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『汤叔解惑』通用Voltec双行星齿轮混动技术详解

『汤叔解惑』通用Voltec双行星齿轮混动技术详解
2019-09-15 11:07:34 电动邦

在美系阵营当中,通用算是拥抱新能源最早的车企了。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,投巨资试错。本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。

『汤叔解惑』通用Voltec双行星齿轮混动技术详解

▲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

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分别为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电机功率较小(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电机功率较大(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,所以发动机可以以任意转速介入,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济转速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)与传动系统的耦合仍然采用了转速耦合。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统。

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。当需要大动力低速加速时,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济转速区间时,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,传动系统连接的齿轮位置不一样,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接的行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即可以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,可适应不同工况的需要,即可以实现发动机和双电机动力的叠加释放,实现210千瓦(285匹)538牛米的强劲动力输出,又可以通过转速耦合的方式,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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