混合动力系统详解:别克君越30H混动版车

文章来源:旺材动力总成 点击数:109 发布时间:2019-07-31
本文对别克君越30H混动版车型混合动力系统的组成、工作原理及工作模式进行详细分析。详见下文。
混合动力系统详解:别克君越30H混动版车

别克君越30H混动版车型在国内正式上市销售,该款车搭载了1.8 L SIDI缸内直喷汽油发动机和一套由双电机组成的混联式混合动力系统(该系统后续分别应用在别克君威30H、雪佛兰迈锐宝XL车型上),该混合动力系统的最大输出功率为136 kW,0 km/h~100 km/h加速时间为8.9 s,综合工况油耗为4.7 L/100 km。该车整车质保期为3年或10万km,高压锂电池组质保期为8年或16万km。本文对该车混合动力系统的组成、工作原理及工作模式进行详细分析。

1 混合动力系统的组成及工作原理

如图1所示,别克君越30H车混合动力系统主要由1.8 L SIDI缸内直喷汽油发动机(型号为LNK)、电控智能无级变速器(EVT)、高压锂电池组总成等组成。

微信图片_20190731163703.jpg

图1 别克君越30H车混合动力系统的组成

1.1 LNK发动机

LNK发动机采用阿特金森循环,排量为1.8 L,气缸直径和冲程分别为80.5 mm、88.2 mm,缸体材料为铸铁,缸盖材料为铸铝,压缩比为11.5∶1,配气机构为双顶置凸轮轴,每个气缸有4个气门,点火系统为单缸独立点火,燃油供给方式为缸内直喷,最大输出功率为94 kW,最大转矩为175 N·m。

L NK发动机采用了缸内直喷、双可变气门正时(VVT)、双级可变排量机油泵、水冷式废气再循环(EGR)系统及排气热交换器等技术,其目的是为了进一步提高发动机的燃油经济性。

1.1.1 双级可变排量机油泵

如图2所示,双级可变排量机油泵为叶片式,安装在曲轴的前端,曲轴直接驱动机油泵的转子,并带动叶片完成吸油、压油过程,通过调整定子(调节环)与转子之间的偏心距来改变机油泵的排量。发动机控制模块(ECM)通过对机油压力控制电磁阀的控制来实现机油泵排量的变化,从而在不需要高压润滑油时,通过降低机油泵的排量来降低发动机运行阻力,从而实现节油的目的。机油压力控制电磁阀是一个开关式的电磁阀,位于机油滤清器座上方的气缸体上,控制去向机油泵反馈油路的通断。当机油压力控制电磁阀不通电时,电磁阀处于断开状态,定子在弹簧力的作用下保持在偏心率最大的位置,此时机油泵的排量最大。

微信图片_20190731163706.jpg

图2 双级可变排量机油泵的结构

1.1.2 水冷式EGR系统

水冷式EGR系统主要由EGR阀、EGR阀开度传感器、2个排气温度传感器、冷却交换器及相关连接管路等组成。

ECM通过直流电机对EGR阀进行线性控制,实现对废气再循环的工作时刻和废气再循环量进行精确控制;EGR阀开度传感器实时监测EGR阀的开度并反馈给ECM;2个排气温度传感器实时检测冷却前、后的排气温度,用于反馈EGR系统的冷却效果。

当中、小负荷时,通过双VVT系统实现内部EGR功能,降低NOx排放;当大负荷时,外部水冷式EGR系统开始工作,通过废气再循环,降低燃烧室的温度,降低NOx排放。

1.1.3 排气热交换器

排气热交换器利用排气温度对冷却液进行加热,以保证车辆在高寒地区能够迅速暖机,同时快速向车内供热。混合动力车型以纯电动模式行驶时,发动机处于停机状态,因此排气热交换器可有效改善车辆行驶中车内的暖风效果。

