混联式混合动力耦合系统构型分析(二)

◆文/江苏 高惠民

高惠民 (本刊编委会委员)

现任江苏省常州外汽丰田汽车销售服务有限公司技术总监，江苏技术师范学院、常州机电职业技术学院汽车工程运用系专家委员，高级技师。

(接2017年第10期)

(2)凯迪拉克CT6插电式混合动力ECVT构型

凯迪拉克CT6混动系统总功率为335kW，由一台输出功率为198kW的2.0T涡轮增压发动机和两套功率120kW的电机组成。其百公里加速时间为5.6s。电池组为18.4kW h的高压锂电池。由于是插电式混合动力系统，纯电续航里程60km，纯电最高时速125km。百公里综合油耗仅2L。凯迪拉克CT6的ECVT构型如图7所示。

图7 凯迪拉克CT 6混合动力ECV T构型

从构型图中看出CT6的EVT相比5ET50变速器多了两个离合器控制,新增了第三排行星齿轮组，而且第三排行星齿轮组采用的是双级行星齿轮结构，以便支持更大的扭矩输出。其扭矩在低车速区域最高可达5 000Nm，这使得CT6的静止起步加速性能非常优异。

三排行星齿轮结构组合如下。

P1齿轮组——太阳轮连接MG 1的输出，行星架连接P2齿轮组的行星架，齿圈通过扭转减振器连接发动机输出，并通过C 5离合器可以将齿圈制动。

P2齿轮组——太阳轮连接MG 2的输出，行星架连接P1齿轮组行星架，还与P 3齿轮组太阳轮相连接，齿圈通过C 4离合器与P 1齿轮组太阳轮连接，并通过C 3离合器可以将齿圈制动。

P3齿轮组——是一组双级行星齿轮排。太阳轮连接P1、P2行星架，行星架通过C 2离合器与P2齿轮组太阳轮连接，并通过C 1离合器可以将行星架制动。齿圈连接齿轮主减速器输出动力。其扭矩是施加在太阳轮和行星架上扭矩的总和。

凯迪拉克CT6的ECVT通过不同离合器控制组合能够使运行模式增加到11种,如表5所示。

表5 凯迪拉克CT 6 ECVT运行模式

构型中四种纯电动模式EV 1～EV 4；四种功率分流模式(EVT1和EVT4属于输入分流Inpu t Sp lit模式,EVT2和EVT3属于复合功率分流Com pound Sp lit模式)；三种固定传动比模式FG 1—FG 3。其中相互存在一定的交叠区域，如图8所示。固定传动比模式FG出现在功率分流模式EVT之间，用于不同的功率分流模式间过渡，以进一步提高传动效率，降低油耗，同时还优化驾驶乐趣，如图9所示。

图8 凯迪拉克CT 6复合功率模式区域示意图

图9 凯迪拉克CT6混合动力系统发动机运行时各组件输出速度和功率关系

三、ECVT构型分析

对于混合动力汽车ECVT构型，发动机的功率将通过两条路径传递到车轮。一条路径为机械路径，即发动机的部分功率通过行星齿轮机构直接传递到车轮。另一条路径为电路径(发动机—电动机/发电机MG 1—电动机MG 2)，MG 1通过行星齿轮机构吸收发动机部分功率转为发电，为电机MG 2提供驱动车辆能量或为动力蓄电池充电(电池SOC小于下限值时)。不同传动比下二者的功率分配比例不同。由于分配到电路径的功率存在二次转换时的功率损失，因此分配到电路径的功率越少，系统效率越高。当发动机的全部功率都经机械路径传递到车轮时，系统效率是最高的，这点称为机械点(任意一个电机的转速等于零)，对于单模式功率分流型混合动力汽车，只存在一个机械点，即MG 1转速等于零。而对于双模功率分流型混合动力汽车，存在两个机械点(两个行星齿轮排)或三个机械点(三个行星齿轮排)，相对增大了系统高效率区间。

