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適用于混合動力汽車的多級變速器理念與實現(xiàn)方法

2019-04-02 22:00:58·  來源：同濟(jì)智能汽車研究所  作者：智能動力系統(tǒng)室  
　
本文譯自：《Concept and Approach of Multi Stage Hybrid Transmission》原作者：Tatsuya Imamura,Atsushi Tabata,Tooru Matsubara,Yuji Iwase,Kenta Kumazaki,
本文譯自：《Concept and Approach of Multi Stage Hybrid Transmission》
原作者：Tatsuya Imamura, Atsushi Tabata, Tooru Matsubara,Yuji Iwase,Kenta Kumazaki,Keita Imai
原文鏈接：https://doi.org/10.4271/2017-01-1098
 
編者按：混合動力汽車的變速器對整車的經(jīng)濟(jì)性和動力性有一定程度的影響。長久以來，科研人員不僅致力于控制策略的研究，也針對混動變速器內(nèi)部的的構(gòu)型提出了許多改進(jìn)的方案。作為混動汽車行業(yè)內(nèi)的領(lǐng)先者，豐田汽車公司在此方面有著較為豐富的經(jīng)驗。本篇論文針對某款混動變速器的構(gòu)型進(jìn)行分析，提出了“多級變速”的理念。結(jié)果證明：采用新構(gòu)型的變速器對整車動力性、經(jīng)濟(jì)性以及熱管理性能有著積極的作用。
 
摘要:
 
Lexus為其旗艦級跑車LC500h coupe開發(fā)了一款多級變速器，旨在讓其燃油經(jīng)濟(jì)性和加速性能方面達(dá)到一種卓越的平衡。為了達(dá)到上述目標(biāo)，該款變速器基于輸入功率分流式混動系統(tǒng)，采用多級變速的理念來獲得多個高效工作點。該理念通過一個位于功率分流裝置后的換擋元件來實現(xiàn)，同時功率分流裝置分別與電動機(jī)、發(fā)電機(jī)和逆變器相連以實現(xiàn)eCVT工作模式。相比于以往的混合動力變速器，新的變速器上新搭載的換擋裝置根據(jù)驅(qū)動工況選用了最佳的速比，不僅在燃油經(jīng)濟(jì)性方面有著卓越的提升，在熱管理性能方面也有突出的進(jìn)步。另外換擋裝置內(nèi)部的低擋齒輪副可同時放大電機(jī)和發(fā)動機(jī)的扭矩（以往的變速器僅能放大電機(jī)扭矩），極大地提高了整車加速性能。本篇論文以獲得多高效工作點為導(dǎo)向，介紹了選用依附于輸入功率分流式系統(tǒng)的多級變速理念的初衷以及其相對于傳統(tǒng)混動變速器的潛力所在。
 
1.引言
2006年，Lexus發(fā)布的一款后驅(qū)乘用車（RWD）Lexus GS450h上搭載了Lexus的混動系統(tǒng)（LHD）。該系統(tǒng)在2007年也被用于全驅(qū)的Lexus LS600h上。此系統(tǒng)包括一個混合動力變速器，在此變速器內(nèi)部配備了一個兩級電機(jī)減速裝置。這套系統(tǒng)動力性方面獲得了包括賽車手在內(nèi)的駕乘人員的高度評價，同時也表現(xiàn)出了良好的經(jīng)濟(jì)性。自從此款車型發(fā)布以后，原有的混動系統(tǒng)已經(jīng)獲得了多次的改進(jìn)，極大地降低了CO2的排放。
 
然而近幾年來，人們環(huán)保意識日益增強(qiáng)，對車輛提出的要求越來越高。這一趨勢使得全球各個國家和地區(qū)都紛紛宣布將制定更加嚴(yán)格的排放法規(guī)。因此，開發(fā)和推廣更加環(huán)保的汽車就顯得十分重要。近年來，各式各樣的系統(tǒng)層出不窮，市場競爭也日趨激烈。甚至在由各種高動力性能汽車主宰的豪華轎跑車市場也出現(xiàn)了越來越多的混動車型，對經(jīng)濟(jì)性和加速性能的要求越來越高。
 
在此背景之下，為了使得后驅(qū)轎跑車的經(jīng)濟(jì)性和動力性能達(dá)到卓越的平衡，多級變速混動系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。LC500h將此系統(tǒng)與一臺V6發(fā)動機(jī)配合，0到60mph（約100km/h）加速時間為4.7s。等效燃油消耗率達(dá)到30mpg（每消耗1加侖燃油汽車行駛30英里，即百公里油耗7.9L左右），并且在尾氣排放方面達(dá)到了超低排放汽車的標(biāo)準(zhǔn)。新開發(fā)的多級混動變速器（圖1）在此方面功不可沒。
圖1 變速器剖視圖
2. 開發(fā)目標(biāo)
開發(fā)此款適用于大排量后驅(qū)混動車型的混動變速器的目標(biāo)在于提高經(jīng)濟(jì)性、加速性能以及熱管理性能。

