凯美瑞、雅阁及君威混合动力系统的技术分析

文章来源:EDC电驱未来 发布时间:2021-02-09
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凯美瑞混合动力车电控变速器习惯称为混合动力传动桥,2018款凯美瑞混合动力传动桥由小电机MG1、大电机MG2、复合齿轮装置、传动桥阻尼器、中间轴齿轮、减速齿轮、差速器齿轮机构和油泵组成。

1.凯美瑞混合动力车电控变速器

凯美瑞混合动力车电控变速器习惯称为混合动力传动桥,2018款凯美瑞混合动力传动桥由小电机MG1、大电机MG2、复合齿轮装置、传动桥阻尼器、中间轴齿轮、减速齿轮、差速器齿轮机构和油泵组成。该传动桥为3轴结构,复合齿轮装置、传动桥阻尼器、油泵、MG1和MG2连接至输入轴。中间轴从动齿轮和减速主动齿轮连接至第二轴。减速从动齿轮和差速器齿轮机构连接至第三轴(图1)。

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图1 混合动力传动桥结构图



(1)电机MG1、MG2




电机MG1(小)和MG2(大)为紧凑、轻量且高效的三相永磁同步电机,内置于混合动力传动桥内,由定子、定子线圈、转子、永久磁铁和解析器(也称为电机转速位置传感器)等组成(图2)。MG1电机主要用作发电机来使用,为MG2驱动车辆提供电能并对镍氢电池充电。另外,启动发动机时,MG1作为起动机来使用。MG2主要作用是利用MG1和镍氢电池提供的电能,以驱动电机模式驱动车辆行驶,此外,在减速或制动过程中MG2用作发电机对镍氢电池充电,以回收再生制动能量。

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图2 电机结构图

为了实现对电机进行矢量控制,需精确测量电机转子的转速及磁极的位置(相位),为此安装了解析器(电机转速位置传感器)。解析器采用旋转变压器的结构形式,由3个定子线圈(励磁线圈、检测线圈S、检测线圈C)和转子(随电机转子同步旋转)组成。



(2)复合齿轮装置




复合齿轮装置由动力分配行星齿轮机构和电动机减速行星齿轮机构等组成。通过采用2套行星齿轮机构的齿圈和中间轴主动齿轮及驻车锁止齿轮做成一体的复合齿轮,使复合齿轮装置的结构更为紧凑合轻量化。动力分配行星齿轮机构的太阳齿轮连接至MG1、行星架连接至发动机、齿圈位于复合齿轮上。电动机减速行星齿轮机构的太阳齿轮连接至MG2、齿圈位于复合齿轮上、行星架固定至传动桥外壳(图3)。

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图3 复合齿轮装置



(3)传动阻尼器




传动阻尼器一般称为扭转减振器。混合动力车辆在发动机运转停止或启动瞬间,会产生很大的扭转振动,而在传动装置结构上又取消了液力变矩器,无液力减震作用,因此,为减少传动系统的扭转振动,提高可靠性以及驾乘的舒适性,混合动力车辆普遍在发动机飞轮与传动桥之间安装了传动阻尼器(图4)。

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图4 传动阻尼器

(4)传动桥油泵

机械油泵采用余摆线型油泵,内置于混合动力传动桥内。由发动机驱动,压力润滑各部齿轮。另外传动桥还通过减速齿轮旋转,飞溅润滑齿轮,减小机械油泵运转负载。




2.雅阁混合动力车电控变速器

2016款雅阁混合动力车的电控变速器结构与凯美瑞车有明显不同。该电控变速器(E-CVT)内部集成了发电机、驱动电机、扭转减振器、超越离合器、超越离合器齿轮、4根平行轴及齿轮等部件(图5)。



