混聯(lián)式混合動(dòng)力耦合系統(tǒng)構(gòu)型分析(三)

◆文/江蘇 高惠民

高惠民 (本刊編委會(huì)委員)

現(xiàn)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(xué)院、常州機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院汽車工程運(yùn)用系專家委員，高級技師。

(接上期)

2.雙　模功率分流模式固定傳動(dòng)比利用

在固定速比下，兩電機(jī)轉(zhuǎn)矩與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩解耦，可作為附加轉(zhuǎn)矩驅(qū)動(dòng)車輪，因此相當(dāng)于并聯(lián)構(gòu)型。并聯(lián)構(gòu)型能夠在某些工況下提高整車動(dòng)力性與效率。

例如在急加速工況下，為了避免發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩快速變化引起的低效，需要加速的附加轉(zhuǎn)矩由電機(jī)來提供，從而保證發(fā)動(dòng)機(jī)工作狀態(tài)緩慢變化。

根據(jù)表5中離合器動(dòng)作和其杠桿模型，如圖18所示，固定傳動(dòng)比模式運(yùn)行分析如下。

圖18　凱迪拉克CT6功率分流模式杠桿模型

(1)一擋固定傳動(dòng)比(FG1)通過鎖住電機(jī)MG1使其轉(zhuǎn)速為0，此時(shí)為第一個(gè)機(jī)械點(diǎn)，(即發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率全部通過機(jī)械路徑輸出)可實(shí)現(xiàn)兩個(gè)功率分流模式EVT1與EVT2的切換。作為并聯(lián)模式電機(jī)MG2可提供額外的扭矩，適合車輛低車速大負(fù)荷工況。行星齒輪排參與工作的轉(zhuǎn)速關(guān)系式：

(2)二擋固定傳動(dòng)比(FG2)，通過鎖住電機(jī)MG2使其轉(zhuǎn)速為0，此時(shí)為第二個(gè)機(jī)械點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)兩個(gè)功率分流模式EVT2與EVT3的切換。作為并聯(lián)模式電機(jī)MG1可提供額外的扭矩，適合車輛中等車速與負(fù)荷工況，能夠提供較為理想的爬坡和牽引性能。行星齒輪排參與工作的轉(zhuǎn)速關(guān)系式：

(3)三擋固定傳動(dòng)比(FG3)，雖然鎖住電機(jī)MG1使其轉(zhuǎn)速為0，但通過MG2輸出動(dòng)力與第三排行星齒輪組的行星架耦合，得到小于1的傳動(dòng)比，可實(shí)現(xiàn)兩個(gè)功率分流模式EVT3與EVT4的切換。適合車輛高速低負(fù)荷巡航工況，并且在車輛高速時(shí)實(shí)現(xiàn)高效的制動(dòng)能量回收的特點(diǎn)。行星齒輪排參與工作的轉(zhuǎn)速關(guān)系式：

雙模功率分流模式固定傳動(dòng)比的優(yōu)缺點(diǎn)總結(jié)列于表6。

表6　固定傳動(dòng)比的優(yōu)缺點(diǎn)總結(jié)

優(yōu)點(diǎn)當(dāng)中，連續(xù)高功率工況可防止電機(jī)過熱是指，可以在EVT模式中的極限狀況下，切換至固定速傳動(dòng)比模式，降低電機(jī)的負(fù)擔(dān)，防止電機(jī)損壞。這對于某些高功率輸出穩(wěn)定性需求較高的車型來說尤為重要。

為實(shí)現(xiàn)固定速比，增加的離合器必然會(huì)增加旋轉(zhuǎn)和泵損失。同時(shí)，固定速比下的發(fā)動(dòng)機(jī)與輸出軸轉(zhuǎn)速不解耦(相當(dāng)于并聯(lián))，會(huì)使發(fā)動(dòng)機(jī)遠(yuǎn)離最佳工作點(diǎn)運(yùn)行，降低發(fā)動(dòng)機(jī)的效率,控制難度進(jìn)一步提高。

