基于封闭式行星齿轮的并联式混合动力传递装置的研究

刘亚波

(华锐风电科技(集团)股份有限公司，北京 100872)

基于封闭式行星齿轮的并联式混合动力传递装置的研究

刘亚波

(华锐风电科技(集团)股份有限公司，北京 100872)

目前并联式混合动力传递装置一般是在现有AT、DCT或者CVT基础上增加电动机和离合器来实现，而这种技术存在结构复杂、难以实现小型化和轻量化的不足。针对这一问题，提出一种基于定轴式封闭式行星齿轮单元的混合动力专用传递装置HDT，并对其结构原理和特点进行分析。HDT采用定轴齿轮变速机构来封闭行星齿轮组成多级传动单元，以功率分流输出、功率分流输入和封闭式行星齿轮传动等3种模式来实现发动机驱动、混合动力驱动和电力驱动等3种运行工况，具有传递效率高、结构紧凑等诸多优点。同时指出目前尚待解决的问题并展望其应用前景。

并联式；混合动力传递装置;封闭式行星齿轮

0 引言

现代汽车在为人们出行提供便利的同时加剧了对不可再生石油资源的依赖，并且传统燃油汽车在使用过程中产生的大量有害废气造成了空气质量的进一步恶化。因此，世界各国不断加大力度推动混合动力技术及电动汽车技术的开发和应用。目前电动汽车受限于动力电池的能量密度和成本原因，普遍续航能力不高。而插电式混合动力(Plug-in Hybrid Electric Vehicle，PHEV)汽车的油耗和排放方面相较于传统燃油汽车有明显的优势，并且在续航能力方面不存在问题。因此在动力电池技术取得突破之前，插电式混合动力技术是降低油耗和排放的有效途径之一。

目前并联式混合动力汽车一般采用AT(Automatic Transmission)、CVT(Continuously Variable Transmission)或DCT(Dual Clutch Transmission)等自动变速器并联一个电动/发电机并布置相应的离合器来实现。这种技术的优点是技术继承度高，结合现有自动变速器技术较易实现；缺点是原有自动变速器的结构已经比较复杂，再增加电机之后整套系统尺寸将会进一步增加，难以实现小型化、轻量化。因此，针对插电式混合动力汽车的特点开发一种结构紧凑且效率较高的专用动力传递装置(Hybrid Drive Transmission，HDT)是有必要的。进而提出的传递装置方案(HDT)采用了定轴式封闭行星齿轮单元组成的多级传动结构，在原理上具备结构紧凑、传动效率高的优点，可以一定程度上解决现有单电机并联混合动力传递装置技术的一些不足之处。

1 HDT结构和原理

1.1 HDT的结构

HDT的简化结构如图1所示，它主要由摩擦式离合器、差动机构、变速机构、电动/发电机以及相应的连接元件组成；其中电动/发电机可以作为电动机提供驱动力,也可以作为发电机利用外部动力进行发电；变速机构包含输入轴和输出轴，以及布置在输入轴与输出轴之间不同传动比的挡位齿轮副；差动机构具有太阳轮、行星架和行星轮以及内齿圈，且内齿圈外圆布有外齿轮用于输出动力。其中变速机构各挡位齿轮副通过牙嵌式离合器实现连接或者断开。

变速机构的输入轴通过摩擦式离合器与发动机的输出轴连接，变速机构的输出轴通过齿轮组与电动/发电机的旋转轴连接；差动机构的太阳轮通过齿轮组与电动/发电机的旋转轴连接，行星架与变速机构输入轴连接，内齿圈通过其外齿轮输出动力。

如图1所示，差动机构的行星架和太阳轮通过变速机构的定轴传动进行连接组成了封闭式行星齿轮单元，其传动比由差动机构和定轴传动共同决定，当变速机构传递动力的齿轮副发生变化时封闭式行星齿轮单元的传动比随之改变。

图1 HDT的简化结构

1.2 HDT的传动比分配

封闭式行星齿轮单元传动比一般计算公式如下：

(1)

结合图1所示的封闭结构得出：iβδ=1，则：

(2)

式中：Za为太阳轮齿数；Zb为内齿圈齿数。

(3)

(4)

HDT的传动比分配相较于传统变速器有明显的区别。一般情况下Za/Zb<0.6，基于公式(4)可见，如果要达到传统变速器传动比范围(itotal=5～7)，并且全部以封闭式行星齿轮单元形式分配传动比，其变速机构的传动比范围将明显增加。基于以上原因，提出的HDT方案将传动比分为高低两个部分：将变速机构设置为空挡，差动机构不被封闭而作为功率分流结构发挥作用，通过控制电动/发电机转速实现多个模拟挡位作为低速挡部分；高速挡部分通过采用不同传动比的封闭式行星齿轮单元来实现。