(1)飞轮与扭转减振器




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图5 E-CVT内部结构示意图

与凯美瑞混合动力车类似,2016款雅阁混合动力车在发动机飞轮与电控变速器的输入轴之间安转了扭转减振器。飞轮通过1个定位销以及8个螺钉与曲轴凸缘连接,扭转减振器通过6个螺钉固定在飞轮后端面上,电控变速器的输入轴通过外花键插入扭转减振器的内花键孔中,将发动机的动力输入到电控变速器内(图6)。

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图6 飞轮及扭转减振器



(2)平行轴及齿轮




电控变速器内集成了4根平行轴及齿轮:输入轴及齿轮、发电机轴及齿轮、驱动电机轴及齿轮、副轴及齿轮(图7)。输入轴的外花键与扭转减振器的内花键连接,将发动机的动力输入到E-CVT内部。输入轴也与超越离合器连接。驱动电机轴与驱动电机的转子连接,驱动电机轴齿轮与副轴常啮合齿轮啮合,然后通过主减速器、差速器、半轴将动力传给两个前轮(驱动轮),驱动车辆行驶。驻车齿轮通过花键与驱动电机轴连接,并随驱动电机轴同步转动。发电机轴与发电机的转子连接,发电机轴齿轮与输入轴的常啮合齿轮啮合。发动机转动时,通过常啮合齿轮传动带动发电机运转。

副轴上集成了副轴常啮合齿轮及主减速器驱动齿轮,副轴常啮合齿轮与驱动电机齿轮及超越离合器齿轮啮合。主减速器驱动齿轮将来自驱动电机或发动机的动力传递至主减速器从动齿轮,然后经过差速器、半轴传递至前轮(驱动轮)。

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图7 平行轴及齿轮



(3)超越离合器及超越驱动齿轮




与凯美瑞、君威车混合动力系统不同,2016款雅阁混合动力轿车的电控变速器内采用了超越离合器(PCM控制),超越离合器为液压驱动的湿式多片式离合器,位于输入轴的末端。通过超越离合器改变动力传递路径,从而实现在驱动发电机或驱动车轮之间切换发动机的动力。

当超越离合器不工作(分离),若发动机运行时,发动机动力将通过扭转减振器→输入轴→输入轴齿轮→发电机轴齿轮→发电机轴→发电机,实现发动机驱动发电机发电。当超越离合器工作(接合),发动机运行时,发动机动力将通过扭转减振器→输入轴→超越离合器→超越齿轮→副轴齿轮→副轴→主减速器驱动齿轮→主减速器从动齿轮→差速器→半轴→前轮,实现将发动机动力传递给前轮(驱动轮)。另外,当超越离合器工作(接合)且发动机运行时,发动机还将同时驱动发电机转动(空转)。



(4)发电机及驱动电机




发电机、驱动电机均采用了重量轻、体积小、高效率高的三相永磁同步电机。驱动电机、发电机以及电机转速位置传感器的作用与凯美瑞混合动力车类似,在此不再赘述。



3.君威30H电控变速器

2017款别克君威30H混合动力汽车安装了型号为5ET50的电控智能无级变速器(EVT),变速器内部集成了2个驱动电机、2组行星齿轮机构、3组离合器、扭转减振器及电源转换器模块PIM、油泵等部件(图8)。

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图8 变速器结构图



(1)扭转减振器及减振器旁通离合器




扭转减振器总成内含1个减振器旁通离合器,它安装在变速器的前端,通过1个离合器接盘直接安装在发动机飞轮上。它的主要功能是在发动机和变速器之间传递动力。当发动机向变速器传递动力时,离合器分离,扭转减振器工作,使动力传递更加平顺;在启动工况时,将由变速器内的电机驱动发动机,此时离合器结合,将扭转减振器旁通,快速启动发动机(图9)。