四、ECVT輸出轉(zhuǎn)速與車速數(shù)據(jù)計(jì)算實(shí)例

本文通過雷克薩斯LS600h道路試驗(yàn)，采集到車輛高、低速工況時(shí)的發(fā)動(dòng)機(jī)、MG1、MG2的轉(zhuǎn)速和扭矩，低速大負(fù)荷工況數(shù)據(jù)如圖19所示，高速小負(fù)荷工況數(shù)據(jù)如圖20所示。

圖19　LS600h低速工況數(shù)據(jù)流

圖20　LS600h高速工況數(shù)據(jù)流

根據(jù)杠桿等效圖分析原理，采用Excel計(jì)算出行星齒輪排各構(gòu)件(輸入構(gòu)件、輸出構(gòu)件)轉(zhuǎn)速數(shù)值圖表，如圖21、圖22所示。

車輛行駛速度換算成ECVT輸出轉(zhuǎn)速關(guān)系式：

輸出轉(zhuǎn)速(r/min)=行駛速度(km/h)/60/輪胎周長×主減速器傳動(dòng)比

雷克薩斯LS600h主減速器傳動(dòng)比為3.357，輪胎規(guī)格為 245/45R19，計(jì)算出輪胎周長等于2.21m。

車輛低速(大負(fù)荷)52km/h時(shí)的ECVT輸出轉(zhuǎn)速=52 000/60/2.21×3.357=1 316 r/min，與Excel計(jì)算出來的輸出構(gòu)件轉(zhuǎn)速1 325 r/min基本相符合。

圖21　LS600h低速工況構(gòu)件轉(zhuǎn)速計(jì)算

圖22　LS600h高速工況構(gòu)件轉(zhuǎn)速計(jì)算

車輛高速(小負(fù)荷)101km/h時(shí)的ECVT輸出轉(zhuǎn)速=101 000/60/2.21×3.357=2 556 r/min，與Excel計(jì)算出來的輸出構(gòu)件轉(zhuǎn)速2 566 r/min基本相符合。

通過計(jì)算確認(rèn)了ECVT根據(jù)車輛行駛的速度/負(fù)荷工況，自動(dòng)切換3.9與1.9傳動(dòng)比的特性，并且與實(shí)時(shí)的工況數(shù)據(jù)一致(計(jì)算誤差＜1%)，說明兩個(gè)制動(dòng)器B1、B2控制與執(zhí)行狀況正常。如果計(jì)算值與車輛實(shí)時(shí)的工況數(shù)據(jù)偏差＞10%，則應(yīng)診斷兩個(gè)制動(dòng)器B1、B2控制與執(zhí)行狀況。因此計(jì)算值具有ECVT故障診斷的參考意義。

五、總結(jié)

本文通過實(shí)例車型，對比豐田公司和通用公司的ECVT構(gòu)型不難看出通用的AHS混合動(dòng)力系統(tǒng)因?yàn)槟軐?shí)現(xiàn)雙模功率分流，其控制更靈活，可在不同的條件下采用不同的工作模式，因此，綜合效率和動(dòng)力性(油耗和加速性)都優(yōu)于豐田的THS混合動(dòng)力系統(tǒng)。然而，AHS系統(tǒng)通常采用兩排或三排行星齒輪機(jī)構(gòu)，以及多個(gè)離合器、制動(dòng)器，結(jié)構(gòu)與控制策略復(fù)雜，生產(chǎn)制造難度大，成本也高。豐田THS系統(tǒng)通過發(fā)動(dòng)機(jī)阿特金森循環(huán)，提高發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率，使其在各種工況條件下，都能運(yùn)行在最佳效率區(qū)間，以及ECVT構(gòu)型中MG2的兩級減速增扭結(jié)構(gòu)的變化(使用高低速不同傳動(dòng)比)，兩者完美的匹配，進(jìn)一步改善了車輛加速性和燃油經(jīng)濟(jì)性，達(dá)到設(shè)計(jì)混合動(dòng)力汽車節(jié)能與環(huán)保的初衷。