2.1 經(jīng)濟(jì)性提升
主要的開發(fā)目標(biāo)是提高在高速行駛工況下的經(jīng)濟(jì)性。具體而言，在變速器增速速比范圍內(nèi)增加了高效工作點。通過調(diào)節(jié)位于功率分流裝置后方的換擋元件4擋速比可達(dá)到上述目標(biāo)。
2.2 加速性能提升
為了讓此款車型的加速性能在等排量后驅(qū)混動汽車中脫穎而出，優(yōu)化了換擋元件中1、2擋速比使得發(fā)動機(jī)和電機(jī)扭矩得到提升。
2.3 熱管理性能提升
為了實現(xiàn)通過降低電動機(jī)、發(fā)電機(jī)以及逆變器產(chǎn)熱量的方式來提高熱管理性能，優(yōu)化了1-4擋速比，使得在汽車在行駛過程中的電能轉(zhuǎn)換降低。
3.舊混動變速器分析
接下來將對舊混動變速器的優(yōu)勢以及需要改善的性能（以適應(yīng)大排量發(fā)動機(jī)）進(jìn)行介紹。誠然，舊混動變速器中選用輸入功率分流模式已經(jīng)選擇了比較有潛力的一種模式，然而舊混動變速器仍有在經(jīng)濟(jì)性、加速性能以及熱管理性能方面進(jìn)一步改善的需求。
3.1 輸入功率分流模式的優(yōu)點
舊混動變速器中采用了輸入功率分流模式。該模式滿足了一款混動變速器的如下需求：
① 迅速且穩(wěn)定的發(fā)動機(jī)啟停，無引起不適的振動。
② 高效的純電驅(qū)動模式，能量可回收。
③ 大速比范圍下發(fā)動機(jī)高效工作
④ 降低電動機(jī)和發(fā)電機(jī)輸出
⑤ 結(jié)構(gòu)簡單
在輸出功率分流模式和復(fù)合功率分流模式中，可以通過結(jié)合其他模式來獲得更好的整體系統(tǒng)性能。
3.1.1分流模式的劃分
因為采用功率分流模式的混動變速器有著豐富的工作模式，所以其在很多混動汽車上都有應(yīng)用。這些工作模式包括CVT、啟停發(fā)動機(jī)、純電驅(qū)動、能量回收。
 
一臺采用功率分流模式的混動變速器有一個差動機(jī)構(gòu)（行星齒輪）、兩臺電動機(jī)/發(fā)電機(jī)（與差速機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)動部分相連）、一個輸入軸以及一個輸出軸。變速器可以在以下三種模式下工作：輸入功率分流、輸出功率分流、復(fù)合功率分流。
在輸入功率分流模式中，輸出軸及一個電動機(jī)/發(fā)電機(jī)共同與差動機(jī)構(gòu)的某一部分相連，三者轉(zhuǎn)速相同。差動機(jī)構(gòu)的其他兩個部分分別與另一個電動機(jī)/發(fā)電機(jī)以及輸入軸相連。（圖2）
圖2 輸入功率分流式構(gòu)型簡圖
在輸出功率分流模式中，輸入軸及一個電動機(jī)/發(fā)電機(jī)共同與差動機(jī)構(gòu)的某一部分相連，三者轉(zhuǎn)速相同。差動機(jī)構(gòu)的其他兩個部分分別與另一個電動機(jī)/發(fā)電機(jī)以及輸出軸相連。（圖3）
圖3 輸出功率分流式構(gòu)型簡圖
在復(fù)合功率分流模式中，輸入軸、輸出軸以及兩個電動機(jī)/發(fā)電機(jī)與差動機(jī)構(gòu)的不同部分相連，轉(zhuǎn)速不同。（圖4）
圖4 復(fù)合功率分流式構(gòu)型簡圖
 