如图3所示,排气热交换器由热交换器控制电磁阀控制其工作模式。在加热模式下,热交换器控制电磁阀将通往热交换器的阀门打开,通往排气管的旁通阀门关闭,排气经过热交换器后加热冷却液;在非加热模式下,通往热交换器的阀门关闭,通往排气管的阀门打开,冷却液不被加热。ECM根据环境温度、冷却液温度、发动机转速、变速器挡位、发动机运行时间等信号来控制热交换器控制电磁阀。

微信图片_20190731163710.jpg

图3 排气热交换器的结构

1.2 电控智能无级变速器

如图4所示,电控智能无级变速器的型号为5ET50,它是混合动力系统的核心部件,其内部集成了2个驱动电机/发电机、2组行星齿轮机构、2组离合器、扭转减振器、电源转换器模块(PIM)、电动液压油泵、阀体等部件,其中2个驱动电机/发电机和2组行星齿轮机构同轴布置。该变速器可以实现4种不同的驱动模式。

微信图片_20190731163713.jpg

图4 电控智能无级变速器的结构

1.2.1 扭转减振器

如图5所示,扭转减振器内含1个扭转减振器旁通离合器,它安装在在变速器的前端,通过一个离合器接盘直接安装在发动机飞轮上,其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;在起动工况时,离合器接合,将扭转减振器旁通,变速器内的驱动电机/发电机A驱动发动机,以快速起动发动机。

微信图片_20190731163716.jpg

图5 扭转减振器

1.2.2 行星齿轮机构

2组行星齿轮机构分别为输入行星齿轮机构和输出行星齿轮机构。输入行星齿轮机构安装在变速器前端,其主要部件有输入太阳轮、输入内齿圈和输入行星架(图6)。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上;输入行星架通过链条连接至主减速器输入齿轮且输出动力,并与输出行星架花键连接;驻车锁止结构的棘轮集成在输入行星齿轮架上。输出行星齿轮机构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(图7)。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,输出行星架通过花键与输入行星架连接在一起并输出动力。

微信图片_20190731163722.jpg

图6 输入行星齿轮机构

微信图片_20190731163725.jpg

图7 输出行星齿轮机构

1.2.3 离合器

2组离合器分别为高速离合器和低速离合器(图8),两者均为液压驱动多片式离合器。高速离合器安装在驱动电机/发电机A的转子上,高速离合器接合后,可以将驱动电机/发电机A与输出内齿圈连接在一起;低速离合器安装在变速器中部,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,从而将输出内齿圈固定。

微信图片_20190731163728.jpg

图8 高速离合器和低速离合器

1.2.4 驱动电机/发电机

2个驱动电机/发电机均为三相永磁同步电机,电机采用条形绕组结构(图9),相比圆形绕组,其直流阻抗更低,同时具有更好的散热特性。

微信图片_20190731163743.jpg

图9 驱动电机/发电机B

驱动电机/发电机A安装在变速器的后部,主要作为发电机使用,高速驱动模式下也可以参与驱动,另外,在车辆静止或行驶中,它也可以作为起动机使用,倒拖起动发动机。驱动电机/发电机A最大功率为54 kW,最大转矩为140 N·m。

驱动电机/发电机B安装在变速器的前部,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。驱动电机/发电机B的最大功率为60 kW,最大转矩为275 N·m。驱动电机/发电机B外壳上安装了输出转速传感器,用于检测输出齿轮的转速和旋转方向。

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、转向及位置,为此,每个驱动电机/发电机上均安装了电机转速/位置传感器。电机转速/位置传感器采用了旋转变压器的结构形式,由3个定子线圈(励磁线圈、正弦绕组、余弦绕组)和转子(随电机转子同步旋转)组成。

1.2.5 电源转换器模块

电源转换模块(图10)集成在变速器内部,电源转换器模块内部集成了混合动力控制模块(HPCM)和3个电机控制模块。HPCM的主要作用是控制电机的运行模式,与位于高压锂电池组总成内的混合动力控制模块2(HPCM2)通信,并确定内部高压启用与停用。3个电机控制模块分别用于控制驱动电机/发电机A、驱动电机/发电机B和电动液压油泵。电机控制模块内部有大功率的绝缘栅双极型晶体管(IGBT),负责接收HPCM的指令,并对电机的转动方向、速度、转矩等进行控制,同时,电机控制模块需实时采集电机的电压、电流及温度信息,并传输给HPCM和组合仪表,由组合仪表显示当前车辆的运行参数。

