凱美瑞、雅閣及君威混合動力系統的技術分析(下)

◆文/山東 劉華

(接上期)

3.君威30H電控變速器

2017款別克君威30H混合動力汽車安裝了型號為5ET50的電控智能無級變速器(EVT)，變速器內部集成了2個驅動電機、2組行星齒輪機構、3組離合器、扭轉減振器及電源轉換器模塊PIM、油泵等部件(圖8)。

圖8 變速器結構圖

(1)扭轉減振器及減振器旁通離合器

扭轉減振器總成內含1個減振器旁通離合器，它安裝在變速器的前端，通過1個離合器接盤直接安裝在發動機飛輪上。它的主要功能是在發動機和變速器之間傳遞動力。當發動機向變速器傳遞動力時，離合器分離，扭轉減振器工作，使動力傳遞更加平順；在啟動工況時，將由變速器內的電機驅動發動機，此時離合器結合，將扭轉減振器旁通，快速啟動發動機(圖9)。

(2)輸入行星齒輪組、輸出行星齒輪組

輸入行星齒輪組安裝在變速器前端，其主要部件有輸入太陽輪、輸入內齒圈及輸入行星架。其中，輸入太陽輪通過其驅動軸的花鍵直接連接在驅動電機/發電機A的轉子上。輸入內齒圈外部連接在扭轉減振器總成上，輸入行星齒輪架通過鏈條連接至主減速器從動齒輪，再經差速器、半軸將動力傳至前輪，駐車鎖止結構的棘輪也集成在輸入行星架上(圖10)。

輸出行星齒輪組安裝在變速器的后端，其主要部件有輸出太陽輪、輸出內齒圈和輸出行星架。輸出太陽輪直接連接在驅動電機/發電機B的轉子上，輸出內齒圈通過低速離合器可以被固定在殼體上，輸出行星架與輸入行星架通過花鍵連接為一個整體并輸出 。

圖9 扭轉減振器及旁通離合器

圖10 輸入行星齒輪組

(3)高速離合器、低速離合器

高速離合器安裝在驅動電機/發電機A的轉子上，它的形式為液壓驅動多片式離合器(圖11)。離合器結合后，可以將驅動電機/發電機A與輸出內齒圈連接在一起。

低速離合器(也可稱為制動器)安裝在變速器中部，也為液壓驅動多片式離合器。低速離合器接合后，可以將輸出內齒圈與變速器的殼體連接而被固定。

(4)驅動電機/發電機A、驅動電機/發電機B及電機轉速位置傳感器

驅動電機/發電機A安裝在變速器的后部，也是三相交流同步電機。該電機主要作為發電機使用，高速模式下也可以參與驅動，另外，在車輛靜止或行駛時，可以作為啟動機，倒拖啟動發動機。驅動電機/發電機B安裝在變速器的前部，為三相交流同步電機，與驅動電機/發電機A的結構相同。該電機的主要作用是驅動車輛，在車輛滑行或制動時，作為發電機使用，回收制動能量(圖12)。與凱美瑞、雅閣混合動力車類似，君威30H混合動力車的每個電機內部也安裝1個電機轉速位置傳感器，其結構、原理基本相同。

圖11 輸出行星齒輪組

圖12 電機及PIM模塊

(5)電源轉換器模塊PIM

君威30H混合動力汽車的電源轉換模塊PIM的安裝位置與凱美瑞、雅閣混合動力汽車不同，它集成在變速器的內部，為兩個電機的主控模塊。PIM模塊同樣采用獨立的水冷方式，使用專用的冷卻循環系統，與發動機冷卻系統分離。

(6)液壓油泵

君威30H混合動力車變速器的液壓油泵采用電驅動的方式，為3組離合器提供液壓供應及變速器內部的潤滑、冷卻循環。油泵電機為三相交流電機，由PIM模塊直接驅動，電機及油泵總成安裝在變速器的下方。

