凯美瑞、雅阁及君威混合动力系统的技术分析(上)

◆文/山东 刘华

为了促进节能减排，满足《乘用车企业平均燃料消耗量与新能源汽车积分并行管理办法》(简称双积分)文件的政策要求，很多车厂陆续推出了非插电式混合动力轿车。本文选择2018款广汽丰田凯美瑞、2016款广汽本田雅阁、2017款上汽通用君威等三款售价相近且有代表性的中级轿车，对其安装的非插电式混合动系统用发动机、高压电池、电控变速器以及工作模式等进行详细的技术比较。

一、混合动力车用发动机

混合动力轿车用发动机一般采用阿特金森(Atkinson)循环的发动机，阿特金森循环发动机的热效率比传统的奥拓(Otto)循环发动机更高，原因在于前者的膨胀比大于压缩比，一般通过采用可变气门正时系统来实现。与传统轿车的发动机不同，混合动力轿车用发动机主要的设计目标是经济性，凯美瑞混合动力车发动机采用了燃油双喷射系统，而雅阁及君威均采用燃油缸内直喷系统。三款混合动力车用发动机的类型及主要参数对比见表1。

表1 三款混合动力车用发动机的类型及主要参数对比

对比上述三款混合动力车用发动机，可以看出凯美瑞车发动机的排量、压缩比、热效率及最大功率、最大扭矩等参数均最大，雅阁车发动机次之，而君威30H车发动机最小。

二、混合动力车用高压电池

混合动力轿车的高压电池主要采用的类型为镍氢电池、高压锂电池(以三元锂电池为主)等，一般采用风冷，安装在汽车后排座椅下部(如凯美瑞)或后排座椅与后备箱之间的空腔内(如雅阁、君威等)。三款混合动力车用高压电池的类型及主要参数对比列于表2。

表2 三款混合动力车用高压电池的类型及主要参数对比

对比上述三款混合动力车用高压电池，可以看出只有凯美瑞车采用了镍氢电池，其他两款车均采用了三元锂电池；三款混合动力车用高压电池的总电压、总电量相近。用户对混合动力车始终关注的核心为高压电池质保，丰田公司为用户购买镍氢电池组无忧保险(仅限为非营运车辆)的方式，用户可享受“不限年限，不限里程”的无忧保障。

三、混合动力车用电控变速器

电控变速器为混合动力车的核心部件。众所周知，丰田公司手握轿车混合动力系统特别是电控变速器的大量专利，为规避专利，其他公司开发的轿车混合动力系统用电控变速器与丰田车型会有明显的区别。三款混合动力车电控变速器的主要参数及技术特点列于表3。

表3 三款混合动力车电控变速器的主要参数及技术特点

对比上述三款混合动力车用驱动电机，可以看出雅阁混合动力车用驱动电机的最大功率、最大扭矩最大。

1.凯美瑞混合动力车电控变速器

凯美瑞混合动力车电控变速器习惯称为混合动力传动桥，2018款凯美瑞混合动力传动桥由小电机MG1、大电机MG2、复合齿轮装置、传动桥阻尼器、中间轴齿轮、减速齿轮、差速器齿轮机构和油泵组成。该传动桥为3轴结构，复合齿轮装置、传动桥阻尼器、油泵、MG1和MG2连接至输入轴。中间轴从动齿轮和减速主动齿轮连接至第二轴。减速从动齿轮和差速器齿轮机构连接至第三轴(图1)。

图1 混合动力传动桥结构图

(1)电机MG1、MG2

电机MG1(小)和MG2(大)为紧凑、轻量且高效的三相永磁同步电机，内置于混合动力传动桥内，由定子、定子线圈、转子、永久磁铁和解析器(也称为电机转速位置传感器)等组成(图2)。MG1电机主要用作发电机来使用，为MG2驱动车辆提供电能并对镍氢电池充电。另外，启动发动机时，MG1作为起动机来使用。MG2主要作用是利用MG1和镍氢电池提供的电能，以驱动电机模式驱动车辆行驶，此外，在减速或制动过程中MG2用作发电机对镍氢电池充电，以回收再生制动能量。

图2 电机结构图

为了实现对电机进行矢量控制，需精确测量电机转子的转速及磁极的位置(相位)，为此安装了解析器(电机转速位置传感器)。解析器采用旋转变压器的结构形式，由3个定子线圈(励磁线圈、检测线圈S、检测线圈C)和转子(随电机转子同步旋转)组成。

