通用凱迪拉克CT6轎車電動變速器開發(fā)介紹(上)

◆編譯/江蘇 高惠民

高惠民(本刊編委會委員)

曾任江蘇省常州外汽豐田汽車銷售服務(wù)有限公司技術(shù)總監(jiān)，江蘇技術(shù)師范學院、常州機電職業(yè)技術(shù)學院汽車工程運用系專家委員，高級技師。

通用汽車為后輪驅(qū)動產(chǎn)品開發(fā)的全新電動變速器(EVT)，用于凱迪拉克CT6的插電式混合動力汽車(PHEV)驅(qū)動系統(tǒng)。該變速器包括兩個集成電動機，行星齒輪和液壓離合器。它能夠在無級變速(CVT)傳動比范圍內(nèi)進行動力分流型混合動力操作；在固定傳動比下進行并聯(lián)混合動力操作，并在不同傳動比組合下實現(xiàn)純電動驅(qū)動。本文將介紹從變速器的機械設(shè)計，控制設(shè)計，電動機設(shè)計和動力輸出操作，以及用仿真結(jié)果作為最終優(yōu)選開發(fā)的基準。使得這款全新電動變速器無論是在車輛純電動行駛或行駛過程中發(fā)動機啟動和減速再生電能回收以及與渦輪增壓發(fā)動機的動力混合，整個駕駛范圍內(nèi)都能提供平穩(wěn)，無縫連接驅(qū)動力。

一、概述

凱迪拉克CT6插電式混合動力汽車(PHEV)的全新電動變速器(EVT)是通用汽車(GM)第二代混合動力汽車專用變速器的一部分，第二代EVT的使用，還有第二代雪佛蘭Volt以及通用汽車全球其他前輪驅(qū)動(FWD)汽車和后橋驅(qū)動器的后輪驅(qū)動(RWD)汽車。與第二代Volt一樣，新的EVT是從“空白平板電腦”開始設(shè)計的，它首先對所有已知的混合動力技術(shù)進行了系統(tǒng)性比較，以效率，性能，驅(qū)動器質(zhì)量，耐用性和其他因素上為客戶最佳選擇。EVT在一個集成式套件中提供了無級變速(CVT)功能以及并聯(lián)混合動力和電力驅(qū)動功能，該套組件的安裝空間與常規(guī)行星自動變速器大致相同。它的工程技術(shù)直接受益于通用汽車在2ML70雙模式混合動力EVT基礎(chǔ)上優(yōu)化創(chuàng)新，成為真正的下一產(chǎn)品。2ML70雙模式混合動力EVT是通用早期用在凱迪拉克凱雷德混合動力上的雙模式EVT，雙模式EVT參考本刊2017年第10期“混聯(lián)式混合動力耦合系統(tǒng)構(gòu)型分析”一文。

新的EVT是凱迪拉克CT6插電式混合動力驅(qū)動系統(tǒng)的核心，它還包括2.0L渦輪增壓直噴汽油發(fā)動機，液冷鋰離子電池組，牽引功率逆變器模塊(TPIM)，附件電源模塊(APM)用于提供12V電源，車載充電器模塊(OBCM)用于向系統(tǒng)提供電網(wǎng)能量，以減少車輛對石油燃料的使用，這些是單純使用混合動力技術(shù)所無法實現(xiàn)的。新型EVT內(nèi)部包含兩個可以電力驅(qū)動電動發(fā)電機，一個輸入阻尼器，三個行星齒輪模塊，五個多片離合器以及一個電動油泵產(chǎn)生的液壓油用于電機冷卻和離合器作動的液壓潤滑系統(tǒng)。