四、混合動力系統及工作模式

轎車混合動力系統主要分為串聯、并聯及混聯三種類型。2018款凱美瑞(THS-Ⅱ系統)、2017款君威30H車的混合動力系統均為混聯式，而2016款雅閣車混合動系統(i-MMD系統)在串聯式基礎上同時具備發動機直接驅動車輪的特殊混合動力模式。上述凱美瑞、君威車的混合動力系統類似，均采用雙行星齒輪結構作為發動機與雙電機的動力耦合裝置，不同之處在于凱美瑞車的雙行星齒輪結構的齒圈為復合式(位于復合齒輪上)且對外輸出動力，而君威車的雙行星齒輪結構的行星架為組合整體式且對外輸出動力。雅閣車的混合動力系統結構簡單、特殊，通過設置超越離合器來改變動力傳遞路徑，從而實現在驅動發電機或驅動車輪之間切換發動機的動力輸出。上述三種車型混合動力系統的主要參數對比列于表4。

表4 三款車混合動力動力系統的主要參數對比

對比上述三款車型的混合動力系統的主要參數，可以看出凱美瑞與雅閣車的混合動力系統的最大功率相近，但是，凱美瑞車的發動機功率大而驅動電機的功率小，這與上述兩款車型的混合動力系統設計理念不同有關。

1.2018款凱美瑞混合動力車工作模式

2018款凱美瑞車混合動力系統傳動原理如圖13所示。該混合動力轎車有發動機啟動、純電機驅動、混合驅動、減速或制動時能量回收等多種工作模式。2018款凱美瑞混合動力轎車有發動機啟動、純電驅動、混合驅動、減速或制動時能量回收等多種工作模式。

圖13 凱美瑞車混合動力系統傳動原理示意圖

(1)發動機啟動

當車輛靜止時，當變速桿位于P擋、點火開關位于“ON”位置、儀表上的“READY”指示燈亮時，若此時高壓電池的剩余電量SOC值在目標范圍內，發動機處于停止狀態，若SOC值低于目標值，電機MG1作為啟動機啟動發動機，動力傳遞路線為：電機MG1→動力分配行星齒輪機構的太陽輪→動力分配行星齒輪機構的行星架→發動機。發動機被驅動而啟動著火后，發動機驅動電機MG1發電并向高壓電池充電，SOC值提高到目標值后，發動機停止工作。

(2)純電機驅動(EV模式)

當車輛掛前進擋行駛時，發動機停止工作，電機MG2以固定傳動比驅動車輛純電行駛，電機MG2驅動的動力傳遞路線為：電機MG2→電機減速行星齒輪機構的太陽輪→電機減速行星齒輪結構的齒圈→兩級減速裝置、差速器、半軸→車輪。同時，由于電機減速行星齒輪機構的齒圈(與動力分配行星行星齒輪機構的齒圈為整體式)被驅動，動力分配行星行星齒輪機構的行星架被固定(發動機停止轉動)，因此，動力分配行星行星齒輪機構的太陽輪必須轉動，即電機MG1同時轉動，但此時電機MG1既不是作為驅動電機也不是作為發電機使用而僅僅是空轉。

當車輛掛倒擋行駛時，同樣是發動機停止工作而電機MG2驅動車輛，與車輛前進擋純電驅動比較，只需改變電機MG2的旋轉方向即可實現倒車功能。車輛純電行駛時，當高壓電池的電量下降到目標值時，電機MG1立即拖動發動機啟動著火，發動機驅動電機MG1發電供給電機MG2或給高壓電池充電。

(3)混合動力驅動(HV模式)

當車輛處于混合驅動模式時，發動機以及電機MG2產生的動力共同驅動車輛行駛，而電機MG1處于發電狀態。電機MG2驅動的動力傳遞路線為：電機MG2→電機減速行星齒輪機構的齒圈→兩級減速裝置、差速器、半軸→車輪；發動機驅動的動力傳遞路線為：發動機→動力分配行星齒輪機構的行星架→動力分配行星齒輪機構的齒圈→兩級減速裝置、差速器、半軸→車輪；電機MG1的動力傳遞路線為：發動機→動力分配行星齒輪機構的行星架→動力分配行星齒輪機構的太陽輪→電機MG1(發電)。

(4)減速、制動時能量回收

當車輛減速或制動時，發動機停止工作，電機MG2作為大發電機使用，回收能量。能量回收時的動力傳遞路線為：車輪→半軸、差速器、兩級減速裝置→電機減速行星齒輪機構的齒圈→電機MG2(發電)。

2.2016款雅閣混合動力車工作模式

2016款雅閣車混合動力系統傳動原理如圖14所示。該混合動力轎車在行駛時有純電機驅動、混合動力驅動、純發動機驅動等三種驅動模式，以及滑行、制動時能量回饋、空載充電等工作模式。i-MMD系統可以根據行駛條件的不同，自動切換驅動模式。