功率分流结构输出转速依照以下公式求出：

(5)

进而：

(6)

以六挡分配方案举例，如表1所示，该方案传动比范围为6.03，可以达到传统变速器传动比范围。

表1 HDT传递装置六挡传动比分配案例

1.3 HDT的工作原理

采用HDT的车辆可以有电力驱动、发动机驱动和混合驱动3种工作模式。车辆蓄电池电量充足时车辆启动以及较低速度行驶两个工况设置为电力驱动模式；当蓄电池电量不足或者车辆以较高速度行驶时设置为发动机驱动模式；车辆加速换挡时设置为混合驱动模式。以下结合表1的传动比分配方案对这两种情况分别进行说明。

(1)蓄电池电量充足时。车辆在静止状态下设置摩擦式离合器断开与发动机的连接，设置变速机构中的牙嵌式离合器状态使差动机构和变速机构组成5th挡封闭式行星齿轮传动单元。电动/发电机可以作为电动机利用车辆蓄电池的电能来驱动所述封闭式行星齿轮传动单元，此时车辆在电动机的驱动下可以实现启动、前进和倒车。当车辆以较高速度运行时，启动发动机，设置摩擦式离合器与发动机连接，此时，发动机驱动车辆以5th挡固定传动比行驶。当车辆需要加速时，此时电动/发电机作为电动机来发挥作用。通过设置变速机构中的牙嵌式离合器断开连接，差动机构作为功率分流输入机构，设置发动机转速不增大，而依靠电动机驱动太阳轮转速增大来实现车辆的加速，这个过程中发动机和电动机的动力通过差动机构汇合后输出到车轮。随着太阳轮的转速增加，变速机构输出轴的转速与6th挡齿轮副的从动齿轮转速会逐渐接近至几乎相等，此时设置牙嵌式离合器的位置，完成5th挡升6th挡过程，发动机继续驱动车辆以6th挡固定传动比行驶。

(2)蓄电池电量不足时。低速工况下，启动发动机，变速机构中的牙嵌式离合器设置为断开，设置摩擦式离合器与发动机连接，这样由于差动机构没有被减速机构封闭，它将作为功率分流输出结构来发挥作用。电动/发电机可以作为发电机来发挥作用，通过控制其转速来调整太阳轮的转速，表1中1st～4th为虚拟挡位，随着发电机的转速降低，车速不断增加，进而实现车辆的低速运行。在发动机驱动加速过程中，当发电机的转速降为0之后，电动/发电机将反向旋转作为电动机发挥作用，与发动机一同驱动车辆继续加速，差动机构作为功率分流输入结构来发挥作用，直至变速机构的牙嵌式离合器可以切换到5th挡。之后过程与蓄电池电量充足时的过程相同，不再进行分析。

2 HDT的特点

2.1 动力传递效率高

HDT总体结构为差动机构和定轴齿轮传动通过不同的组合方式来实现，由于定轴齿轮传动效率较高，因此在分析HDT传动效率时主要关注差动机构在不同工况下的传递效率。并且在一般情况下，对于行星齿轮传动，多个行星轮的均载结构设计使基本构件所用轴承的摩擦损失可以忽略不计，仅考虑行星轮轴承的摩擦损失。

结合上面的案例，HDT的传递效率按照驱动模式可以分为3种结构来进行分析：

(1)功率分流输出结构传动效率：

(7)

式中：φh为行星传动损失系数。

得出：μh(ab)>1-φh

(8)

行星传动损失系数采用下式进行计算：

(9)

行星轮与太阳轮或与内齿圈的齿轮啮合损失系数均可采用下式进行计算：

式中：Z1为啮合齿轮中的小齿轮齿数；Z2为啮合齿轮中的大齿轮齿数；fm为啮合摩擦因数，取0.06。

为简化计算过程，行星轮轴承的摩擦损失系数采用0.02进行估算。

代入公式(9)得出：φh=0.035。

代入公式(8)得出：μh(ab)>96.5%。

(2)功率分流输入结构传动效率：

(10)

μ(ab)h>1-φh

(11)

将φh=0.035代入公式(11)得出：

μ(ab)h>96.5%

(3)封闭式行星齿轮结构传动效率由下式计算：

(12)

