。

2) 動力分流模式(Power-Split Mode)：

動力分流模式下，如圖7所示， ICE處于運行狀態(tài)將功率通過行星架輸入到行星輪系中，EM1處于負功率的發(fā)電狀態(tài)，EM2處于輸出功率的狀態(tài)。行星輪系各元件運動關(guān)系如圖8所示。

圖7 動力分流模式

圖8 Power-Split Mode行星齒輪各元件運動關(guān)系

同樣通過杠桿法對該運行模式下的行星輪各運動元件進行轉(zhuǎn)速及扭矩的分析(見圖9)。

圖9 Power-Split Mode杠桿法轉(zhuǎn)速扭矩分析

從圖9我們可以得出發(fā)動機(ICE)、EM1、EM2的轉(zhuǎn)速關(guān)系滿足式4：

(4)

ICE，EM1和輸出到差速器的扭矩相互平衡，滿足式5：

(5)

由α=2.6，帶入式4和式5后可得式6式7，即發(fā)動機輸入到行星輪系中的扭矩的72%輸出到差速器驅(qū)動車輛，28%通過EM1進行發(fā)電。

(6)

(7)

整個系統(tǒng)輸出到差速器用于驅(qū)動車輛的總扭矩如下式所示：

(8)

綜上，當(dāng)車輛瞬時的行駛狀態(tài)一定時(即輸出轉(zhuǎn)速nEM2/OUT及行駛阻力扭矩TOUT確定):

● 由式6可知，通過控制EM1的轉(zhuǎn)速，可以調(diào)整發(fā)動機的轉(zhuǎn)速；

● 由式8可知，通過控制EM2的扭矩，可以調(diào)整發(fā)動機的輸出扭矩。

圖10展示了某傳統(tǒng)汽油發(fā)動機的油耗特性曲線，對于這臺發(fā)動機而言，當(dāng)轉(zhuǎn)速在2600轉(zhuǎn)，扭矩在130Nm左右時發(fā)動機的瞬時油耗最低(淺綠色區(qū)域)。所以對于雙電機動力分流的混動系統(tǒng)來說，在動力分流行駛模式下，發(fā)動機的扭矩與轉(zhuǎn)速可以解耦地進行調(diào)整，這樣發(fā)動機可以盡可能地工作在最佳油耗區(qū)域。這一結(jié)論同樣適用與之后將介紹的通用Voltech 2代混動系統(tǒng)。[8-9]

1.3 動力分流混動效率分析

為了考量動力分流模式下的混動效率，我們提出下面兩個假設(shè)前提：

1) 整車為HEV，即非插電式混動；

2) 不考慮電池SOC，即發(fā)電電機的發(fā)電功率完全供給驅(qū)動電機用于驅(qū)動車輛，即PEM1=-PEM2。

在以上兩個假設(shè)條件下，混動模式中發(fā)動機輸出的功率越多地參與驅(qū)動車輛，越少地用于發(fā)電后再通過另一電機驅(qū)動車輛(多次能量轉(zhuǎn)換)，能量轉(zhuǎn)換的損失就越小，即可以理解為理論上的混動效率越高。

通過上一節(jié)中的杠桿法所作的分析，我們可以求得兩個電機功率PEM與發(fā)動機功率PICE關(guān)系式9：

(9)

兩個電機轉(zhuǎn)速nEM與發(fā)動機轉(zhuǎn)速nICE比的關(guān)系式10，式11：

圖10 某傳統(tǒng)汽油發(fā)動機油耗特性曲線

(10)

(11)

兩個電機扭矩TEM與發(fā)動機扭矩TICE比的關(guān)系滿足式12，式13：

(12)

(13)

根據(jù)式9-13分別作出功率比、扭矩比、轉(zhuǎn)速比的曲線，如圖11所示：

圖11 電機、發(fā)動機功率比、扭矩比、轉(zhuǎn)速比曲線

從圖上可見，該系統(tǒng)中有一個節(jié)點P(Knot)，其對應(yīng)的速比K為0.72(如上節(jié)所述，設(shè)α=2.6)，在這個節(jié)點上EM1和EM2的功率都為零，其中EM2的扭矩TEM2=0，EM1的轉(zhuǎn)速nEM1=0，此時發(fā)動機輸出的所有功率均用于驅(qū)動車輛。

