通用汽车混动技术解析

文章来源:发动机技术 点击数:106 发布时间:2017-10-17
这次我们拆解的HEV全混动系统是通用最新一代模块化电驱系统,它由一台1.8L自然吸气发动机和两组永磁同步电机以及双排行星齿轮和两个离合器构成,并配以高度集成的TPIM电控模块。电池系统则选用了高性能的三元锂电池组,容量为1.5kWh。
通用汽车混动技术解析

通用汽车混合动力系统技术概况

这次我们拆解的HEV全混动系统是通用最新一代模块化电驱系统,它由一台1.8L自然吸气发动机和两组永磁同步电机以及双排行星齿轮和两个离合器构成,并配以高度集成的TPIM电控模块。电池系统则选用了高性能的三元锂电池组,容量为1.5kWh。

动力系统方面,这套电驱系统可以实现电机单独驱动、发动机与电机混合驱动等多种驱动形式。最大综合输出扭矩可达到380N·m,0-100km/h加速时间仅用8.9s,百公里油耗为4.7L/100km,与上一代君越eAssist混合动力车型相比,油耗降低35%。

除了君越30H,这套系统还被通用旗下的迈锐宝XL混动车型所使用

与目前市面上主流的混动技术相比,它在燃油经济性和系统最大综合输出功率方面都有不错的表现。在混和动力车型中油耗处于中游水准,与凯美瑞双擎等老牌日系对手相比也毫不逊色(凯迪拉克CT6、宝马530以及沃尔沃S60L的混合动力车型采用插电式混合动力技术,可以在短途使用之后由城市电网进行充电,因此官方公布的综合油耗更低)。

工作原理及TPIM电控系统拆解

君越30H上的这套电驱系统主要有纯电机驱动、汽油发动机驱动以及油电混合驱动三种驱动模式,发动机与两台电动机之间通过两套离合器和两组行星齿轮相连接,并配合ECVT变速箱实现多种驱动模式之间的无缝切换。

从这个示意图可以看到,发动机、电动机、离合器、行星齿轮组以及电池等部件的连接关系,发动机直接与行星齿轮组1的外齿圈相连,为了获得平顺的动力输出,在它们之间设有一套输入扭矩减振器,与自动变速箱液力变矩器的减振结构类似。电机1和电机2分别连接在行星齿轮1/2的太阳轮上,这套系统输出轴都在行星架上。离合器2一端固定,一端与行星齿轮2连接,通过同时锁止两个离合器可以实现固定齿比的行驶模式。

电控系统拆解:集成度很高

言归正传,先回到位于这套电驱系统正上方的电控系统上。这套名为TPIM的电控系统将高压逆变模块集成在了壳体内部,与丰田在用的THS混动系统相比集成度更高,安全系数也高一些。

接下来打开TPIM控制系统的外壳,里面就是这个控制系统的本体了,在其内部集成了电机1和电机2的供电模块。同时通用的这款电驱系统采用的是油冷方案,所以在电控系统内部还安置有电子油泵的驱动单元。

与目前常见的混合动力车型上使用的电机控制单元和电机分体式布局不同的是,这套电驱系统将电机控制器集成到了TPIM内部,在这里就已经将电池的高压直流电转换为了驱动两个电机所需的三相交流电。不仅省去了电机控制器之间的连接线路,同时还提高了产品的可靠性和安全性。好了 电控系统和相关原理的说明就到这里,下面我们翻页进入这套电驱系统机械单元的拆解和说明里去。

机械单元拆解

拆开电驱单元的外壳,在动力输出侧内部的第一层还是我们常见的机械结构,可以看出这套系统的主减速器采用行星齿轮结构,相比锥型齿轮具有更好的平顺性和更低的噪音。同时我们还可以看到驻车机构的驻车棘爪和驻车齿轮直接连接在了链轮总成之上,而电子油泵则安置在整个电驱系统的下方。这套系统的电机、离合器以及行星齿轮均通过油液进行冷却或润滑。