变速机构为三级定轴传动，摩擦损失系数按照0.03估算。

将以上结果代入公式(12)得出5th挡和6th挡的传动效率分别为98%和97.5%。

文中提出的封闭机构工作时不存在循环功率，传动效率较高。其本质上是部分功率通过变速机构的功率分流输入结构，因此其传动效率：

μδγ>96.5%×(1-0.03)

得出：μδγ>93.6%

另外，在HDT传动过程中还存在润滑油的液力损失，目前在润滑油液力损失方面尚无成熟的方法进行理论计算，然而可以推断的是文中提出的HDT结构在各种工况下的液力损失相对于多排行星齿轮自动变速器(AT)有明显减少。综合以上结果可见，HDT具有较高的传递效率。

2.2 结构简单紧凑

HDT是针对混合动力特征而设计的。如表1案例所示：一方面，在1st～4th挡发动机驱动工况下采用发电机调速，省去了机械变速机构；另一方面，车辆在5th和6th挡的高速运行工况下变速机构只有部分功率通过，结构紧凑。且换挡采用电动机辅助同步，相对于目前存在的并联式混合动力传递装置，省去了复杂的执行机构，换挡机构简单。

2.3 动力传递能力强

与传统CVT结构的混动传递装置相比，在传递大扭矩时不存在打滑现象，可实现大扭矩、大功率的动力传递。理论上传递扭矩的大小只与封闭式行星单元的承载能力有关。

2.4 可实现无级变速

HDT本质上是一种差动式行星齿轮无级变速器，其传动比的变化是通过控制电动/发电机的转速或状态进而调整差动机构中太阳轮的转速来实现的，因此可以实现无级变速且调速非常方便。

2.5 成本低

相比传统混合动力传递装置，其零件数量少，制造容易，成本低。

3 HDT还需要解决的问题

与现有并联式混合动力传动装置相比，HDT有诸多方面的优点，但仍存在一些需要解决的问题：

(1)在车辆低速且发动机驱动的整个工况中，电动/发电机存在由发电机转变为电动机的过程，此转变过程中存在一个低转速下的发电制动效率不高的问题。针对这个问题，可以考虑增加一个摩擦式制动器，并建立数学模型对功率分流输出的整个过程进行仿真，以确定摩擦式制动器的最佳介入点和控制逻辑。

(2)制动能量回收问题。在低速发动机驱动工况以及混合驱动工况下，由于差动机构未封闭，此时车辆制动时能量将无法回收。针对这个问题，可以在太阳轮和行星架之间增加一个摩擦式离合器用来封闭差动机构，并建立相应的三维模型以优化结构设计。

(3)发动机驱动与电力驱动相互切换时的灵活平顺性。车辆低速运行时的动力来源取决于蓄电池电量的高低，存在发动机驱动和电力驱动工况的相互切换，而这个过程是否平顺将直接影响车辆的舒适性。针对这个问题，可以建立整车传动仿真模型对动力切换进行仿真，以确定最优的发动机和电动/发电机参数以及二者的控制逻辑。

4 总结

HDT是一种由差动机构和变速机构组成的多级封闭式行星齿轮传动系统。采用HDT的车辆在启动和低速运行时，变速机构不工作，差动机构作为功率分流输出或功率输入结构来发挥作用；在电力驱动或者车辆高速行驶时，变速机构将差动机构封闭，以固定传动比传递动力。相对于传统并联式混合动力传递装置，HDT具有动力传递效率高、结构简单紧凑、动力传递能力强、可实现无级变速和成本低等诸多优点，可广泛应用于汽车领域。

现阶段对HDT的结构、工作原理、主要特点和技术问题的分析，为今后该传动装置的结构设计以及控制策略的研究并且推动其产业化奠定了良好的基础。

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StudyonParallelHybridElectricSystemBasedonClosedPlanetaryGears

LIU Yabo

(Sinovel Wind Group Co.,Ltd., Beijing 100872,China)

Currently,parallel hybrid electric system is generally developed based on automatic transmission, dual clutch transmission or continuously variable transmission, but this solution concept has a complex structure,it is difficult to reduce the volume and weight. So, a hybrid electric system(HDT) based on closed planetary gears unit was proposed, and its run principle and characteristics were analyzed. HDT had three kinds of operation mode, with high transmission efficiency, compact structure and some other advantages. At the same time, the problems that had yet to be solved were pointed out.

Parallel type; Hybrid electric transmission; Closed planetary gears

U469.7

A

1674-1986(2017)09-037-04

10.19466/j.cnki.1674-1986.2017.09.008

2017-05-24

刘亚波(1984—)，男，本科,研究领域为汽车并联式混合动力传动系统。E-mail：liuyb_good@126.com。