(2)输入行星齿轮组、输出行星齿轮组




输入行星齿轮组安装在变速器前端,其主要部件有输入太阳轮、输入内齿圈及输入行星架。其中,输入太阳轮通过其驱动轴的花键直接连接在驱动电机/发电机A的转子上。输入内齿圈外部连接在扭转减振器总成上,输入行星齿轮架通过链条连接至主减速器从动齿轮,再经差速器、半轴将动力传至前轮,驻车锁止结构的棘轮也集成在输入行星架上(图10)。

输出行星齿轮组安装在变速器的后端,其主要部件有输出太阳轮、输出内齿圈和输出行星架。输出太阳轮直接连接在驱动电机/发电机B的转子上,输出内齿圈通过低速离合器可以被固定在壳体上,输出行星架与输入行星架通过花键连接为一个整体并输出 。

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图9 扭转减振器及旁通离合器

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图10 输入行星齿轮组



(3)高速离合器、低速离合器




高速离合器安装在驱动电机/发电机A的转子上,它的形式为液压驱动多片式离合器(图11)。离合器结合后,可以将驱动电机/发电机A与输出内齿圈连接在一起。

低速离合器(也可称为制动器)安装在变速器中部,也为液压驱动多片式离合器。低速离合器接合后,可以将输出内齿圈与变速器的壳体连接而被固定。



(4)驱动电机/发电机A、驱动电机/发电机B及电机转速位置传感器




驱动电机/发电机A安装在变速器的后部,也是三相交流同步电机。该电机主要作为发电机使用,高速模式下也可以参与驱动,另外,在车辆静止或行驶时,可以作为启动机,倒拖启动发动机。驱动电机/发电机B安装在变速器的前部,为三相交流同步电机,与驱动电机/发电机A的结构相同。该电机的主要作用是驱动车辆,在车辆滑行或制动时,作为发电机使用,回收制动能量(图12)。与凯美瑞、雅阁混合动力车类似,君威30H混合动力车的每个电机内部也安装1个电机转速位置传感器,其结构、原理基本相同。

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图11 输出行星齿轮组

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图12 电机及PIM模块



(5)电源转换器模块PIM




君威30H混合动力汽车的电源转换模块PIM的安装位置与凯美瑞、雅阁混合动力汽车不同,它集成在变速器的内部,为两个电机的主控模块。PIM模块同样采用独立的水冷方式,使用专用的冷却循环系统,与发动机冷却系统分离。



(6)液压油泵




君威30H混合动力车变速器的液压油泵采用电驱动的方式,为3组离合器提供液压供应及变速器内部的润滑、冷却循环。油泵电机为三相交流电机,由PIM模块直接驱动,电机及油泵总成安装在变速器的下方。




四、混合动力系统及工作模式

轿车混合动力系统主要分为串联、并联及混联三种类型。2018款凯美瑞(THS-Ⅱ系统)、2017款君威30H车的混合动力系统均为混联式,而2016款雅阁车混合动系统(i-MMD系统)在串联式基础上同时具备发动机直接驱动车轮的特殊混合动力模式。上述凯美瑞、君威车的混合动力系统类似,均采用双行星齿轮结构作为发动机与双电机的动力耦合装置,不同之处在于凯美瑞车的双行星齿轮结构的齿圈为复合式(位于复合齿轮上)且对外输出动力,而君威车的双行星齿轮结构的行星架为组合整体式且对外输出动力。雅阁车的混合动力系统结构简单、特殊,通过设置超越离合器来改变动力传递路径,从而实现在驱动发电机或驱动车轮之间切换发动机的动力输出。上述三种车型混合动力系统的主要参数对比列于表4。

表4 三款车混合动力动力系统的主要参数对比

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对比上述三款车型的混合动力系统的主要参数,可以看出凯美瑞与雅阁车的混合动力系统的最大功率相近,但是,凯美瑞车的发动机功率大而驱动电机的功率小,这与上述两款车型的混合动力系统设计理念不同有关。