3.1.2 功率分流式變速器的特點
在一個功率分流式的變速器中，輸入功率途經(jīng)機(jī)械路徑和電路徑被傳遞至輸出軸。例如，圖5展示了在輸入功率分流模式下，輸入功率在機(jī)械路徑和電路徑之間的分流比，這一比率隨著變速器的傳動比而改變。當(dāng)功率被分流至電路徑，機(jī)電之間的能量轉(zhuǎn)換將發(fā)生兩次。這就導(dǎo)致了功率的損失。這一損失也是變速器效率低下的主要原因。圖5展示了電路徑的功率損失，僅考慮了功率轉(zhuǎn)換帶來的損失。當(dāng)MG1轉(zhuǎn)速為0時，電路徑的功率損耗為0。這一點便是一個高效率點（圖中圓圈部分）。在變速器增速速比范圍內(nèi)，以高效點為基準(zhǔn)，功率在MG1和MG2之間循環(huán)。
圖5 從輸入軸至輸出軸的輸入功率分流比
圖6展示了不同功率分流模式下變速器的效率，此效率僅考慮了功率轉(zhuǎn)換損失（下文以“理論效率”代指此效率）。電動機(jī)/發(fā)電機(jī)與差動機(jī)構(gòu)的連接點、差動機(jī)構(gòu)的齒數(shù)比均根據(jù)實際設(shè)定。該圖也展示了一個大排量乘用車內(nèi)變速器各傳動比的使用頻率。
在城市工況下變速器常用的傳動比范圍內(nèi)，所有的功率分流模式都有著很高的理論效率，尤其是復(fù)合功率分流模式，而且其有兩個最高效工作點。
圖6 理論效率比較
即便是在高傳動比工況下，輸入功率分流模式也保持了一個高理論效率。這意味著在高傳動比工況下，此種模式的電路徑功率要小于其他工作模式，這有利于降低電動機(jī)/發(fā)電機(jī)的功率輸出。
輸入功率分流模式僅有一個行星齒輪組和電動機(jī)/發(fā)電機(jī)，結(jié)構(gòu)簡單，而且在較廣的速比范圍內(nèi)都保持著較高的效率。
3.1.3 純電驅(qū)動工作模式下的性能
在輸入功率分流模式中，輸出軸和MG2相連。因此，在純電驅(qū)動工作模式下以及能量回收時，MG2的轉(zhuǎn)矩可以直接施加給輸出軸。
與此相反，由于在其他工作模式下電動機(jī)/發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩是通過差動機(jī)構(gòu)傳遞給輸出軸的，在差動機(jī)構(gòu)中還需要另一個電機(jī)/發(fā)電機(jī)產(chǎn)生反作用力矩。此力矩會導(dǎo)致功率損失的產(chǎn)生。
另外，在輸入功率分流模式和復(fù)合功率分流模式中，由于電動機(jī)\發(fā)電機(jī)不與發(fā)動機(jī)軸相連，兩個電動機(jī)/發(fā)電機(jī)的力矩可以在純電驅(qū)動模式下驅(qū)動車輛。如果連接發(fā)動機(jī)輸出軸還可進(jìn)行能量回收。
3.1.4 發(fā)動機(jī)啟停性能
如前文所述，在輸入功率分流模式下輸出軸和MG2連接。因此當(dāng)發(fā)動機(jī)啟停時，由輸出軸傳遞過來的轉(zhuǎn)矩波動可以很輕易地被MG2的轉(zhuǎn)矩抵消。
3.2 需要被提高的性能
下文將介紹適用于RWD大排量汽車的新型混動變速器的三個主要設(shè)計目標(biāo)。
3.2.1 高速工況下燃油經(jīng)濟(jì)性的提升
高速工況下，大排量發(fā)動機(jī)常選擇理論效率較低的低傳動比以降低發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速，此傳動比設(shè)定的目的也在于提高發(fā)動機(jī)熱管理效率并降低高速工況下的噪聲。（圖7）