二、功率傳輸和運行

新的EVT同時提供電動和CVT功能。當發(fā)動機關(guān)閉時，其兩個電力驅(qū)動的電動發(fā)電機(簡稱為“電動機”)都可以通過行星齒輪傳動來驅(qū)動輸出，并利用齒輪傳動實現(xiàn)一級或二級扭矩倍增。當發(fā)動機啟動后，一個電動機可以充當發(fā)電機，而另一個電動機可以產(chǎn)生軸功率以可變比率傳遞扭矩，并且通過行星齒輪裝置可以放大該扭矩作用，也可以將發(fā)動機扭矩從輸入傳遞到輸出的比例可變，無需將所有發(fā)動機功率都轉(zhuǎn)換為電能，然后再轉(zhuǎn)換成機械能回去。這樣，新型EVT使用其電動機、行星齒輪及其他組件即可實現(xiàn)從發(fā)動機到輸出的CVT動作，而無需諸如皮帶之類的摩擦裝置。離合器允許系統(tǒng)控制器從多種不同的方式中進行選擇，每種方式最適合不同的傳動比范圍和其他工作條件。

三、電動變速傳動概念

在將電動機添加到常規(guī)動力總成的各種布置中(例如比較熟悉的在其他常規(guī)變速器的輸入處并聯(lián)混合動力電動機)。之所以選擇了帶有集成電力驅(qū)動的專用EVT的概念，是通用汽車長期以來對電動驅(qū)動的濃厚興趣和考慮使用專用EVT的機會。專用EVT的選擇來自考慮包括電力驅(qū)動在內(nèi)的完整車輛動力總成的設(shè)計。從功能強大且高效的電動機驅(qū)動開始，專用變速器發(fā)揮了其所有優(yōu)勢，不僅適用于純電動驅(qū)動，而且還適用于使用行星齒輪和電動機的傳動比平穩(wěn)且連續(xù)變化的混合動力驅(qū)動。該動作避免了如傳統(tǒng)的CVT那樣，依靠內(nèi)部摩擦逐步改變傳動比來傳遞轉(zhuǎn)矩。

EVT的一般工作原理是使用行星齒輪將發(fā)動機運轉(zhuǎn)時的機械動力分為兩部分。第一部分通過發(fā)電機以一個扭矩和速度轉(zhuǎn)換為電能，然后通過電動機轉(zhuǎn)換為具有獨立扭矩和速度的機械動力。此轉(zhuǎn)換過程使用兩個電動機允許同時控制傳動比和進出電池和電氣配件的電量。第二部分直接通過行星齒輪傳動從輸入到輸出無需轉(zhuǎn)換，這樣的傳輸比起將發(fā)動機功率轉(zhuǎn)換成電能的效率更高。當傳動比通過齒輪傳動裝置偏離基本機械傳動比時，必須轉(zhuǎn)換為電能并再次轉(zhuǎn)換為機械能輸出。因此，離合器可以從用于分配動力的傳動裝置的不同配置中進行選擇，從而使通過變速器的大部分機械動力保持機械形式，以實現(xiàn)最大效率。

四、多種功率分配模式

這些用于分配功率的配置通常稱為“模式”。新的EVT具有四種優(yōu)選的功率分配模式。在每種模式下，傳動比都是連續(xù)可變的。此外，在每個動力分配模式下，發(fā)動機從靜止到運轉(zhuǎn)再到與電動機偶合輸出，傳動比是無限可變的。而且，每種功率分配模式對于特定的傳動比范圍都是最有利的。

四種優(yōu)選的動力分配模式中的兩種是輸入分流模式，其中行星齒輪傳動分流發(fā)動機輸入功率，并且通過將輸出處的電動機扭矩與通過傳動裝置傳遞的發(fā)動機扭矩相加來再次組合功率。輸入分流模式之一用于車輛低速，在該模式下，兩個電動機中功率較大的電動機以高機械比耦合到輸出，效率高，響應(yīng)靈敏。另一種輸入分流模式在機械比相反的極端情況下使用，即在再生制動期間或具有低發(fā)動機轉(zhuǎn)速和中高車速，雖然更強大的電動機再次與輸出耦合，但機械比率較低