微信图片_20190731163747.jpg

图10 电源转换模块

驱动电机/发电机A、驱动电机/发电机B及电源转换模块均采用单独的冷却液系统散热,冷却液泵为12 V电动冷却液泵。

1.2.6 电动液压油泵

电动液压油泵(图11)安装在变速器的下方,为高速离合器、低速离合器和扭转减振器旁通离合器提供液压,并使液压油在变速器内部循环,起到润滑、冷却的作用。电动液压油泵电机为三相交流电机,由电源转换器模块直接驱动。

微信图片_20190731163750.jpg

图11 电动液压油泵

1.2.7 阀体

管路压力调节电磁阀(线性电磁阀)安装在变速器阀体上;电磁阀体安装在变速器阀体的侧盖上,内置4个压力控制电磁阀,分别为高速离合器控制电磁阀、低速离合器控制电磁阀、扭转减振器旁通离合器控制电磁阀及润滑油路控制电磁阀。

1.3 高压锂电池组总成

如图12所示,高压锂电池组总成主要由高压锂电池组、接口模块、混合动力控制模块2、接触器盒总成、手动分离器开关等组成。高压锂电池组总成位于乘客舱内后排座椅下方,其主要作用为:存储电能;管理高压锂电池组充放电电量与技术状态;控制高压锂电池组对外电能输出的接通与关闭;与车辆其他模块通信。

微信图片_20190731163753.jpg

图12 高压锂电池组总成

1.3.1 高压锂电池组和接口模块

高压锂电池组采用韩国LG公司生产的三元锂离子电池,电芯的标称电压为3.6 V,标称容量为5.2 A·h,每10个电芯组成一个电池单元,8个电池单元依次串联组成高压锂电池组。高压锂电池组的总电压为3.6 V*10*8=288 V,储存的总电能为288 V*5.2 A·h=1 497.6 W·h≈1.5 kW·h。

接口模块位于高压锂电池组的上方,每个电池单元上方设置一个接口模块,共8个。接口模块的作用是采集每个电芯的电压信号及每个电池单元的温度信号,并将这些信号传递给混合动力控制模块2。接口模块与混合动力控制模块2采用串行数据进行通信。

1.3.2 混合动力控制模块2

混合动力控制模块2也可称为电池管理系统(BMS)模块,位于高压锂电池组总成的左上方,其主要作用为:与接口模块通信,获取高压锂电池的温度及电压等信号;采集电流传感器信号,估算高压锂电池的充电状态及剩余电量(SOC);管理高压锂电池的充放电电压,平衡每个电芯的技术状态,从而提高电池的使用寿命;通过接口模块实现高压锂电池的电量平衡控制。

1.3.3 接触器盒总成

接触器盒总成位于高压锂电池组总成的上方,邻近混合动力控制模块2,其内部集成了正极接触器、负极接触器、预充电继电器、预充电电阻、手动分离器开关(内含熔丝)、电流传感器等。混合动力控制模块2通过控制上述接触器和继电器,实现高压锂电池组的高电压输出接通和关闭。

手动分离器开关串联接入8个电池单元的回路中,内含125 A熔丝,并具有高压互锁功能。在维修车辆高压相关系统时,需先拔下手动分离器开关,断开高压锂电池组的内部回路。