分析ECVT构型的转速和转矩采用杠杆分析法模型——杠杆图来分析。杠杆法原本用来分析 AT 变速器中的行星排机构，后来推广到分析功率分流式 ECVT 构型。通过将ECVT构型简图转换为杠杆图，从杠杆图上可以直观得看出各个构件的运动关系。使用杠杆法不仅分析起来简单，而且功能比较强大。静态时，杠杆法能分析此时构型的连接情况，所连接各部件的运动关系；动态时，能直观分析出构型单一模式的连续变化和模式切换情况。由于杠杆法的方便性，因此它成为了在ECVT构型设计与分析过程中的主要方法。

首先是行星齿轮机构等效杠杆图的分析。单排行星齿轮机构转换成杠杆的过程如图10所示，图10(a) 是单行星轮行星排的转换过程，图10(b)是双行星轮行星排的转换过程。其中K为行星齿轮排特性参数，等于齿圈齿数与太阳轮齿数之比。

图10 单排行星齿轮杠杆图

其次是转速的分析。把行星齿轮机构上三元件，太阳轮S、齿圈R、行星架PC啮合点看成3个支点，其各自的速度、大小和方向可以用如图11 所示的线段表示出来。纵轴上线段表示行星齿轮排特性参数比，横轴线段长度表示转速的大小，可以定义线段在杠杆的右侧为正方向，三条线段的一端总会在一条直线上。因此只要知道其中两元件的转速，第三个的转速就可以通过杠杆图直观的看出。

最后是转矩的分析。可以将行星排上三元件的转矩看成如图12中所示杠杆所受的 3 个力(大小和方向)。如果将某个点看成支点，另外两个点上有力平衡的关系，并且这 3 个力也平衡，相加为零。

图11 行星齿轮机构杠杆速度示意图

图12 行星齿轮机构杠杆扭矩示意图

两个行星排相连的行星机构等效杠杆图的画法如图13所示。机构中相连的元件在杠杆图中用线段连起来。并对每个杠杆进行比例缩放，使公共部分的力臂长度相同。

图13 两排行星齿轮机构等效杠杆

1.功率输入分流模式分析

雷克萨斯LS600h采用THS-II系统属于功率输入分流模式构型(本文中已介绍过构型的组成)。通过制动器的不同组合状态，后排拉维娜行星齿轮机构可以提供1.9和3.9两种不同传动比，分别适用低速EVT1和高速EVT2两种工况。

(1)低速工况(大负荷)

在低速工况下，后排拉维娜行星齿轮组的齿圈R 2被制动，其构型简图和杠杆模型如图14(a)和14(b)所示。

图14 LS 60 0h低速模式示意图

由此可以得到低速输出的扭矩关系式:

(2)高速工况(小负荷)

在高速工况下，后排拉维娜行星齿轮组的小太阳轮S 3被制动，齿圈处于空转状态，其高速构型简图和杠杆模型如图15(a)和15(b)所示。

图15 LS 60 0h高速模式示意图

由此可以得到高速输出的转速和扭矩关系式：

式中：

Tout—输出扭矩；

Te—发动机扭矩 ；

TMG 2—MG 2 扭矩 ；

nout—输出转速；

ne—发动机转速；

nMG 1—MG 1转速；

K1、K2、K3—行星齿轮特性参数；K1=2.29；

K2=2.9；

K 3=3.2。

由于雷克萨斯LS 600h的ECVT构型属于单模型式(功率输入型)，转速输出由前排动力分配行星齿轮组中连接发动机的转速和发电机/电动机MG 1的转速耦合所决定，后排拉维娜行星齿轮组只负责驱动电机MG 2的减速增扭作用，所有高、低速模式的转速关系式应是相同。

根据两排行星齿轮组特性参数K1=2.29，K2=2.9，K 3=3.2,通过计算画出杠杆图，如图16、17所示。

从杠杆图中可以看出雷克萨斯LS600h的ECVT构型，侧重点是在全车速范围内平衡MG 2 增扭效果与转速范围要求，两个传动比挡位各司其职，发挥最大的局部优势—低速挡位实现最大的增扭效果，高速挡位大幅度降低转速范围。

图16 LS 600 h低速模式等效杠杆图

图17 LS 60 0h高速模式等效杠杆图