圖14 雅閣車混合動力系統傳動原理示意圖

(1)純電機驅動(EV模式)

2016款雅閣混合動力轎車在高壓鋰電池電量正常時，起步及初期前進行駛或者倒車行駛時，均采用純電動機驅動模式，該模式行駛時驅動電機為唯一的動力，發動機停機、發電機停止轉動(2106款銳·混合動力雅閣轎車在冷車啟動的時候，會啟動發動機以便發動機冷卻液及三元催化器迅速達到正常的工作溫度)。動力傳遞路線為：驅動電機→驅動電機軸→驅動電機軸常嚙合齒輪→副軸常嚙合齒輪→主減速器驅動齒輪→主減速器從動齒輪→差速器→半軸→前輪(驅動輪)。

(2)混合動力驅動(HV模式)

2016款雅閣混合動力轎車純電機驅動時，若高壓鋰電池組的電池低于閾值就會自動啟動發動機。車輛行駛中發動機啟動，是由發電機倒拖(發電機作為電動機使用)實現的。

發動機著火后，發動機驅動發電機轉動，發電機發電并向驅動電機提供電能。如果來自發電機的供電不足，高壓鋰電池將提供補充電能。此外，如果發電機發電量充足，發電機將多余電能為高壓蓄電池充電，驅動電機得到持續供電并驅動車輛行駛。此時，為典型的串聯式(增程式)混合動力布置方式。

發動機驅動發電機的動力傳遞路線為：發動機→飛輪及扭轉減振器→輸入軸→輸入軸常嚙合齒輪→發電機軸常嚙合齒輪→發電機軸→發電機。

驅動電機驅動車輛的動力傳遞路線為：驅動電機→驅動電機軸→驅動電機軸常嚙合齒輪→副軸常嚙合齒輪→主減速器驅動齒輪→主減速器從動齒輪→差速器→半軸→前輪。

(3)純發動機驅動

2016款雅閣混合動力轎車在高速公路巡航行駛(低負荷、高速)時，采用純發動機驅動車輛，驅動電機、發電機均不工作。

純發動機驅動車輛的動力傳遞路線為：發動機→飛輪及扭轉減振器→輸入軸→超越離合器(結合)→超越驅動齒輪→副軸常嚙合齒輪→副軸→主減速器驅動齒輪→主減速器從動齒輪→差速器→半軸→前輪(驅動輪)。

(4)滑行、制動時能量回收

車輛行駛中當抬起油門加速踏板車輛滑行或者踩制動踏板車輛制動時，車輪倒拖驅動電機轉動，PCU通過驅動電機控制器及逆變器等控制驅動電機發電并向高壓鋰電池充電，從而實現滑行或制動時回收部分能量，并起到減速制動的效果。

滑行、制動時動力傳遞路線為：前輪(驅動輪)→半軸→差速器→主減速器從動齒輪→主減速器驅動齒輪→副軸→驅動電機常嚙合齒輪→驅動電機軸→驅動電機。

(5)空載充電

高壓鋰電池剩余電量(SOC)顯示在儀表中，若車輛因長時間停駛或其他原因造成SOC值低于2格或更低(共8個格)，車輛行駛前必須先執行空載充電。

按照下列步驟，進行空載充電：設置為準備啟動，將換擋按鈕設置到P擋位置；踩住加速踏板直到節氣門全開；踩住加速踏板10s以上時間，啟動發動機；發動機著火后，開始為高壓鋰電池充電。

空載充電的動力傳遞路線為：發動機→飛輪及扭轉減振器→輸入軸→輸入軸常嚙合齒輪→發電機軸常嚙合齒輪→發電機軸→發電機。

3.2017款君威30H混合動力車工作模式

2017款君威30H車混合動力系統傳動原理如圖15所示。該混合動力轎車在車輛行駛時有純電機驅動、低速驅動、固定傳動比驅動、高速驅動等四種驅動模式以及啟動、滑行或制動時能量回收等工作模式。各工作模式下，發動機、電機及離合器的狀態列于表5。

圖15 君威30H車混合動力系統傳動原理

表5 各工作模式下，發動機、電機及離合器的狀態

(1)純電機驅動

當車輛處于純電驅動模式時，發動機停止工作，低速離合器結合而高速離合器、扭轉減振器旁通離合器均分離，由于低速離合器結合，輸出行星齒輪組的齒圈被固定，驅動電機/發電機B驅動車輛純電行駛。