1.3.4 14 V电源模块

14 V电源模块也可称为DC/DC控制器,位于高压锂电池组总成的上方,其作用是将高压锂电池组的高压电降压后,给蓄电池充电或向车身电器设备供电,最大供电电流为130 A。

1.3.5 高压锂电池组总成的冷却

高压锂电池组总成采用风冷的方式进行冷却,混合动力控制模块2通过接口模块采集高压锂电池的温度信号,对鼓风机转速进行无级调节。

1.4 组合仪表

如图13所示,组合仪表与传统汽油车不同,取消了发动机转速表,增加了电力指示表、驾驶效率表及车辆准备就绪(READY)指示灯等。

1.4.1 电力指示表

电力指示表位于左侧表盘内的左半部分,电力指示表指示车辆加速或减速时的功率使用情况。左下方绿色区域表示车辆正在进行再生制动,中间区域表示功率由发动机或高压锂电池提供,上方区域表示功率用量较高。

微信图片_20190731163757.jpg

图13 组合仪表(高配车型)

1.4.2 驾驶效率表

驾驶效率表位于右侧表盘内的左半部分,用于指导驾驶人以高效的方式驾驶车辆。当指针保持绿色并中央位置时,表示驾驶效率高;当车辆加速时,如果指针偏到表的上侧时,说明加速过急,无法优化效率;当车辆制动时,如果指针偏到表的下侧时,说明制动过猛,也无法优化效率。

1.4.3 READY指示灯

将点火7关置于ON位,若混合动力系统正常,READY指示灯点亮(绿色)。

2 混合动力系统的工作模式

2016款别克君越30H车混合动力系统的传动原理如图14所示,其工作模式分为起动模式、驱动模式及能量回收模式,其中驱动模式又分为纯电机驱动、低速驱动、固定传动比驱动及高速驱动等4种模式。各工作模式下,发动机、驱动电机/发电机及离合器的状态见表1所列。

微信图片_20190731163801.jpg

图14 2016款别克君越30H车混合动力系统的传动原理

2.1 起动模式

起动发动机时,扭转减振器旁通离合器接合,低速离合器和高速离合器均分离,驱动电机/发电机A起到起动机的作用。

起动模式时的动力传递路线为: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。

2.2 纯电机驱动模式

在纯电机驱动模式下,发动机停止工作,低速离合器接合,高速离合器和扭转减振器旁通离合器均分离。由于低速离合器接合,输出行星齿轮组的齿圈被固定,驱动电机/发电机B驱动车辆行驶。

表1 各工作模式下发动机、驱动电机/发电机及离合器的状态

微信图片_20190731163804.jpg

纯电机驱动模式时的动力传递路线为: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。

在纯电机驱动模式下,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,但是不驱动也不发电,处于空转的状态。

纯电机驱动模式时,倒挡与前进挡的动力传递路线相同,可以通过改变驱动电机/发电机B的转动方向来实现倒挡行驶。

2.3 低速驱动模式

车辆以纯电机驱动模式行驶,当高压锂电池组的电压降低到标定值时,车辆进入低速驱动模式,此时发动机自动起动,发动机带动驱动电机/发电机A发电,驱动电机发电机B驱动车辆行驶。低速驱动模式时,低速离合器接合,高速离合器和扭转减振器旁通离合器均分离。

低速驱动模式时的动力传递路线为: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。发动机带动驱动电机/发电机A发电时的动力传递路线为: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。

2.4 固定传动比驱动模式

随着车速的提高(中速),车辆进入固定传动比驱动模式,此时,低速离合器和高速离合器均接合,扭转减振器旁通离合器分离。由于低速离合器、高速离合器均接合,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,即驱动电机/发电机A停止,而发动机、驱动电机/发电机B均参与驱动车辆。

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。

2.5 高速驱动模式

高速驱动模式时,高速离合器接合,低速离合器和扭转减振器旁通离合器均分离,此时,驱动电机/发电机A、驱动电机/发电机B及发动机共同驱动车轮。

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,再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,再通过输出行星齿轮组的行星架向车轮输出动力。

2.6 能量回收模式

当车辆处于滑行或制动时,发动机停止工作,低速离合器接合,高速离合器和扭转减振器旁通离合器均分离。由于低速离合器接合,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,实现再生制动能量回收。能量回收模式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。