四種功率分配模式中的兩種是復合分流模式，其中至少兩個行星齒輪組組合在一起，為輸入、輸出和兩個電機中的每一個提供單獨的連接。這種類型的模式對于在輸入分流模式的設(shè)計傳動比范圍內(nèi)從發(fā)動機向輸出傳輸功率更有效，因為作用輸出的扭矩是通過用發(fā)電機的分配功率與另一個電動機功率組合來提供。

五、全電動和并聯(lián)混合協(xié)同

新型EVT所有電動驅(qū)動模式如同電動汽車(EV)運行一樣。通過變換離合器的操作使變速器運行模式得到多種變換。理論上，每個動力分配模式都具有與其相關(guān)的電驅(qū)動狀態(tài)，在該狀態(tài)下，用于實現(xiàn)該模式的離合器選擇處于相同的操作狀態(tài)，并且一個附加的離合器用于在輸入軸上提供反作用扭矩。在發(fā)動機關(guān)閉時，此輸入離合器起到制動器的功能，從而使所有來自電動機的扭矩都能像發(fā)動機在運轉(zhuǎn)一樣對輸出產(chǎn)生反作用，因此，變速器可以在發(fā)動機關(guān)閉下提供峰值輸出扭矩。

并聯(lián)混合動力操作模式，其中發(fā)動機和一個電機直接與齒輪相連，以固定的傳動比與輸出相匹配，并內(nèi)置在順序功率分配模式之間同步切換。從一個功率分配模式變換到另一個功率分配模式，可以通過接通和斷開相對速度均為零離合器。這種變換只是一個簡單的變速器的反作用扭矩路徑發(fā)生變化的過程。這設(shè)計是為在一個電動機可能承載所有反作用力矩。當兩種模式的離合器同時激活時，它們將固定變速器的傳動比并卸載電動機，在最佳發(fā)動機轉(zhuǎn)速達到或接近特定機械比率的情況下，該運行狀態(tài)具有更高的巡航總效率，而另一個電動機可用于增加扭矩或充電，為附件產(chǎn)生動力以及進行再生制動。

六、組件的功能與布置

圖1所示為CT6新EVT的杠桿圖，它描述了行星齒輪組，離合器，輸入和輸出以及兩個電動機的結(jié)構(gòu)布置。電動機用A和B表示。從輸入到輸出，行星齒輪組用P1，P2和P3表示。從輸出到輸入的離合器分別指定為C1，C2，C3，C4和C5，半固定式離合器(制動器)為奇數(shù)編號，全旋轉(zhuǎn)式離合器為偶數(shù)編號。

圖1 新EVT的杠桿圖

從概念上講，CT6的新EVT其中一部分結(jié)構(gòu)布置與第二代雪佛蘭Volt增程電動汽車(E-REV)的變速器有相同之處，如圖2所示是Volt的杠桿圖。CT6除了包含與Volt兩個具有相同功能的行星齒輪組。還增加一組雙級行星齒輪組和一對半固定式離合器(制動器)，這個離合器倍增了輸出扭矩。與第二代雪佛蘭Volt增程電動汽車(E-REV)的變速器相比，兩者之間概念上的差異在于CT6 PHEV更體現(xiàn)在加強油門踏板的響應(yīng)性和加速的動力性，而Volt E-REV是在有電池能量滿足的情況下，嚴格遵守電力驅(qū)動功能。盡管這兩個功能與架構(gòu)布置有密切相關(guān)，但它們都是從廣泛的，獨立的研究中優(yōu)選出來所有類型的混合動力車輛的性能，這些研究是針對第二代FWD產(chǎn)品(例如Volt 2)和第二代RWD產(chǎn)品(如CT6)。由于對應(yīng)發(fā)動機排量和結(jié)構(gòu)體積上的差異，F(xiàn)WD和RWD變速器無法共享主要部件。雖然軟件功能相似。但在RWD開發(fā)中，根據(jù)20種不同的基本混合動力系統(tǒng)架構(gòu)被進行分類組合，從而確定電動機的使用數(shù)量。一個電動機允許基本高效的再生制動和混合動力功能電力驅(qū)動，第二個電機對傳統(tǒng)部件進行了一些改進，彌補發(fā)動機在低負荷經(jīng)濟性不足。因此，RWD專注研究單電機并聯(lián)混合動力系統(tǒng)，包括輸入并聯(lián)混合動力構(gòu)型；功率分流混合動力構(gòu)型以及計算機控制混合動力分配架構(gòu)。從理論研究和優(yōu)化結(jié)果證明，第二代雪佛蘭Volt增程電動汽車(E-REV)的變速器與CT6的新EVT配置兩個電動機，兩個行星齒輪組和三個離合器裝置是絕佳選擇。因為行星齒輪組具有四個優(yōu)勢功能：