改進(jìn)的目的在于拓寬高效率的傳動比范圍，此范圍應(yīng)向高速工況下常用傳動比的方向拓展。
圖7 舊混動變速器的理論效率以及傳動比使用頻率
3.2.2 加速性能的提升
圖8展示了舊混動變速器中MG1與輸入軸的轉(zhuǎn)速之比。在變速器減速速比范圍內(nèi)，該比值大于1，即MG1的轉(zhuǎn)速高于輸入軸轉(zhuǎn)速。因此，如圖9所示，在車輛起步時發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速是受到MG1額定轉(zhuǎn)速的限制的。
加速性能的提升在此主要依靠在車輛起步階段提升發(fā)動機(jī)的限制轉(zhuǎn)速。
圖8 舊混動變速器的電機(jī)轉(zhuǎn)速與輸入軸轉(zhuǎn)速之比
圖9 舊混動變速器的發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速限制
3.2.3 熱管理性能的提升
圖10表明：舊混動變速器中，在高負(fù)載工況下電路徑的功率損失較高。因此，舊混動變速器中的電子元件需要有高耐熱性和良好的散熱性能。
熱管理性能提升的思路在于降低高傳動比和高輸入功率工況下電路徑輸入功率的比率。
圖10 舊混動變速器中電路徑功率損失
4.改進(jìn)的思路和實現(xiàn)方法
下文將介紹一種多級變速的方法，旨在增加高效工作點。此方法基于的模式是高性能的輸入功率分流模式。此方法也與另外兩種方法在獲得的最高效工作點數(shù)量上進(jìn)行了對比。假設(shè)變速器中有三個行星齒輪組，則每種方法都可以獲得4個最高效工作點。
4.1 多高效工作點的思路以及多級變速的方法
為了提升變速器的性能表現(xiàn)，對各種不同的方法進(jìn)行了研究評估，并最終選用了多高效工作點的思路。
對該思路進(jìn)行進(jìn)一步研究的基礎(chǔ)是選用了輸入功率分流的模式。
多級變速是實現(xiàn)多高效工作點最終選用的方法，結(jié)構(gòu)上在輸出軸后方添加了一個換擋元件。（圖12）舊結(jié)構(gòu)如圖11所示。
圖11 適用于后輪驅(qū)動豪華車型的舊混動變速器構(gòu)型
圖12 多級變速混動變速器構(gòu)型
4.2 多級變速方法與其他方法的對比
多級混動變速器包括一個換擋機(jī)構(gòu)（兩個行星齒輪組）和一個功率分流機(jī)構(gòu)（一個行星齒輪組）?？偣部蔀樽兯倨鲃?chuàng)造4個高效工作點。
多功率分流模式的方法以及多傳動比的方法也可增加高效工作點的數(shù)量，且均為4個。上述三種方法的定義如下：
① 多級變速方法：在功率分流裝置的前方或后方緊挨著布置了一個換擋元件。
② 多功率分流模式方法：工作中可切換不同的功率分流模式。
③ 多傳動比方法：工作中可切換功率分流裝置中的轉(zhuǎn)動部分（圖13）。
考慮到此變速器的應(yīng)用范圍是后驅(qū)汽車，需要3個行星齒輪組，2個電機(jī)。下一步將分析不同構(gòu)型下的高效工作點數(shù)量。
圖13 多傳動比方法下的杠桿圖
流程①到流程③可分析出所有可用的功率分流模式。每一種模式下都需要1到2個行星齒輪組。流程④，⑤，⑥則提取出了所有功率分流模式下可用的構(gòu)型。
①根據(jù)兩個電動機(jī)\發(fā)電機(jī)和輸入軸相對位置定義了三種構(gòu)型。（圖14，圖15，圖16）
②在上述三種構(gòu)型中，根據(jù)輸出軸的位置又可定義13種功率分流模式。其中輸入輸出軸相同的情況不予考慮。（圖14，圖15，圖16）
③在上述的13種功率分流模式中提取出可用的模式（至少有一個高效工作點）。
④將提取出的可用模式中的任意兩種或三種模式通過三個行星齒輪組進(jìn)行組合，形成不同構(gòu)型。
⑤考慮純電驅(qū)動模式下的效率、模式的復(fù)雜性以及傳動比變換的簡易性對所有構(gòu)型進(jìn)一步提煉。
⑥考慮構(gòu)型的實用性，再次提煉。
⑦計算每種構(gòu)型下高效點數(shù)量。
圖14 電機(jī)-輸入軸-電機(jī)布置模式下的杠桿圖
圖15 電機(jī)-電機(jī)-輸入軸布置模式下的杠桿圖
圖16 電機(jī)-電機(jī)輸入軸布置模式下的杠桿圖
圖17，18，19展示了部分分析結(jié)果。三個行星齒輪相互連接，有5個轉(zhuǎn)動元件。圖17展示了具有一個最高效工作點的輸入功率分流模式。圖18，19是兩個復(fù)合功率分流模式，每一種模式有兩個最高效工作點。但圖19中有一個輸出元件具有負(fù)轉(zhuǎn)速。此時產(chǎn)生的高效工作點不適用于前進(jìn)的工況。因此這個系統(tǒng)總共有1+2+1=4個高效工作點。
圖17 輸入功率分流模式下的杠桿圖
圖18 復(fù)合功率分流模式1下的杠桿圖
圖19 復(fù)合功率分流模式2下的杠桿圖
5.多級變速的優(yōu)勢
每一種功率分流模式以及功率分流比需要電動機(jī)/發(fā)電機(jī)具有特定的性能來實現(xiàn)CVT模式和啟動發(fā)動機(jī)模式。而在多級變速的理念中功率分流機(jī)構(gòu)僅有1種功率分流模式和功率分流比，所以可以降低對電動機(jī)\發(fā)電機(jī)的要求，并且能夠獲得諸多高效工作點。這意味著多級變速器十分具有競爭力。下文將詳細(xì)介紹多級變速器的優(yōu)勢。
