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『汤叔解惑』通用Voltec双行星齿轮混动技术详解

2019-09-15 09:15

来自 :电动邦

作者 :汤启隆

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在美系阵营当中,通用算是?#24403;?#26032;能源最早的车企了。早在上世纪90年代,通用就设计制造出来了一款挂GM标志的纯电动车,只是由于当时成本过高、性能有限,完全没有商业化价值,所以最终没有量产上市销售。不过从理念上来说通用算是非常超前的,也是在上世纪90年代就开始了汽车的电气化构思。同时代的丰田向市场推出了燃油为主电动为辅的普锐斯并大获成功。直到08年金融危机之后,通用一缓过劲来就立马开始了新能源汽车的研发。

而到了08年之后,无论是电池电驱技术,还是三电系统的制造成本都比90年代有了天翻地覆的变化。再加上特斯拉的崛起,验证了电动车的商业化之路,通用开始重新投入巨资研发新能源技术。这与丰田在90年代试探性的投入普锐斯不同,如果说丰田的普锐斯是想成为一台更省油的燃油车,那么通用的一系列电动技术都预示着要向电气化靠拢。2012年之后,通用旗下的雪佛兰在电动化道路上开始发力,先后推出了增程式混动车型沃兰达、纯电动车型Bolt以及一系列混合动力车型——在新能源技术路线选择上多条腿走路,投巨资?#28304;懟?#26412;期专栏为大家分享通用旗下已经发展了两代并广泛应用的Voltec油电混合动力技术。

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▲采用两组行星齿轮机构,两组离合器以及一个单向离合器构成的动力分流系统

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这套Voltec混动系统的核心,是由两组行星齿轮构成。如上图,行星齿轮1和行星齿轮2?#30452;?#20026;两台电机实现动力分流。这两台电机在Voltec系统中被称为MGA电机和MGB电机。MGA电机功?#24335;?#23567;(小电机),只有48千瓦,最大扭矩118牛米,主要用于发电,也可以用于驱动;MGB电机功?#24335;?#22823;(大电机),最大功率87千瓦,最大扭矩280牛米,主要用于驱动车辆行驶,也可以在减速时实现制动能量回收发电。

这套混动系统配备的发动机为一台直列4缸发动机,最大功率75千瓦,最大扭矩140牛米。MGA与发动机的耦合,与我之前专栏中介绍的丰田Hybrid混动系统极为相似。发动机的动力输出给外齿环(Ring Gear),再经行星齿轮把动力分流给行星齿轮托架和太阳齿轮。行星齿轮托架与传动轴相连,动力直接输出给车轮;太阳齿轮与MGA相连。

就像丰田的Hybrid混动系统一样,发动机的动力经过行星齿轮1的分流,既可以用来驱动车辆行驶又可同时驱动MGA电机发电。由于采用的是与普锐斯相同的转速耦合方式,所以发动机可以以?#25105;?#36716;速介入,发动机转速不需要与车轮转速同步。这样就实现了类似于丰田普锐斯的经济性,也就是说发动机可以始终保持在经?#31859;?#36895;发电和驱动车辆行驶。

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? ? ? 这套系统最大的不同,就是MGB电机(大电机)与传动系统的耦?#20808;?#28982;采用了转速耦合。这与丰田普锐斯的MG2电机采用的转矩耦合截然不同。我们知道,正因为丰田Hybrid的主电机与车轮为刚性相连(没有经过行星齿轮分流,也就是转矩耦合),所以主电机的转速与车速必须成一定的比例关系。而通用的Voltec主电机MGB仍然是通过一个行星齿轮将动力分流到了传动系?#22330;?/span>

这里最精妙的设计在于,Voltec不单单只是增加了一个行星齿轮2用于MGB电机的介入,还在行星齿轮2的外齿环上增加了一个离合器(Clutch 1)和一个制动器(Clutch 2)。通过离合器(Clutch 1)可以控制外齿环的动力与行星齿轮1的太阳齿轮接通或者分离;通过制动器(Clutch 2)可以将行星齿轮2的外齿环固定住,这样就实现了单一齿比的转矩耦合。当制动器固定住外齿环后,MGB电机的动力传输给太阳齿轮,然后带动行星齿轮公转,把动力通过固定齿比传递给了行星齿轮托架,最终传递给了车轮,实现了转矩耦合。

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? ? ? 当行星齿轮2的制动器(Clutch 2)分离,离合器(Clutch 1)接通后,MGB电机的部分动力又可以分流给行星齿轮1的太阳齿轮,这样就不需要与车轮转速保持同步,实现了转速耦合。所以,Voltec最大的优势在于它的主电机MGB既可以实现转速耦合又可以实现转矩耦合。当需要大动力?#36864;?#21152;速时,MGB可以在比较高效的转速区间实现转矩耦合,与车轮转速同步运转,实现与发动机动力,MGA电机动力的动力叠加。当车辆速度处于电机转速的非经?#31859;?#36895;区间时,MGB又可以通过转速耦合来实现动力的分流,从而把电机转速保持在最经济的转速区间,节约电能。

当MGA参与驱动时,由于行星齿轮的作用,外齿环会发生反转(与丰田的Hybrid类似,不过由于电机,发动机,传动系统连?#25317;?#40831;轮位置不一样,所以丰田在电动模式下发生反转的是MG1发电机,我在之前的专栏里介绍过),而Voltec的齿环直接与发动机相连,为了防止在纯电模式下发动机反转,在发动机和外齿环之间还布置了一个单向离合器(图中的Ratchet Clutch)所以发动机既不会反转也不会发生超速运转现象。这就意味着Voltec的电动性能不会受到行星齿轮转速的制约,从而提高了纯电行驶的速度。

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▲虽然配备了两台电机和两组行星齿轮,但通用还是把系统重量控制在了119kg,轻量化值得称赞。

■ 总结

总的来说,这套系统在MGA发电机层面的基本原理与丰田普锐斯差不多,只是电动机发动机和传动轴连?#25317;?#34892;星齿轮位置与丰田不一样。而这套系统最大的特色就是,在与MGB电机也就是主行驶电机同样采用了一组行星齿轮连接动力,通过离合器和制动器的控制?#32431;?#20197;实现转速耦合又可以实现转矩耦合。这就使得这套系统的控制模式变得非常丰富,可?#35270;?#19981;同工况的需要,?#32431;?#20197;实现发动机和双电机动力的叠加释?#29275;?#23454;现210千瓦(285匹)538牛米的强劲动力输出,又可以通过转速耦?#31995;?#26041;式,让发动机和主电机MGB始终保持在最经济的转速区间。

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