圖2 雪佛蘭Volt的杠桿圖

①兩臺電動機并聯(lián)運行，能使驅(qū)動力扭矩倍增；

②輸入分流混合動力模式CVT運行，使用一組齒輪組用于功率分配，另一個電動機用于增加輸出扭矩；

③使用兩組行星齒輪組合的雙模式混合動力CVT運行，以實現(xiàn)更高效的功率分配；

④并聯(lián)混合動力運行，其中發(fā)動機功率與輸出形成固定傳動比。

七、運行狀態(tài)

表1顯示了新EVT的11種不同的潛在車輛行駛狀態(tài)：動力分流EVT驅(qū)動模式，固定齒輪(FG)速比并聯(lián)混合驅(qū)動模式和純電動汽車(EV)模式的運行情況。四種EVT模式中的每一種均可在從發(fā)動機輸入到輸出的一定傳動比(TR)范圍內(nèi)提供動力分配混合動力運行，該范圍通常受傳動效率的限制，因此可以在表格1中EVT模式上方和下方顯示的固定齒輪速比狀態(tài)之間進行選擇。

表1 運行狀態(tài)表

在EVT1中，P1齒輪組分配來自發(fā)動機的動力，P2和P3齒輪組分別使用來自C3和C1的反作用扭矩相乘。電動機A為發(fā)動機提供反作用扭矩，調(diào)節(jié)發(fā)動機的輸出速度比。電動機B通過進出電池電量，增加到輸出的扭矩。EVT1可提供一系列相對較大的傳動比(快速輸入和慢速輸出)，因為駕駛員對驅(qū)動功率的需求超過了電池功率的需求。EVT1通常用于從發(fā)動機啟動到達到FG1的比率之間提供強勁的加速。

在FG1中，三個離合器C4，C3和C1一起使用時，為并聯(lián)混合動力運行提供了從發(fā)動機到輸出的固定比率，電動機B配合輸出的較高扭矩比率。C4和C3離合器使電動機A卸載，使其處于待機狀態(tài)(零扭矩輸出狀態(tài))，而電動機B可以產(chǎn)生或使用電力。FG1以其特定的傳動比提供了非常強的加速度，因為發(fā)動機動力無需轉(zhuǎn)換即可非常高效地進行傳遞，并且電動機B可以完全專注于為發(fā)動機提供可用的電池電量轉(zhuǎn)換的動力。FG1通常僅在車輛加速行駛時短暫使用。

在EVT2中，P1和P2齒輪組由C4離合器接合在一起，而P3齒輪組和C1離合器提供扭矩倍增。電動機A和B共同工作，以控制從輸入到輸出的傳動比在中間范圍內(nèi)以及進出電池的電量。盡管EVT2可以提供更大范圍的傳動比，但它在FG1的傳動比與FG2的傳動比之間并在這些中間比率之間使用時最為有效。EVT2專注于一系列無級變速比，類似于常見的傳統(tǒng)齒輪變速器中第二，第三和第四齒輪比，因此EVT2可在各種車速范圍內(nèi)提供強勁，平穩(wěn)，響應(yīng)迅速的加速度。