1.2018款凯美瑞混合动力车工作模式




2018款凯美瑞车混合动力系统传动原理如图13所示。该混合动力轿车有发动机启动、纯电机驱动、混合驱动、减速或制动时能量回收等多种工作模式。2018款凯美瑞混合动力轿车有发动机启动、纯电驱动、混合驱动、减速或制动时能量回收等多种工作模式。

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图13 凯美瑞车混合动力系统传动原理示意图



(1)发动机启动




当车辆静止时,当变速杆位于P挡、点火开关位于“ON”位置、仪表上的“READY”指示灯亮时,若此时高压电池的剩余电量SOC值在目标范围内,发动机处于停止状态,若SOC值低于目标值,电机MG1作为启动机启动发动机,动力传递路线为:电机MG1→动力分配行星齿轮机构的太阳轮→动力分配行星齿轮机构的行星架→发动机。发动机被驱动而启动着火后,发动机驱动电机MG1发电并向高压电池充电,SOC值提高到目标值后,发动机停止工作。



(2)纯电机驱动(EV模式)




当车辆挂前进挡行驶时,发动机停止工作,电机MG2以固定传动比驱动车辆纯电行驶,电机MG2驱动的动力传递路线为:电机MG2→电机减速行星齿轮机构的太阳轮→电机减速行星齿轮结构的齿圈→两级减速装置、差速器、半轴→车轮。同时,由于电机减速行星齿轮机构的齿圈(与动力分配行星行星齿轮机构的齿圈为整体式)被驱动,动力分配行星行星齿轮机构的行星架被固定(发动机停止转动),因此,动力分配行星行星齿轮机构的太阳轮必须转动,即电机MG1同时转动,但此时电机MG1既不是作为驱动电机也不是作为发电机使用而仅仅是空转。

当车辆挂倒挡行驶时,同样是发动机停止工作而电机MG2驱动车辆,与车辆前进挡纯电驱动比较,只需改变电机MG2的旋转方向即可实现倒车功能。车辆纯电行驶时,当高压电池的电量下降到目标值时,电机MG1立即拖动发动机启动着火,发动机驱动电机MG1发电供给电机MG2或给高压电池充电。



(3)混合动力驱动(HV模式)




当车辆处于混合驱动模式时,发动机以及电机MG2产生的动力共同驱动车辆行驶,而电机MG1处于发电状态。电机MG2驱动的动力传递路线为:电机MG2→电机减速行星齿轮机构的齿圈→两级减速装置、差速器、半轴→车轮;发动机驱动的动力传递路线为:发动机→动力分配行星齿轮机构的行星架→动力分配行星齿轮机构的齿圈→两级减速装置、差速器、半轴→车轮;电机MG1的动力传递路线为:发动机→动力分配行星齿轮机构的行星架→动力分配行星齿轮机构的太阳轮→电机MG1(发电)。



(4)减速、制动时能量回收




当车辆减速或制动时,发动机停止工作,电机MG2作为大发电机使用,回收能量。能量回收时的动力传递路线为:车轮→半轴、差速器、两级减速装置→电机减速行星齿轮机构的齿圈→电机MG2(发电)。




2.2016款雅阁混合动力车工作模式

2016款雅阁车混合动力系统传动原理如图14所示。该混合动力轿车在行驶时有纯电机驱动、混合动力驱动、纯发动机驱动等三种驱动模式,以及滑行、制动时能量回馈、空载充电等工作模式。i-MMD系统可以根据行驶条件的不同,自动切换驱动模式。

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图14 雅阁车混合动力系统传动原理示意图



(1)纯电机驱动(EV模式)




2016款雅阁混合动力轿车在高压锂电池电量正常时,起步及初期前进行驶或者倒车行驶时,均采用纯电动机驱动模式,该模式行驶时驱动电机为唯一的动力,发动机停机、发电机停止转动(2106款锐·混合动力雅阁轿车在冷车启动的时候,会启动发动机以便发动机冷却液及三元催化器迅速达到正常的工作温度)。动力传递路线为:驱动电机→驱动电机轴→驱动电机轴常啮合齿轮→副轴常啮合齿轮→主减速器驱动齿轮→主减速器从动齿轮→差速器→半轴→前轮(驱动轮)。



