混合動力汽車IVT構型分析

聞勍鵬+楊樹軍+唐先智+王波

摘 要：IVT可增大傳動比的變化范圍，提高傳動系統的效率。本文提出6種基于IVT的雙電機混合動力構型，建立了6種傳動系統的數學模型。分析了每種構型在低速和高速模式下速比特性和功率循環特性。探明了每種構型的傳動特點。選擇出一種最適合混合動力傳動系統的構型。為IVT在混合動力汽車上的應用奠定基礎。

關鍵詞：IVT 混合動力汽車 功率流 行星輪系

中圖分類號：TV381 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2017）11（a）-0098-06

Abstract：Infinitely Variable Transmission（IVT） can increase the range of transmission ratios and raise the efficiency of powertrain. Six dual-motor hybrid power configurations based on IVT were presented. Six mathematical models of powertrain system are established. Ratio characteristics and circling power flow characteristics of each configuration under low speed mode and high speed mode are analyzed. Transmission characteristics of each configuration are proven. One of the most suitable configurations of hybrid powertrain system is selected. Lay a foundation for the application of IVT in hybrid electric vehicle.

Key Words：IVT；Hybrid electric vehicle；Power flow；Planetary gear

IVT（Infinitely Variable Transmission），即“無限變速式機械無級變速器”，通常是針對無級變速傳動（Continuously Variable Transmission，簡稱CVT）實行轉矩分流的一種布置形式。傳統意義上的IVT是CVT與其他機構組合起來，實現最終的動力輸出。IVT不僅繼承了CVT可以無級變速的特點，同時還擴大了傳動比范圍。與CVT類似，IVT可以始終令發動機在最佳工作點處工作。而且IVT不需要液力變矩器，所以IVT的效率比傳統CVT的效率更高[1]。隨著國家對新能源汽車扶植力度的不斷加大，混合動力汽車的產量逐年增高。目前IVT主要應用在傳統汽車上，還沒有在混合動力汽車上進行廣泛推廣。

華中科技大學的金國棟和鄧潤林[2]對全環面IVT的牽引傳動進行了運動學和動力學分析。北京理工大學的陳東升和劉化雪[3]對串聯IVT傳動機構的傳動特性進行了分析。武漢理工大學的陸磊、王澤銘等[4]對摩擦半球式IVT的傳動特性進行了分析。總體來說國內的眾多論文將研究的重點大多放在了IVT變速機構環面variator的動力學建模和分析上，鮮有對功率循環和效率的計算。

本文提出了6種裝有IVT的混合動力汽車構型，這6種構型都是將CVT與行星輪系結合起來，根據齒輪分矩，行星輪系匯速的原理實現無限變速。通過對比6種構型的功率循環和效率的合理性，選出了一種效率最優的構型。

1 雙電機混合動力構型

IVT是一種無限變速傳動機構，由一個無級變速器和行星輪系組成，它可以在不改變動力輸入方向的前提下，不需要倒擋機構即可實現倒擋。與傳統變速器相比，分流齒輪G和行星排分別對IVT的功率產生分流和匯流的作用[5]。功率分流是把CVT、行星齒輪PG和定速比齒輪結構FR結合起來，可提高系統的性能，增大傳動比變化范圍，提高傳動效率。在輸入軸持續轉動的情況下，通過調整CVT傳動比可以實現輸出軸不動，即IVT的速比為零，從而保證減速比在無限范圍內連續變化。由于IVT速比是連續變化的，所以IVT減速比可以達到正無窮（前進時）和負無窮（倒車時），進一步擴大了傳動比范圍[6]。CVT和定軸齒輪FR分別與行星輪系的太陽輪、行星架和齒圈三者中的兩者相連即可構成一種IVT構型[7]。根據IVT構型的不同，本文提出了6種混合動力汽車傳動系統的布置方案。混合動力汽車的6種構型如圖1～圖6所示。圖中，PG為行星輪系；FR1為定軸齒輪1；FR2為定軸齒輪2；G為分流齒輪；L為低速離合器；H為高速離合器。

2 IVT轉矩控制原理

傳統變速器采用速比控制，即根據發動機轉速和車輪轉矩選擇特定的比值。而IVT采用轉矩控制，即根據車輪轉速和車輛需求扭矩來改變變速器的傳動比[8]。對于行星輪系而言，太陽輪、行星架和齒圈的轉速關系始終滿足：

式中，為太陽輪的絕對角速度；為行星架的絕對角速度；為齒圈的絕對速度；為齒圈與太陽輪的齒數比。根據方程（1），如果輸入轉速恒定，IVT不需要其他動力源，就可以實現由正向到反向的連續運轉。IVT的轉矩控制使低速模式下的汽車在動力不中斷的情況下實現變速器空擋狀態，并且能輸出正向和反向的傳動比，產生更大的輸出扭矩[9]。高速模式下，IVT切換成傳統變速器的工作模式，能實現超速傳動。