继续往下拆解就可以看到2号电机了,这个电机在低速情况如起步、倒车等情况下将会独立驱动车辆,它是一台永磁同步电机,具有60kW/275N·m的动力输出能力。在技术方面,它的定子绕线采用了矩形截面的导线,相比传统圆形截面的导线具有更低的阻抗,同时还能在工作时优化绕组的高频振动,达到降低电机噪音的目的。

在2号电机下方可以看到第二组行星齿轮,通用在这套电驱系统上采用了双排行星齿轮的设计,与丰田THS混合动力系统所采用的单行星齿轮设计相比虽然在结构上更为复杂,不过电动机的特性是高转速区间扭矩衰减严重,因此丰田THS混合动力系统为了提高中高车速下的扭矩输出,采用的是电动机-主减速器-行星齿轮的动力分配方案。通过单行星齿轮负责调配两个电机和发动机必然存在一些局限性,这时双排行星齿轮的优势就得以体现了,它具有更为宽泛的传动比调节范围可以使得发动机在更广的速度区间内都处于经济工作状态,并且获得更为多样的传动模式以适应更多的驾驶状态,从而达到优化动力节省燃油的目的。

1号电机同样是一台永磁同步电机,动力输出比2号电机小一些,具有54kW/140N·m的动力输出能力。在工作时,这台电机主要起到辅助输出的作用,尤其是在应对高速行驶的情况下,它会将发动机的动力转化为电能用于驱动电机2或者是储存于电池中。

驱动模式解读

简单来讲,搭载了双电机与双行星齿轮的电驱系统有一种纯电动驱动模式和良种发动机+电机混合驱动的工作模式。其中纯电动驱动模式主要应用于低速和中低负荷的行车状态上,如日常起步以及倒车这样的用车场景。

在车辆处于中低负荷区间内时,电驱系统可以独立驱动车辆,此时发动机并不介入工作。由于前面提到过,发动机通过行星齿轮1的外齿圈输出动力,因此此时离合器1 处于断开状态,电机1也不会介入工作,车轮由电池为电机2提供能量驱动。若是处于减速状态时,车轮拖动电机2反向为电池进行充电,达到能量回收的目的。

当起步之后车辆进入匀速行驶状态,这套电驱系统会进入固定齿比的混和动力驱动模式。在此模式下,离合器1和离合器2均处于锁止状态。电机1不介入工作,行星齿轮1的太阳轮锁止,行星齿轮2的外齿圈也处于锁止状态,发动机和电机2的动力经由两个行星齿轮的行星架输出。需要回收动力时,同样由电机2进行能量回收。

随着车速的增加,当车辆需要更多动力加速时,第三种模式便被激活了。此时发动机的动力会经由两组行星齿轮被分割,一部分用于直接驱动车轮。另一部分则进入电机2转化为电能驱动电机1,这时行星齿轮1就有了第二股从太阳轮输入的动力,这股动力与从外齿圈输入的发动机动力合成后从行星齿轮1的行星架输出驱动车轮。需要回收动力时,则同样通过电机2进行能量回收。在日常行车过程中,控制系统会根据需要在固定齿比模式和复合模式之间快速切换,根据实际工况选择合适的驱动模式。

文章总结:

通过对君越30H和迈锐宝XL混合动力车型上所使用的这套电驱混合动力系统的拆解可以看出,通用的工程师通过使用双排行星齿轮和双电机再加上两组离合器的配合使得这套混动系统具有了更细致的动力分配方案。因此它能够在更广泛的速度和扭矩区间内实现动力和燃油经济性之间的平衡。尤其是在高速行车的工况下,可以避免电机处于高转速运行区间,提高了系统的综合效率。

而在系统集成度方面,通用的这套电驱系统集成化程度很高,电机、电机控制器、离合器、离合器控制器等元件都集成在了一起,不仅体积更小,而且对元器件尤其是电机控制器的保护更好。整套系统的体积与传统的6AT变速箱相差无几,更利于在通用旗下各平台车型上进行布局。

因此综合来看,这款电驱系统具有变速范围宽、驱动模式适应速度区间广的优点,再加上高度集成且体积小的优点,能够适用于多平台广泛推广。我们也期待能够在以后看到更多的别克品牌以及雪佛兰品牌车型上搭载这款混合动力系统。