(2)混合动力驱动(HV模式)




2016款雅阁混合动力轿车纯电机驱动时,若高压锂电池组的电池低于阈值就会自动启动发动机。车辆行驶中发动机启动,是由发电机倒拖(发电机作为电动机使用)实现的。

发动机着火后,发动机驱动发电机转动,发电机发电并向驱动电机提供电能。如果来自发电机的供电不足,高压锂电池将提供补充电能。此外,如果发电机发电量充足,发电机将多余电能为高压蓄电池充电,驱动电机得到持续供电并驱动车辆行驶。此时,为典型的串联式(增程式)混合动力布置方式。

发动机驱动发电机的动力传递路线为:发动机→飞轮及扭转减振器→输入轴→输入轴常啮合齿轮→发电机轴常啮合齿轮→发电机轴→发电机。

驱动电机驱动车辆的动力传递路线为:驱动电机→驱动电机轴→驱动电机轴常啮合齿轮→副轴常啮合齿轮→主减速器驱动齿轮→主减速器从动齿轮→差速器→半轴→前轮。



(3)纯发动机驱动




2016款雅阁混合动力轿车在高速公路巡航行驶(低负荷、高速)时,采用纯发动机驱动车辆,驱动电机、发电机均不工作。

纯发动机驱动车辆的动力传递路线为:发动机→飞轮及扭转减振器→输入轴→超越离合器(结合)→超越驱动齿轮→副轴常啮合齿轮→副轴→主减速器驱动齿轮→主减速器从动齿轮→差速器→半轴→前轮(驱动轮)。



(4)滑行、制动时能量回收




车辆行驶中当抬起油门加速踏板车辆滑行或者踩制动踏板车辆制动时,车轮倒拖驱动电机转动,PCU通过驱动电机控制器及逆变器等控制驱动电机发电并向高压锂电池充电,从而实现滑行或制动时回收部分能量,并起到减速制动的效果。

滑行、制动时动力传递路线为:前轮(驱动轮)→半轴→差速器→主减速器从动齿轮→主减速器驱动齿轮→副轴→驱动电机常啮合齿轮→驱动电机轴→驱动电机。



(5)空载充电




高压锂电池剩余电量(SOC)显示在仪表中,若车辆因长时间停驶或其他原因造成SOC值低于2格或更低(共8个格),车辆行驶前必须先执行空载充电。

按照下列步骤,进行空载充电:设置为准备启动,将换挡按钮设置到P挡位置;踩住加速踏板直到节气门全开;踩住加速踏板10s以上时间,启动发动机;发动机着火后,开始为高压锂电池充电。

空载充电的动力传递路线为:发动机→飞轮及扭转减振器→输入轴→输入轴常啮合齿轮→发电机轴常啮合齿轮→发电机轴→发电机。




3.2017款君威30H混合动力车工作模式

2017款君威30H车混合动力系统传动原理如图15所示。该混合动力轿车在车辆行驶时有纯电机驱动、低速驱动、固定传动比驱动、高速驱动等四种驱动模式以及启动、滑行或制动时能量回收等工作模式。各工作模式下,发动机、电机及离合器的状态列于表5。

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图15 君威30H车混合动力系统传动原理

表5 各工作模式下,发动机、电机及离合器的状态

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(1)纯电机驱动




当车辆处于纯电驱动模式时,发动机停止工作,低速离合器结合而高速离合器、扭转减振器旁通离合器均分离,由于低速离合器结合,输出行星齿轮组的齿圈被固定,驱动电机/发电机B驱动车辆纯电行驶。