當(dāng)速比大于節(jié)點K=0.72時(0.72左側(cè))，EM1發(fā)電(負功率)，且發(fā)電所得所有功率都用于EM2輸出功率驅(qū)動車輛，當(dāng)速比為∞時，兩個電機與發(fā)動機功率比為±1，即發(fā)動機功率全部用于EM2發(fā)電后供給EM1驅(qū)動車輛。

當(dāng)速比小于節(jié)點K=0.72時(0.72右側(cè))，EM2開始發(fā)電(負功率)，EM1開始輸出正功率，此時發(fā)動機的功率在系統(tǒng)輸出端(齒圈)進行分流，一部分用于驅(qū)動車輛，一部分由EM2發(fā)電后再將功率提供給EM1驅(qū)動太陽輪，這樣就形成了動力回流(Power Circulation)，效率相對較低。

因此，在實際運行時，速比K一般會控制在節(jié)點0.72以上(圖中0.72左側(cè))。

為了彌補純電模式下的最高車速較低這一系統(tǒng)限值，豐田在新一代的THS系統(tǒng)中增加了一組簡單行星輪作為減速機構(gòu)，如圖12所示。第2組簡單行星輪的加入一方面可以解決EM1在純電模式下空轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速高的問題，對于PHEV的意義更大，另一方面可以降低系統(tǒng)對于EM2的功率扭矩要求。

圖12 TOYOTA THS Gen3結(jié)構(gòu)原理圖

2 通用沃蘭達 Voltech 2代混動系統(tǒng)

2.1 結(jié)構(gòu)原理

通用汽車在全新一代沃蘭達Volt上使用了Voltech 2代混動變速器。其結(jié)構(gòu)如圖13所示，由一臺75kW發(fā)動機，兩個電機(EM1，EM2)，一個單向離合器，兩組多片式離合器組成?？梢詫崿F(xiàn)以下5種行駛模式，其中模式3為單分流模式，模式5為復(fù)合分流模式：

1) 單電機純電模式(Single-EM EV Mode)；

圖13 GM Voltech 2代結(jié)構(gòu)原理圖

2) 雙電機純電模式(Twin-EM EV Mode)；

3) 低增程模式(Low Extended Range Mode)；

4) 定速比增程模式(Fixed Ratio Extended Mode)；

5) 高增程模式(High Extended Range Mode)。

2.2 不同行駛模式的動力流分析

由于本文主要討論和研究混動效率，因此這里僅對模式3“低增程模式“ 和模式5“高增程模式”運用杠桿法進行分析。其他的運行模式僅作簡要的動力流介紹。

1) 單電機純電模式(Single-EM EV Mode)：

如圖14所示，單電機純電模式下，ICE處于熄火狀態(tài)，離合器2接合使得簡單行星輪2的齒圈固定，EM2輸出動力到行星輪2的太陽輪，最終由行星輪2的行星架將動力輸出至差速器驅(qū)動車輛。

圖14 單電機純電模式動力流

2) 雙電機純電模式(Twin-EM EV Mode)：

如圖15所示，在單電機純電模式的基礎(chǔ)上，雙電機模式下EM1也同時參與驅(qū)動，其與行星輪1的太陽輪連接，行星輪1的齒圈由于單向離合器的作用而被固定，EM1的動力由行星輪1的行星架輸出到差速器共同參與驅(qū)動車輛。

圖15 雙電機純電模式動力流

3) 低增程模式(Low Extended Range Mode)：

如圖16所示，低增程模式與豐田THS的動力分流模式類似，為一種單分流模式。此時ICE運行輸出功率到簡單行星輪1的齒圈，一部分功率驅(qū)動EM1進行發(fā)電，其余功率通過行星輪1的行星架輸出到差速器參與驅(qū)動車輛；EM2輸出正功率，通過行星輪2的行星架輸出共同驅(qū)動車輛。

