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进阶文:为什么说行星齿轮组是混合动力系统中的“神器”?(2)

时间:2019-05-28 03:14来源:8N.org.Cn 作者:天剑狂刀私服 点击:

因此,在只需要一个行星排(行星齿轮组)且没有变速箱的情况下,就实现了比普通串并联更多的工作模式,使得内燃机基本上可以保持在最佳转速和最佳扭矩输出,这也是为什么一般这种混合动力不被称为并联的原因——尽管它实际上只是一种更为高级的并联。

此外,由于电机转速范围大,而且在各个区间效率都相对高,所以可以通过调整电机的转速来连续调整发动机的转速——因此它也叫做E-CVT,这种刚性连接不但比基于钢带的普通CVT传动效率更高,而且也更平顺。

但这个构型(行星齿轮组)显然也是有其局限性的——

首先,电机单独驱动车辆时,只有一条减速路径,而且这条减速路径最终传动比较高,使得在行车速度较低时,电机也需要运转在低效率的较高转速。

下图为第二代普锐斯使用的电机效率图,横轴为转速,纵轴为扭矩,等高线表示效率(以百分比为单位),可以看出,尽管电机高效区间更宽泛,但仍然有更为高效的扭矩和转速区间。考虑到在不插电的混动汽车中,电量完全来自于发动机带动电机发电,电驱的所有能量实际上经过了内燃机->发电机->电动机(可能是同一个电机)三步损耗——比内燃机驱动还多出两步,因此电机如果不能维持在最高效率,很可能也并不节能。

进阶文:为什么说行星齿轮组是混合动力系统中的“神器”?

其次,在发动机的转速适合单独驱动车轮、但所需扭矩却过高或过低时,没办法通过电机调节发动机输出扭矩,此时发动机无法工作在最佳区间。如果要让电机工作,则只能同时改变发动机转速,而此时发动机效率也会下降。

最后,在车速较低时,受电机转速限制,发动机只能维持在低转速,这样尽管效率较高,但极限动力却受到了限制。

那么,如何对这些局限进行改善呢?

第一种方案是如下图这样,在离合器1、2接合、离合器3断开时,电机通过行星齿轮与发动机并联;或者将离合器2断开,同时将离合器3接合,锁止器2锁止,这时电机则与发动机机械耦合。此外,也可以将离合器1断开,电机单独通过太阳轮驱动车轮。

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如果说电机和发动机可以在电连接和机械连接之间切换是“串并联”,那么这种构型大概可以称为“并并联”——发动机和电动机的连接方式可以在两种并联方式中切换。(或者一定要把“动力分流混动”称为混联的话,也可以叫并混联)

这样一来有两个好处:

1.在车轮转速对应的发动机转速正好处在高效区间、但扭矩不适合时,可以将电机与发动机机械耦合,从而在不改变发动机转速的情况下调节其工作扭矩。

2.通过切换连接方式,电机单独驱动车轮有两条不同的减速路径:一条是通过变速后经过太阳轮驱动输出轴的行星架;一条是经过齿圈驱动输出轴的行星架,这样就可以兼顾在高速和低速时实现最佳速比的不同需求。

不过,,这个方案需要3个离合器,成本并不低,因此第一款商业上成功的混动汽车——一代丰田普锐斯并没有采用这种方案,而是把主电机直接套在齿圈连接的输出轴上,然后在太阳轮连接功率较小的发电/电动机。

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这个方案相比前面的有4个好处:

1.有两个电机且有各自的传动路径,就意味着电机单独驱动车轮时,不仅减速比可以变化,而且高速电机和低速电机可以分别选择不同的型号——高速电机选用功率更大的,低速电机选用功率更小的。

2.虽然多了一个电机,但两个电机可以同时单独驱动车轮或给内燃机加力,因此每个电机都不用太大,而且性能更好。

3.一个电机并联、一个电机通过行星齿轮耦合,各司其职,省去了用离合器去切换。而且因为在纯电驱动模式下,以MG2作为主要动力,增大MG2输出并不会带动发动机反转,因此锁止器也可以省去,成本较低。

4.MG2直接套在输出轴上,传动效率较高而且结构紧凑。

不仅前两代普锐斯都采用这一结构,到目前为止,福特的混合动力仍然在使用这一构型,只不过福特混动的主电机更大,而副电机更小,也能做到不错的效率。

第三、第四代普锐斯开始,丰田进一步改进了这一构型,采用了双行星排,不过第二组行星排的行星架为永久固定,因此第二组行星齿轮只相当于将MG2增加了一个减速齿轮(但结构更紧凑),更适合低速时驱动车轮。

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吉利科力远的混合动力系统也可以看做是这一构型的变种,只是双行星排的构型变成了拉威娜式,主电机成为了动力分流系统的第四轴,而不是像丰田那样实际上仍然只有三个轴。同时在第一组行星排的电机和发动机处都增加了锁止器,进一步提升了效率。

而这些构型只要在后轴增加第三个电机,也就实现了混动四驱。绝大部分基于行星齿轮的四驱系统,比如雷克萨斯的RX400h和450h四驱、汉兰达混动四驱、福特翼虎混动四驱,都是如此。

通用的混动系统则相对这一大类混动又有了明显的改进:

在第一代雪佛兰Volt插电混动车型中,虽然也是单行星排,但输出轴从齿圈移到了行星架,主电机从输出轴的齿圈,移到了太阳轮的输入轴,副电机则与发动机机械耦合,都在齿圈输入,同时它还拥有多达三个离合器/锁止器。

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这种构型虽然成本远比前面几种结构高,但有下面两个优势——

1.增加了串联模式或者也可以叫增程模式。离合器2断开、离合器1和3接合时,发动机和车轮之前没有任何机械连接,发动机可以持续以最佳转速和扭矩带动副电机MGA发电,然后主电机MGA以固定速比驱动车轮,如果所需功率小于发动机功率,则电池表现为充电,反之表现为放电。严格的说,这种构型才是真正的“混联”。

2.不仅两个电机可以分别以不同速比单独驱动电机,而且在大电机单独驱动电机时,小电机可以给大电机调速,这使得整套系统在使用纯电驱动时效率也很高。

这种构型成本较高,但很适合插电混动车型使用。

实际上,单行星排根据各轴连接的动力源不同,理论上有多达12种的组合可能,一代普锐斯和一代Volt只是使用了其中两种,不过并不是所有的构型都是合理的。

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而在第二代Volt中,通用也增加了一组行星排,并且与丰田、科力远实际上的1行星排和1.5行星排混动系统不同,这套系统是真正的双行星排,自由度要大得多。

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而丰田在最新一代的丰田Prius插电混动(即Prius Prime)中,为了在纯电模式下也尽可能减少发动机的介入,增加了两个离合器。

可以跟通用二代Volt对比一下——

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