纯电驱动时动力传递路线为:驱动电机/发电机B→输出行星齿轮组的太阳轮→输出行星齿轮组的行星架→链条传动→主减速器、差速器、半轴→车轮。

当纯电驱动时,由于输出行星齿轮组的行星架转动,输入行星齿轮组的行星架也同步转动,而发动机停止转动(输入行星齿轮组的齿圈也停止转动),因此,输入行星齿轮组的太阳轮(连接驱动电机/发电机A)必须转动,此时,驱动电机/发电机A虽然转动,但是处于不驱动也不发电即空转的状态。

纯电行驶时的前进挡与倒挡的动力传递路线相同,可以通过改变驱动电机/发电机B的转动方向来实现前进挡或倒挡。



(2)低速驱动




车辆纯电行驶,当高压电池的电压减低到设定值时,发动机自动启动,发动机工作带动驱动电机/发电机A发电,驱动电机/发电机B驱动车辆行驶。此时,低速离合器结合而高速离合器、扭转减振器旁通离合器均分离。

车辆驱动的动力传递路线为:驱动电机/发电机B→输出行星齿轮组的太阳轮→输出行星齿轮组的行星架→链条传动→主减速器、差速器、半轴→车轮。

发电的动力传递路线为:发动机→扭转减振器→输入行星齿轮组的内齿圈→输入行星齿轮组的太阳轮→驱动电机/发电机A→发电。



(3)固定传动比驱动




随着车速的提高,车辆进入固定传动比驱动模式。此时,低速离合器、高速离合器均结合,扭转减振器旁通离合器分离。由于低速离合器、高速离合器均结合,因此,输出行星齿轮组的齿圈、输入行星齿轮组的太阳轮均被固定在变速器的壳体上。发动机、驱动电机/发电机B均参与驱动车辆,驱动电机/发电机A停止转动。

发动机驱动车辆的动力传递路线为:发动机→扭转减振器→输入行星齿轮组的内齿圈→输入行星齿轮的行星架→链条传动→主减速器、差速器、半轴→车轮。

驱动电机/发电机B驱动车辆的动力路线为:驱动电机/发电机B→输出行星齿轮组的太阳轮→输出行星齿轮组的行星架→链条传动→主减速器、差速器、半轴→车轮。



(4)高速驱动




当车辆高速行驶或急加速时,进入高速驱动模式。低速离合器分离、高速离合器结合、扭转减振器旁通离合器分离,此时,驱动电机/发电机A、驱动电机/发电机B以及发动机共同驱动车辆。

在输入行星齿轮组中,发动机和驱动电机/发电机A分别向输入行星齿轮组的齿圈和输入行星齿轮组的太阳轮输入动力,通过输入行星齿轮组的行星架向车轮输出动力。

在输出行星齿轮组中,驱动电机/发电机B和驱动电机/发电机A分别向输出行星组的太阳轮和输出行星组的内齿圈输入动力,通过输出行星齿轮组的行星架向车轮输出动力。



(5)启动工况




车辆停止启动发动机时,扭转减振器旁通离合器结合,高、低速离合器均分离。驱动电机/发电机A起到启动机的作用。启动工况的动力传递路线为:驱动电机/发电机A→输入行星齿轮组的太阳轮→输入行星齿轮组的内齿圈→扭转减振器旁通离合器→发动机。当车辆行驶过程中,若需要启动发动机时,仍然需要由驱动电机/发电机A通过输入行星齿轮组来实现。



(6)滑行、制动时能量回收




当车辆处于滑行或制动时,发动机停止工作,低速离合器结合而高速离合器、扭转减振器旁通离合器均分离,由于低速离合器结合,输出行星齿轮组的齿圈被固定。此时,驱动电机/发电机B被车辆反拖驱动而发电,实现回收能量。回收能量时的动力传递路线为:车轮→半轴、差速器、主减速器→链条传动→输出行星齿轮组的行星架→输出行星齿轮组的太阳轮→驱动电机/发电机B→发电。


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