圖16 低增程模式動力流

首先運用杠桿法對低增程模式中的簡單行星輪1進行運動和扭矩分析，各元件的轉(zhuǎn)速和扭矩關(guān)系如圖17所示：

圖17 低增程模式杠桿法分析_簡單行星輪1

從圖17可以得出ICE、EM1以及輸出端行星架C1的轉(zhuǎn)速關(guān)系滿足式14，輸出端扭矩TOUT與EM1的扭矩TEM1滿足式15：

(14)

(15)

如圖18再對簡單行星輪2進行運動分析，可得式16：

(16)

合并式9與式10，可得ICE、EM1、EM2的轉(zhuǎn)速關(guān)系式17：

(17)

圖18 低增程模式杠桿法分析_簡單行星輪2

最終可以得到EM與ICE的功率比關(guān)系式：

(18)

EM與ICE的轉(zhuǎn)速比關(guān)系式：

(19)

(20)

EM與ICE的扭矩比關(guān)系式：

(21)

(22)

4) 定速比增程模式(Fixed Ratio Extended Mode)：

如圖19所示，此模式下兩個離合器都接合，電機1、行星輪1的太陽輪、行星輪2的齒圈都被固定，ICE動力輸入到行星輪1的齒圈，通過行星架2輸出動力到車輪，此時EM2可以輸出功率，也可以發(fā)電。但是從發(fā)動機到車輪的速比是固定不變的。

圖19 定速比增程模式動力流

圖20 高增程模式動力流

5) 高增程模式(High Extended Range Mode)：

此為第二種動力分流模式，是一種復(fù)合分流模式。此時離合器1接合，離合器2脫開，ICE輸出的功率一部分輸出到車輪，一部分可以通過EM2發(fā)電，同時EM1輸出正功率參與驅(qū)動。

再次運用杠桿法進行運動和扭矩分析，將兩個行星輪進行合成后，各元件的轉(zhuǎn)速和扭矩關(guān)系如圖21所示，為了簡化計算，取a=∝1,b=∝1∝2-1：

圖21 高增程模式杠桿法分析

最終可以得到EM與ICE的功率比關(guān)系式：

(23)

EM與ICE的轉(zhuǎn)速比關(guān)系式：

(24)

(25)

EM與ICE的扭矩比關(guān)系式：

(26)

(27)

2.3 動力分流混動效率分析

從相關(guān)資料中查得Voltech2代兩個行星輪實際的參數(shù)∝1=∝2=2.4(即a=∝1=2.4，b=∝1∝2-1=4.76)，根據(jù)得出的關(guān)系式(單分流見式18-22，復(fù)合分流見式23-27)，可以分別作出兩種模式的電機/發(fā)動機功率比、扭矩比、轉(zhuǎn)速比對應(yīng)速比K及速比倒數(shù)(1/K)的曲線，如圖22所示。圖中直線表示單分流模式，曲線表示復(fù)合分流模式。

由下圖可見，這套動力分流系統(tǒng)有三個節(jié)點P0，P1和P2。單分流模式對應(yīng)的節(jié)點為P0，復(fù)合分流模式對應(yīng)的節(jié)點為P1和P2。實際求得單分流的節(jié)點P0和復(fù)合分流的節(jié)點P1重合，對應(yīng)速比K=1.42，P2對應(yīng)的速比K=0.83。在這兩個節(jié)點上兩個電機的功率均等于0，兩個電機的扭矩和轉(zhuǎn)速滿足表1的關(guān)系，而模式4定速比模式(Fixed Ratio Extended Mode)恰恰對應(yīng)的是P1節(jié)點。

圖22 電機、發(fā)動機功率比、扭矩比、轉(zhuǎn)速比曲線

表1 Voltech2代分流模式節(jié)點電機功率、扭矩、轉(zhuǎn)速關(guān)系

圖中虛線均表示低效率的動力回流工作區(qū)域：對于單分流模式來說，速比K小于1.42(P0，P1)為動力回流區(qū)域；對于復(fù)合分流模式來說，速比大于1.42(P0，P1)及小于0.83(P2)的區(qū)域均為動力回流區(qū)域。

