凱美瑞雙擎車電子無級變速器詳解

威海職業學院 劉 華

威海市職業中等專業學校 劉 彬

第八代凱美瑞雙擎車自2017年12月底上市以來，市場供不應求。該車安裝了豐田第四代混合動力系統（THS-Ⅳ），主要由混合動力車專用發動機、電子無級變速器（E-CVT）、動力電池及動力控制單元PCU等組成。下文對該車安裝的型號為P710 ECV-T結構及工作原理進行詳細介紹。

1 E-CVT結構

第八代凱美瑞雙擎車安裝的E-CVT，型號為P710，主要由變速器外殼、扭轉減振器、動力分配行星齒輪機構及復合齒輪、發電機MG1、驅動電機MG2、中間軸齒輪、減速齒輪、差速器齒輪機構及油泵等組成，如圖1所示。

圖1 E-CVT組成結構示意圖

P710 E-CVT與豐田前三代混動車用變速器的三軸結構不同，現為四軸結構。動力分配行星齒輪機構、油泵和發電機MG1安裝在主軸上；驅動電機MG2及MG2減速齒輪安裝在第二軸上；中間軸從動齒輪和減速主動齒輪安裝在第三軸上；減速從動齒輪和差速器齒輪機構安裝在第四軸上。通過將發電機MG1、驅動電機MG2的不同軸布置，大大縮短了傳動橋的整體長度。采用了由動力分配行星齒輪的齒圈、中間軸主動齒輪和駐車鎖定齒輪的齒圈組成的復合齒輪，大大縮小了尺寸并減輕了質量。通過使用高精度加工輪齒表面、低損耗軸承，降低了驅動損失，從而有助于改善燃油經濟性并減少噪音。該變速器采用余擺線齒輪型油泵通過飛濺潤滑方式對齒輪系進行潤滑，同時對發電機MG1和驅動電機MG2進行冷卻。

1.1 扭轉減振器

混合動力車在行駛中，發動機可能會頻繁起動，將產生較大的扭轉振動，而E-CVT中又取消了傳統的液力變矩器，為減少傳動系統的扭轉振動，提高可靠性以及駕乘的舒適性，在發動機的飛輪與變速器之間安裝了扭轉減振器（圖2）。

圖2 扭轉減振器

扭轉減振器由螺旋彈簧、扭矩限制器、轉矩波動吸能裝置及內花鍵鼓等組成。由干式摩擦材料制成的轉矩限制器可防止傳輸到變速器的扭矩過載；雙級轉矩波動吸能裝置可降低發動機轉速波動，從而在發動機起動和停止時，降低噪音并減少沖擊；內花鍵鼓通過花鍵連接與變速器的輸入軸連接，將發動機的動力輸入變速器。

1.2 動力分配行星齒輪機構及復合齒輪

P710 E-CVT的動力傳遞原理如圖3所示。各齒輪齒數見表1所列。

動力分配行星齒輪機構為單行星排結構，其中，太陽輪與發電機MG1連接，行星架與發動機連接，齒圈集成在復合齒輪上，復合齒輪上集成了動力分配行星齒輪的齒圈、中間軸主動齒輪和駐車鎖止齒輪（圖4）。

圖3 E-CVT動力傳遞原理示意圖

表1 各齒輪齒數

圖4 動力分配行星齒輪及復合齒輪機構

發動機輸出動力通過動力分配行星齒輪機構可以驅動車輪和驅動發電機MG1發電。發電機MG1旋轉驅動發動機起動時，發電機MG1作為起動機運行。

驅動電機MG2輸出動力經過減速齒輪、中間軸從動齒輪、減速主動齒輪、減速從動齒輪、差速器殼、半軸齒輪及半軸等驅動車輛行駛。

1.3 發電機MG1及驅動電機MG2

發電機MG1、驅動電機MG2均為結構緊湊、輕量化的三相永磁同步電機。驅動電機MG2的最大輸出功率為88 kW、最大扭矩為202 N·m，整個混合動力系統最大輸出功率為160 kW。驅動電機MG2作為附加動力源與發動機協同工作（混合驅動）或獨立驅動車輛（純電驅動）。在車輛滑行或制動時，驅動電機MG2作為發電機使用，回收能量。發電機MG1為鎳氫電池充電并提供電能用于驅動MG2，發電機MG1還可作為起動機用于啟動發動機。