在FG2中，三個離合器C4，C2和C1提供了從發(fā)動機到輸出的固定傳動比，并與電動機A到輸出的較高扭矩進行并聯(lián)混合動力運行。C2和C1離合器使電動機B卸載，但在FG2狀態(tài)時，其高扭矩效率使得電動機B不必保持在待機狀態(tài)。

在EVT3中，通過C4和C2離合器的作用將所有三個齒輪組混合在一起。電動機A和B共同工作，以控制從輸入到輸出范圍內(nèi)的一系列傳動比(包括通常用于巡航和超速的傳動比)以及進出電池的電量。

在FG3中，三個離合器C4，C3和C2提供了從發(fā)動機到輸出的超速固定傳動比，以及電動機B到輸出的更高的固定扭矩比率。C4和C3離合器使電動機A卸載并使其處于待機狀態(tài)，而電動機B可以產(chǎn)生或使用電力。該傳動比非常適合高速巡航，并且在低發(fā)動機轉(zhuǎn)速下，發(fā)動機功率全機械傳動以配合適中的電動機轉(zhuǎn)速非常有效地運行。

在EV狀態(tài)下，行星齒輪只是簡單地用于以不同的有效傳動比從電動機A和B到輸出的轉(zhuǎn)矩倍增。EV1提供最大的有效傳動比，從電動機A到P1的扭矩相乘，從電動機B到P2的扭矩相乘，相加的結(jié)果通過P3相乘。CT6使用了11個潛在運行狀態(tài)中的10個，在適當?shù)某掷m(xù)時間內(nèi)使用了11個潛在運行狀態(tài)中的9個，最優(yōu)使用了11個潛在運行狀態(tài)中的8個進行驅(qū)動。CT6取消了非關(guān)鍵的運行狀態(tài)，以減少所需的硬件，并且該傳輸可用于其他車輛的應(yīng)用中。在CT6車輛的實際操作中，不需要EV2狀態(tài)，因為EV1和EV3狀態(tài)可為EV驅(qū)動的相互補充。FG2只需要短暫地作為從一種EVT模式到另一種EVT模式的過渡狀態(tài)，因為在該傳動比下EVT2和EVT3的效率幾乎與FG2一樣。由于CT6中的發(fā)動機尺寸較小，因此驅(qū)動時不需要EVT4的超速傳動比，但是EVT4對于發(fā)動機高速時的再生制動非常有效。因此，從技術(shù)上可能有人爭辯說，新的EVT是八，九，十或十一狀態(tài)的變速器，并且所有狀態(tài)都是有區(qū)別的，即使是固定的齒輪比也可以使運行中的電動機和發(fā)動機具有不同且更合適的傳動比與輸出。

八、組件橫截面

圖3所示為新EVT的橫截面，顯示了其大部分組件，輸入或前端位于圖的左側(cè)，輸出或后端則位于圖的右側(cè)。許多離合器組件分成兩部分，彼此非常相似，兩個集成電機分別連接一個離合器組件。

圖3 全新電動變速器的橫截面

EVT采用鋁制的外殼和輸入和輸出端蓋以及油底殼。輸入軸具有內(nèi)部花鍵，連接在通過螺栓固定至發(fā)動機曲軸的輸入減振器組件上，輸出軸具有常規(guī)的外部花鍵，用于連接驅(qū)動軸或分動箱。主軸沿著變速器內(nèi)中心長度上延伸，將三個行星齒輪組的部件彼此連接，并為圍繞主軸的套筒軸提供支撐。