(2)复合齿轮装置

复合齿轮装置由动力分配行星齿轮机构和电动机减速行星齿轮机构等组成。通过采用2套行星齿轮机构的齿圈和中间轴主动齿轮及驻车锁止齿轮做成一体的复合齿轮，使复合齿轮装置的结构更为紧凑和轻量化。动力分配行星齿轮机构的太阳齿轮连接至MG1、行星架连接至发动机、齿圈位于复合齿轮上。电动机减速行星齿轮机构的太阳齿轮连接至MG2、齿圈位于复合齿轮上、行星架固定至传动桥外壳(图3)。

图3 复合齿轮装置

(3)传动阻尼器

传动阻尼器一般称为扭转减振器。混合动力车辆在发动机运转停止或启动瞬间，会产生很大的扭转振动，而在传动装置结构上又取消了液力变矩器，无液力减震作用，因此，为减少传动系统的扭转振动，提高可靠性以及驾乘的舒适性，混合动力车辆普遍在发动机飞轮与传动桥之间安装了传动阻尼器(图4)。

图4 传动阻尼器

(4)传动桥油泵

机械油泵采用余摆线型油泵，内置于混合动力传动桥内。由发动机驱动，压力润滑各部齿轮。另外传动桥还通过减速齿轮旋转，飞溅润滑齿轮，减小机械油泵运转负载。

2.雅阁混合动力车电控变速器

2016款雅阁混合动力车的电控变速器结构与凯美瑞车有明显不同。该电控变速器(E-CVT)内部集成了发电机、驱动电机、扭转减振器、超越离合器、超越离合器齿轮、4根平行轴及齿轮等部件(图5)。(1)飞轮与扭转减振器

图5 E-CVT内部结构示意图

与凯美瑞混合动力车类似，2016款雅阁混合动力车在发动机飞轮与电控变速器的输入轴之间安转了扭转减振器。飞轮通过1个定位销以及8个螺钉与曲轴凸缘连接，扭转减振器通过6个螺钉固定在飞轮后端面上，电控变速器的输入轴通过外花键插入扭转减振器的内花键孔中，将发动机的动力输入到电控变速器内(图6)。

图6 飞轮及扭转减振器

(2)平行轴及齿轮

电控变速器内集成了4根平行轴及齿轮：输入轴及齿轮、发电机轴及齿轮、驱动电机轴及齿轮、副轴及齿轮(图7)。输入轴的外花键与扭转减振器的内花键连接，将发动机的动力输入到E-CVT内部。输入轴也与超越离合器连接。驱动电机轴与驱动电机的转子连接，驱动电机轴齿轮与副轴常啮合齿轮啮合，然后通过主减速器、差速器、半轴将动力传给两个前轮(驱动轮)，驱动车辆行驶。驻车齿轮通过花键与驱动电机轴连接，并随驱动电机轴同步转动。发电机轴与发电机的转子连接，发电机轴齿轮与输入轴的常啮合齿轮啮合。发动机转动时，通过常啮合齿轮传动带动发电机运转。

副轴上集成了副轴常啮合齿轮及主减速器驱动齿轮，副轴常啮合齿轮与驱动电机齿轮及超越离合器齿轮啮合。主减速器驱动齿轮将来自驱动电机或发动机的动力传递至主减速器从动齿轮，然后经过差速器、半轴传递至前轮(驱动轮)。

图7 平行轴及齿轮

(3)超越离合器及超越驱动齿轮

与凯美瑞、君威车混合动力系统不同，2016款雅阁混合动力轿车的电控变速器内采用了超越离合器(PCM控制)，超越离合器为液压驱动的湿式多片式离合器，位于输入轴的末端。通过超越离合器改变动力传递路径，从而实现在驱动发电机或驱动车轮之间切换发动机的动力。

当超越离合器不工作(分离)，若发动机运行时，发动机动力将通过扭转减振器→输入轴→输入轴齿轮→发电机轴齿轮→发电机轴→发电机，实现发动机驱动发电机发电。当超越离合器工作(接合)，发动机运行时，发动机动力将通过扭转减振器→输入轴→超越离合器→超越齿轮→副轴齿轮→副轴→主减速器驱动齿轮→主减速器从动齿轮→差速器→半轴→前轮，实现将发动机动力传递给前轮(驱动轮)。另外，当超越离合器工作(接合)且发动机运行时，发动机还将同时驱动发电机转动(空转)。

(4)发电机及驱动电机

发电机、驱动电机均采用了重量轻、体积小、高效率高的三相永磁同步电机。驱动电机、发电机以及电机转速位置传感器的作用与凯美瑞混合动力车类似，在此不再赘述。