純電驅動時動力傳遞路線為：驅動電機/發電機B→輸出行星齒輪組的太陽輪→輸出行星齒輪組的行星架→鏈條傳動→主減速器、差速器、半軸→車輪。

當純電驅動時，由于輸出行星齒輪組的行星架轉動，輸入行星齒輪組的行星架也同步轉動，而發動機停止轉動(輸入行星齒輪組的齒圈也停止轉動)，因此，輸入行星齒輪組的太陽輪(連接驅動電機/發電機A)必須轉動，此時，驅動電機/發電機A雖然轉動，但是處于不驅動也不發電即空轉的狀態。

純電行駛時的前進擋與倒擋的動力傳遞路線相同，可以通過改變驅動電機/發電機B的轉動方向來實現前進擋或倒擋。

(2)低速驅動

車輛純電行駛，當高壓電池的電壓減低到設定值時，發動機自動啟動，發動機工作帶動驅動電機/發電機A發電，驅動電機/發電機B驅動車輛行駛。此時，低速離合器結合而高速離合器、扭轉減振器旁通離合器均分離。

車輛驅動的動力傳遞路線為：驅動電機/發電機B→輸出行星齒輪組的太陽輪→輸出行星齒輪組的行星架→鏈條傳動→主減速器、差速器、半軸→車輪。

發電的動力傳遞路線為：發動機→扭轉減振器→輸入行星齒輪組的內齒圈→輸入行星齒輪組的太陽輪→驅動電機/發電機A→發電。

(3)固定傳動比驅動

隨著車速的提高，車輛進入固定傳動比驅動模式。此時，低速離合器、高速離合器均結合，扭轉減振器旁通離合器分離。由于低速離合器、高速離合器均結合，因此，輸出行星齒輪組的齒圈、輸入行星齒輪組的太陽輪均被固定在變速器的殼體上。發動機、驅動電機/發電機B均參與驅動車輛，驅動電機/發電機A停止轉動。

發動機驅動車輛的動力傳遞路線為：發動機→扭轉減振器→輸入行星齒輪組的內齒圈→輸入行星齒輪的行星架→鏈條傳動→主減速器、差速器、半軸→車輪。

驅動電機/發電機B驅動車輛的動力路線為：驅動電機/發電機B→輸出行星齒輪組的太陽輪→輸出行星齒輪組的行星架→鏈條傳動→主減速器、差速器、半軸→車輪。

(4)高速驅動

當車輛高速行駛或急加速時，進入高速驅動模式。低速離合器分離、高速離合器結合、扭轉減振器旁通離合器分離，此時，驅動電機/發電機A、驅動電機/發電機B以及發動機共同驅動車輛。

在輸入行星齒輪組中，發動機和驅動電機/發電機A分別向輸入行星齒輪組的齒圈和輸入行星齒輪組的太陽輪輸入動力，通過輸入行星齒輪組的行星架向車輪輸出動力。

在輸出行星齒輪組中，驅動電機/發電機B和驅動電機/發電機A分別向輸出行星組的太陽輪和輸出行星組的內齒圈輸入動力，通過輸出行星齒輪組的行星架向車輪輸出動力。

(5)啟動工況

車輛停止啟動發動機時，扭轉減振器旁通離合器結合，高、低速離合器均分離。驅動電機/發電機A起到啟動機的作用。啟動工況的動力傳遞路線為：驅動電機/發電機A→輸入行星齒輪組的太陽輪→輸入行星齒輪組的內齒圈→扭轉減振器旁通離合器→發動機。當車輛行駛過程中，若需要啟動發動機時，仍然需要由驅動電機/發電機A通過輸入行星齒輪組來實現。

(6)滑行、制動時能量回收

當車輛處于滑行或制動時，發動機停止工作，低速離合器結合而高速離合器、扭轉減振器旁通離合器均分離，由于低速離合器結合，輸出行星齒輪組的齒圈被固定。此時，驅動電機/發電機B被車輛反拖驅動而發電，實現回收能量。回收能量時的動力傳遞路線為：車輪→半軸、差速器、主減速器→鏈條傳動→輸出行星齒輪組的行星架→輸出行星齒輪組的太陽輪→驅動電機/發電機B→發電。