輸入軸被一個小直徑的濕式多片離合器C5圍繞，該離合器帶有固定的活塞和可充當輸入制動器的反作用板。由于液壓系統(tǒng)是由電動油泵提供動力的，而電動油泵由小型高壓電機驅(qū)動，因此沒有傳統(tǒng)的變速器輸入軸驅(qū)動的油泵。輸入軸連接到行星齒輪組P1的齒圈。P1齒輪組的太陽輪被連接到電動馬達A轉(zhuǎn)子。P1的齒輪組的行星架連接到主軸。電機A是一臺感應(yīng)電機，并為其速度傳感器配備了信號齒輪。一對離合器位于電動機A的后面。內(nèi)部全旋轉(zhuǎn)離合器C4可以將電動機A連接到中間行星齒輪組P2的齒圈，而外部部分固定離合器C3可以充當P2齒圈上的制動器。與P1一樣，P2齒輪組的太陽輪連接至電動馬達B，其行星架與主軸連接。電機B是稀土永磁電機，具有較厚的轉(zhuǎn)子和相對受限制的外徑，因此它不能圍繞P2齒輪組。電動機B配有用于位置和速度感應(yīng)的旋轉(zhuǎn)變壓器。一對離合器位于電動機B的后面。內(nèi)部的全旋轉(zhuǎn)離合器C2可以將電動機B與輸出齒輪組P3的行星架組件相連，而外部的半固定離合器C1可以起到作為同一組件上的制動器。

P3齒輪組是雙行星齒輪組，其中行星齒輪成對嚙合。在每對行星輪中，一個稍微靠近中心軸與太陽輪嚙合，另一個與齒圈嚙合。附加的行星輪使行星架和齒圈的作用相反，從而來自齒圈的扭矩是施加到太陽的扭矩和施加到行星架的扭矩的總和。在這種情況下，總轉(zhuǎn)矩為變速器輸出轉(zhuǎn)矩。這種類型的齒輪組提供了理想的轉(zhuǎn)矩比，實際上這是簡單的行星齒輪組無法實現(xiàn)。因為行星齒輪太小了。

電動機A與P1齒輪組之間以及電動機B與P2齒輪組之間的關(guān)系相似，每個電動機都連接到太陽輪。同樣，電動機A和P2齒輪組之間以及電動機B和P3齒輪組之間的關(guān)系相似-每個電動機都可以通過離合器連接到另一個齒輪組的構(gòu)件上。同樣，P2和P3齒輪組的功能彼此相似：齒輪組用于制動器激活時的扭矩倍增，而齒輪組在其同旋轉(zhuǎn)式離合器處于接合狀態(tài)時與另一組齒輪組合。

九、電動發(fā)電機

凱迪拉克CT6 PHEV的新EVT包括兩臺驅(qū)動電動發(fā)電機。一個稱為“電動機A”，是感應(yīng)電動機，另一個稱為是一種內(nèi)裝式永磁交流同步電機(IPM)，它從轉(zhuǎn)子表面以下的磁鐵產(chǎn)生轉(zhuǎn)子表面的磁場與定子產(chǎn)生的氣隙磁場相互作用產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。兩種電動機均具有帶有三相繞組的繞線定子結(jié)構(gòu)。感應(yīng)電動機A三角形連接，而IPM電動機B星形連接。這兩個電動機通過兩組三相電纜與外部系統(tǒng)電源控制器TPIM連接，TPIM負責監(jiān)督兩個電動機與電池組和高壓配件之間的電力交換。

電動機A選擇感應(yīng)電動機可以降低總體系統(tǒng)成本，并且在不影響設(shè)計性能的前提下，采用不含稀土磁體的設(shè)計。與永磁轉(zhuǎn)子相比，感應(yīng)轉(zhuǎn)子具有低空轉(zhuǎn)損耗和高速度運轉(zhuǎn)的特點。轉(zhuǎn)子的導條數(shù)和條形的設(shè)計優(yōu)化以及定子的條繞組和槽數(shù)設(shè)計的優(yōu)化使得感應(yīng)電機具有所需的性能。定子繞組的三角形連接和低漏感轉(zhuǎn)子設(shè)計共同實現(xiàn)了高峰值功率運行，這是此電機應(yīng)用選定驅(qū)動系統(tǒng)架構(gòu)所必需的。圖4是電動機A的分解圖。

圖4 電動機A的分解圖

(未完待續(xù))