混动五讲之三:混动神器——行星齿轮组

混动五讲之三:混动神器——行星齿轮组

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行星齿轮结构其实在汽车领域的应用已经很久了,市面上大部分自动变速箱都是使用若干组行星齿轮,再配合液力变矩器来达到变速的功能。而世界上第一款在商业上获得成功的混合动力汽车,即1999年推出的丰田普锐斯一代,也是采用的这种结构。

行星齿轮差不多长下面这个样子,其中sun gear是太阳轮,ring gear是齿圈,planet carrier是行星架。这三个机构分别可以连接三个动力输出或输入端。如果固定其中任何一个,则另外两个相当于普通的齿轮咬合。如果固定其中两个,则整个行星齿轮被锁死。值得注意的是,planet gear行星轮并不连接任何输入输出机构,它也一直是自由转动的,否则整个行星齿轮组都不能转动。连接动力的是行星架,行星架固定以后,行星轮只自转,但不围绕太阳轮公转。

它动起来是下面这样子



前文介绍的一般并联使用的机械耦合,即两个输入端的齿轮同时啮合在输出端的齿轮上,最显著的特点是三个齿轮需要有相同的速度也就是齿速。根据齿轮的大小不同的情况下,两个输入端的扭矩可以自由组合,但二者的转速需要成一定的固定比例。

而行星齿轮组的各部分转速只需要满足一个线性关系就可以了。

用下图中右侧的杠杆图可以很清楚的解释三个转速的关系,S和R分别是太阳轮和齿圈的半径(也可以认为是太阳轮和齿圈的齿数)

在很大程度上,动力流的扭矩和速度都被解耦了。这也是基于行星齿轮的混合动力被称为“动力分流”的原因,也就是说,基于行星齿轮组的混合动力可以相对自由地将一个输出/输入轴的动力分流到两个输入/输出轴。

一个最简单的动力分流混合动力的构造如下图所示。图中lock 1和lock 2都是锁止器,可以分别固定连接发动机的太阳轮和连接电机的齿圈。

电机、发动机和输出轴的位置是可以变化的,比如下面深入讲解的这种构型,跟早期Prius一样,内燃机在行星架,电机在太阳轮,输出轴在齿圈,如下图所示。(Prius多一个电机在输出轴)

它的10种工作模式下面一一用杠杆图说明。图中粗实线与三纵轴的交点高低表示正负转速的大小,箭头长度表示扭矩大小。因为转速呈线性关系,因此杠杆是一条直线。而扭矩则可以根据正负功率相等来计算(功率=转速x扭矩)

1.车辆静止时,如果电池电量过低,电机正转,正扭矩,带动发动机启动。这替代了原本汽车上12V启动电机的功能。

2. 一旦发动机启动,则发动机为正扭矩,在热车的同时带动电机给电池充电。

3. 正常情况下,汽车静止时都不必启动发动机,在低速行驶时都可以用电机驱动,此时行星架的锁止器锁止了发动机,电机反转并输出正扭矩(与转速同向的扭矩),带动汽车前进。在这个构型下必须有锁止器,否则一旦油门过深,电机电流过大,扭矩过大,就很容易带动发动机倒转。

4. 如果是在车速较低的情况下刹车制动,则车轮有负扭矩,带动电机输出负扭矩给电池充电。

5. 如果是在车速较低的情况下持续加速,车速较高,电机驱动车轮已经没有发动机直接驱动车轮高效,则电机会加大扭矩,带动发动机启动。

6. 发动机启动后,太阳轮的锁止器将电机固定,发动机运转在高效区间,直接驱动车轮。如果没有锁止器,一旦油门过深,就很容易将电机带出转速来,从而给电机充电。

7. 如果车速进一步上升,那么如果要将发动机继续保持在高效区间,受三者转速成线性关系的限制,就必须让电机参与工作。如果此时驱动汽车所需功率小于发动机高效区间输出功率,则多余功率带动电机输出负扭矩,给电池充电。

8. 如果此时驱动汽车所需功率大于发动机高效区间输出功率,则电机输出正扭矩作为补充。

9. 如果在低车速的情况下,需要急加速,则电机和发动机同时输出正扭矩。需要注意的是,因为电机转速的限制,发动机的转速并不可能过高,仍然需要保持在中低转速,这限制了发动机的动力输出。

10. 在高车速时急加速,则可以使发动机和电机都保持高转速和大扭矩,因此足以应付高速公路上上坡超车的需要。

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,就实现了甚至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,因为电机转速范围大,而且在各个区间效率都相对高,因此可以通过调整电机的转速来连续调整发动机的转速,因此也叫做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。

但这个构型显然是有其局限性的。

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,电机也需要运转在效率较低的较高转速。

下图为二代Prius使用的电机的效率图,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,比内燃机驱动还多了两步,因此电机如果不能维持最高效率,很可能也并不能节能。

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,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。

如何对此进行改善呢?

第一种方案是像下图这样,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。

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,一条通过变速后经过太阳轮驱动输出轴的行星架;一条经过齿圈驱动输出轴的行星架。这样就可以兼顾高速和低速最佳速比不同的需求。

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。

这个方案相比前面的有几个好处:

  1. 有两个电机且有各自的传动路径,就意味着不仅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,省去了离合器去切换。而且因为纯电驱动模式下,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。这个系统也能做到不错的效率。

而第三、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。

而如果是要满足插电混动车型纯电驱动需要有更高功率的需要,就只需要很巧妙的增加一个单向离合器就可以了。在前面的杠杆图3中可以看出,当电机反转单独车轮前进时,如果发动机连接的行星架没有锁止器,则会被电机带动反转,而只要加装一个单向离合器(类似自行车使用的棘轮),那么发动机只有正转时才与行星齿轮组有机械连接,就不需要安装成本更高的离合器,而且切换也更平顺。这也是丰田在最新一代的丰田Prius插电混动(即Prius Prime)中采用的方案。

吉利科力远的混合动力系统也可以看做这一构型的变种,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,而不是像丰田一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。

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RX400h/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。

这个图可能看得更清楚

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。

而在第二代Volt中,通用也增加了一组行星排,而且与丰田和科力远实际上的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。

简化后的图示如下

而就像一开始提到的,两个以上的行星齿轮组其实还可以用做自动变速箱。因此,很多豪华车的混合动力系统会使用三个行星排,这样一来配合一些锁止器,相当于在实现混合动力的同时,还提供了传统自动变速箱的功能,可以对单独驱动的发动机或电机进行换挡变速,在仍然保持了高效率的同时,也可以提升性能,在各个车速区间都能发挥三个动力源的最大动力,并且像传统有档位的汽车一样,瞬间降档以提高动力输出。

比如雷克萨斯GS和LS的混动系统构型如下图所示

凯迪拉克CT6插电混动的构型如下图所示

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