5.1 理論效率
圖20展示了多級混動變速器的理論效率。我們對換擋元件中的4擋速比進(jìn)行了優(yōu)化，以適應(yīng)70%的高速工況。這樣以來在高速工況下可以獲得更高的變速器效率。
圖20 變速器的理論效率
5.2 發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速限制
圖21展示了多級混動變速器中MG1轉(zhuǎn)速與輸入軸轉(zhuǎn)速之比。多級變速器的結(jié)構(gòu)使得即使在高傳動比范圍內(nèi)電機(jī)也可以控制在較低的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)。正如圖22所示，這極大地提高了發(fā)動機(jī)的限制轉(zhuǎn)速。
圖21 電機(jī)轉(zhuǎn)速與輸入軸轉(zhuǎn)速之比
圖22 取決于電機(jī)額定轉(zhuǎn)速的發(fā)動機(jī)限制轉(zhuǎn)速
5.3 高速工況下燃油經(jīng)濟(jì)性
圖23展示了新、舊兩款變速器在高速巡航工況下燃油經(jīng)濟(jì)性的仿真結(jié)果。兩款變速箱均配備3.5升自然吸氣式發(fā)動機(jī)。相比于舊款變速器，新款變速器在高速工況下的高效點增多，因此提升了至少5%的燃油經(jīng)濟(jì)性能。
圖23 高速巡航工況下的燃油經(jīng)濟(jì)性
5.4 加速性能
圖24展示了新、舊兩款變速器在加速起步工況下仿真結(jié)果。同樣，兩款變速箱均配備3.5升自然吸氣式發(fā)動機(jī)。
裝備了新款多級變速器的汽車在起步后加速度至少提高了30%（圖中a點）。這也是由于新型變速器的結(jié)構(gòu)：其不僅放大了來自MG2的扭矩，也放大了發(fā)動機(jī)的扭矩。
另外，由于發(fā)動機(jī)的限制轉(zhuǎn)速進(jìn)一步提升，即使在較低的車速下也可以施加較大的發(fā)動機(jī)扭矩了。
因此，0-60mph（約100km/h）的加速時間至少縮短了17%。（c點）
由于發(fā)動機(jī)的限制轉(zhuǎn)速得到了提升（d點），多級混動變速器也有了CVT模式。這樣可用的發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速范圍得到進(jìn)一步擴(kuò)大。一來可以使得線性感增加（隨著車速增加發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速也增加），二來使得高轉(zhuǎn)速下較高的發(fā)動機(jī)功率可以被利用。
a.加速度
b.車速
c.發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速
圖24 起步加速性能
5.5 熱管理性能
圖25展示了新、舊兩款變速器的電路徑功率損失率。功率損失有著明顯的下降。然而，需要注意的是，在新的多級混動變速器中電動機(jī)/發(fā)電機(jī)是特別設(shè)計的。
圖25 電路徑功率損失率
6.結(jié)論
本篇論文介紹了提升大排量后驅(qū)混動車型的燃油經(jīng)濟(jì)性，熱管理性能以及加速性能的方法，主要的思路是增加高效點?；谳斎牍β史至髂Ｊ降亩嗉壸兯倨鲃t是一種解決方案。
與之前的混動變速器相比，多級混動變速器在高速工況下的燃油經(jīng)濟(jì)性至少提高了5%，最大加速度提升了至少30%，0-60mph加速時間至少縮短了17%。熱管理性能也有了明顯的提升。
原文參考文獻(xiàn)
[1] Kamichi, K., Okasaka, K., Tomatsuri, M., Matsubara, T.,"Hybrid System Development for a High-Performance Rear Drive Vehicle," SAE Technical Paper 2006-01-1338, 2006, doi:10.4271/2006-01-1338.
[2] Adachi, M., Endo, H., Mikami, T., Yagi, K., "Development of a New Hybrid Transmission for RWD Car," SAE Technical Paper 2006-01-1339, 2006, doi:10.4271/2006-01-1339.
原作者聯(lián)系方式
Tatsuya Imamura
Project Manager
Advanced Drivetrain Engineering Div.
TOYOTA MOTOR CORPORATION
Tel:+81-80-6986-4894
Fax:+81-55-997-7283
tatsuya_imamura_ab@mail.toyota.co.jp
 
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