3 構型分析

當汽車從靜止開始啟動和由高速減速到低速之后，IVT處于低速模式。離合器H處于分離狀態，離合器L處于接合狀態。以構型1為例，分流齒輪G將輸入動力分為兩個支路，一部分動力經過CVT傳遞給太陽輪S，另一部分經過定速比齒輪FR2傳遞給行星架PC，這兩部分動力在行星輪系上進行合成，從齒圈C輸出。

在低速模式中，IVT內部有功率循環，所以在空擋時，發動機必須輸出一部分功率來克服系統損耗[10]。當IVT處于輸出正向轉速和反向轉速兩種狀態時，循環功率的大小和方向也有所不同。

低速模式下，構型1IVT輸入功率與循環功率的比值如圖9所示。從圖中可以看出，輸入功率與循環功率的比值在空擋時最小，約為0.3。隨著車速的提高，輸入功率與循環功率的比值迅速增大。在IVT速比為0.32的時候，IVT輸入功率與循環功率比值為正無窮，隨后下降至0.8。也就是說在IVT速比為0.32時，幾乎沒有功率循環。

用同樣的方法可以計算出構型2的輸入功率與循環功率的比值和效率，如圖11、圖12所示。

低速模式下，構型2IVT輸入功率與循環功率的比值如圖11所示。從圖中可以看出，輸入功率與循環功率的比值也在空擋時最小，約為0.37。IVT速比為-0.4時，構型2輸入功率與循環功率的比值為無窮大，此時IVT幾乎沒有功率循環。

帶有行星輪系的變速器通常以行星架或者齒圈作為輸出構件。構型3和構型6的輸出軸與太陽輪相連，這會導致IVT單方向變速范圍過大，變速過于靈敏。如果采用小傳動比范圍的CVT克服變速范圍過大的缺點，會導致CVT磨損嚴重，增加了IVT的使用成本。而構型4、構型5和構型6在高速模式下，IVT輸出軸與定軸齒輪FR相連，導致了高速模式下IVT速比固定。只有增大低速模式的最大速比，才能使得IVT平穩的進行模式切換。但是這會導致IVT內部長時間存在功率循環，效率始終處于較低的區間。所以這3種構型也不能成立。通過對比IVT6個構型的結構可以看出，構型1和構型2在結構上要優于余下構型。從構型1和構型2的圖像中可以看出，在空擋時，構型2輸入功率與循環功率的比值更大。這兩種構型都存在效率最高的點，構型1效率的最高點出現在速比為0.32處，而構型2效率最高的點出現在速比為-0.4處。顯然，車輛在低速起步或者爬坡的時候，需要更高的效率。并且在切換模式的時候，構型1的CVT速比是連續變化的，而構型2的CVT速比需要在極短的時間內從最大值變成最小值，所以構型1模式切換時的控制更加簡單（見圖13～圖17）。

當車輛向前行駛，駕駛員踩下加速踏板，車速不斷提高，當車速到達低速區的最高速時，行星架、齒圈和太陽輪轉速相同。此時離合器L斷開，離合器H結合，太陽輪和行星架鎖止共速。這樣換擋的好處就在于太陽輪和齒圈共速，換擋沖擊小。切換到高速模式后，動力從輸入軸輸入，經過定速比齒輪FR1、分流齒輪G、無級變速器CVT、太陽輪和齒圈輸出給車輪。由于L離合器斷開，所以高速模式下沒有功率循環。

4 結語

本文對提出的6種構型進行了分析和計算。構型1在結構、效率的合理性和控制的難易程度3個方面都要優于其他5個構型，更適用于混合動力汽車。IVT可以在不中斷動力的情況下實現正向行駛到停車再到反向行駛，增大了傳動比范圍。但是在傳動過程中出現功率循環，降低了IVT傳動效率。隨著混合動力汽車的發展，IVT憑借著結構和傳動比范圍上的優勢，必將會在混合動力汽車上得到廣泛的應用。

參考文獻

[1] 胡朝峰，過學迅，汪斌.汽車變速器技術的發展與展望[J].汽車工程學報，2005（5）：15-18.

[2] 鄧潤林，金國棟.全環面牽引傳動IVT的運動學和動力學分析[J].汽車科技，2005（2）：16-20.

[3] 陳東升，劉化雪.串聯IVT傳動機構的傳動特性分析[J].傳動技術，2004，18（3）：22-24.

[4] 陸磊，王澤銘，李旺，等.基于轉矩分流的摩擦半球式IVT傳動系統的設計與傳動特性分析[J].機械傳動，2012， 36（4）：19-21.

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[8] 鄧潤林，金國棟.IVT轉矩控制原理及Variator的建模[J].機械設計與制造，2005（1）：91-93.

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[10] Francesco Bottiglione，Stefano De Pinto，Giacomo Mantriota，et al.Energy Consumption of a Battery Electric Vehicle with Infinitely Variable Transmission[J].Energies，2014，7（12）：8317-8337.