因此，實際工作中在速比較大時系統(tǒng)應(yīng)采用低增程(單分流)工作模式；速比小于1.42后切換至高增程(復(fù)合分流)工作模式，模式切換點即為P0，P1節(jié)點；車輛高速巡航時，系統(tǒng)可切換至固定速比模式，此時EM1不參與工作，EM2工作狀態(tài)可視情況而定。

在復(fù)合分流模式下的P1和P2兩個節(jié)點之間，可以看到兩個電機與發(fā)動機的功率相比單分流模式更加接近0，這就意味著發(fā)動機輸出的功率更多地用于直接驅(qū)動車輛，因此具有相對更高的混動效率。

3 豐田THS與通用Voltech 2代優(yōu)缺點分析

豐田THS 1/2代混動系統(tǒng)由一個簡單行星輪組成，無需離合器，機械結(jié)構(gòu)極其簡單，因此材料和制造成本方面優(yōu)勢明顯。但其硬件結(jié)構(gòu)決定了只能實現(xiàn)單分流混動模式，。

通用Voltech 2代由兩個簡單行星輪組成，同時還需要1個單向離合器和2組多片式離合器進行控制，機械結(jié)構(gòu)上相對復(fù)雜了不少，對于變速器布置設(shè)計和制造都提出了更高的要求，因此制造成本上無疑更高，同時控制和標(biāo)定也會更加復(fù)雜。但其復(fù)雜的機械結(jié)構(gòu)帶來了單分流和復(fù)合分流兩種混動模式，使得其速比范圍可以做得更大，同時在復(fù)合分流模式下具有更高的混動效率。

4 總結(jié)和展望

本文從豐田THS 1/2代和通用Voltech2代的結(jié)構(gòu)入手，分析了這兩套系統(tǒng)各自行駛模式下的動力流，并通過對其各自動力分流模式下的功率計算，比較了其理論上的混動效率的優(yōu)劣。

目前無論是國際上還是國內(nèi)新能源汽車仍然處于起步階段，其發(fā)展方向很大程度上也取決于外部政策的導(dǎo)向。比如國內(nèi)現(xiàn)在大力鼓勵發(fā)展插電式混動汽車，單電機并聯(lián)和雙電機混聯(lián)結(jié)構(gòu)在“大電池”的協(xié)助下，回避了其混動效率較低的劣勢，同時發(fā)揮了其成本低、開發(fā)周期短、控制策略簡單等優(yōu)勢。

若在“不插電”這一假設(shè)前提下，動力分流的混動結(jié)構(gòu)由于可以通過兩個電機解耦地對發(fā)動機轉(zhuǎn)速和扭矩進行調(diào)整，使其始終工作在最佳油耗區(qū)域，因此其相較傳統(tǒng)混動結(jié)構(gòu)無疑具有更高的混動效率。

當(dāng)然實車上的油耗和排放除了與變速器結(jié)構(gòu)概念相關(guān)外，還與發(fā)動機、整車控制策略、電池電機控制等眾多系統(tǒng)密切相關(guān)。

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Analysis of Mainstream E-CVT Power-Split Hybrid Transmission

ZhengChangshun

(ShanghaiJiaoTongUniversity,SchoolofMechanicalEngineering,SAICVW,TechnicalEngineeringDivision,Shanghai200240)

The Single-EM parallel structure, the Twin-EM parallel/series structure and the Power-Split structure are now the three most popular mainstream Hybrid concepts all over the world. The essay introduces the main structure of the TOYOTA THS 1/2 and the General-Motors Voltech2 Power-Split hybrid systems and analyzes the power flow of the different drive modes. Through the analysis and calculation, the power, torque and rotation speed of the engine and the E-Motors have been compared.

Hybrid Vehicle Power-Split TOYOTA THS General-Motors Voltech planet gear

1006-8244(2016)04-018-11

U463.2

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