為實現對發電機MG1、驅動電機MG2的矢量控制，需精確測量電機的轉速、轉向及位置。因此，設置了電機轉角傳感器。電機轉角傳感器由定子、凸圓形轉子等組成。定子上安裝了勵磁繞組、正弦繞組及余弦繞組等三個繞組。橢圓形轉子隨電機軸同步旋轉。當電機轉動時，橢圓形轉子與定子之間的間隙隨轉子旋轉而變化，正弦繞組、余弦繞組的輸出波形峰值隨轉子位置而同步變化。電機控制器根據正弦繞組、余弦繞組的差值計算轉子的位置，根據正弦繞組、余弦繞組的相位差確定旋轉方向，根據單位時間內轉子角度的變化計算轉子的轉速。

發電機MG1、驅動電機MG2上均安裝了電機溫度傳感器，用于檢測電機定子的溫度。

1.4 油泵

采用余擺線齒輪型油泵，以飛濺潤滑方式來潤滑各齒輪系。油泵由發動機直接驅動，當發動機運行時，油泵轉動，可潤滑齒輪系并冷卻電機，以提高潤滑效率和冷卻性能。此外，采用減壓閥以防油泵產生不必要的高壓，從而減少油泵驅動的功率損失（圖5）。

圖5 油泵

2 ECV-T工作原理

2.1 高壓起動發動機

凱美瑞雙擎車安裝了無鑰匙進入和起動系統。車輛停止，當鎳氫電池電量正常時，踩下制動踏板、按下“POWER”按鈕，待儀表上的“READY”綠燈亮起，掛上“D”或“R”擋，松開制動踏板，車輛將以純電驅動行駛。車輛停止，若電量低于正常值時，起動發動機，鎳氫電池為發電機MG1供電，MG1作為起動機工作，MG1通過太陽輪帶動行星架起動發動機，如圖6所示。車輛行駛中，發動機的起動也是由發電機MG1驅動來實現的。

圖6 鎳氫電池電量充足時發動機動力傳遞路線

發動機起動后，若鎳氫電池剩余電量SOC低于固定值，則發動機驅動發電機MG1為鎳氫電池充電，如圖7所示。

圖7 SOC低時MG1發電

2.2 純電驅動

當鎳氫電池電量充足，掛前進D擋時，驅動電機MG2驅動車輛原地起步及行駛，如圖8所示。此時，發動機停止、發電機MG1轉動但不發電。若掛R擋時，與D擋行駛比較，只需改變驅動電機MG2的轉動方向即可，如圖9所示。

圖8 前進擋純電驅動路線

圖9 倒擋純電驅動路線

2.3 發動機、驅動電機MG2混合驅動

純電行駛中，若鎳氫電池的剩余電量SOC低于設定值時，發動機起動后再驅動發動機MG1發電，為驅動電機MG2工作提供補充電能。此時，發動機通過行星架將發動機動力輸出給齒圈（復合齒輪）后再傳給中間軸從動齒輪，同時驅動電機MG2將其動力經過驅動電機MG2減速齒輪后也傳給中間軸從動齒輪（圖10），上述兩個動力共同用于驅動車輪。

2.4 制動、滑行時回收能量

車輛行駛中，當踩下制動踏板制動或松開加速踏板車輛滑行時，發動機停止轉動，利用車輛的慣性力，驅動電機MG2轉動，驅動電機MG2作為發電機運行而回收能量，并向鎳氫電池充電（圖11）。

圖10 混合動力驅動路線

圖11 滑行、制動時回收能量