新型P2構型混合動力變速箱的工作原理和應用

本文針對一種新型P2構型混合動力變速箱的工作原理進行分析。

1、 工作原理概述

本文介紹一種新型P2構型混合動力系統，主要由發(fā)動機、動力耦合裝置（含行星齒輪、驅動電機、C1離合器和B1制動器）、無級變速器CVT和高壓電動油泵POD組成。該方案屬于P2構型，但與一般意義的P2構型不同，該方案無需起步離合器，由基于行星齒輪的動力耦合裝置實現起步功能，可靠性更好。其工作原理如圖1所示，行星齒輪的太陽輪與發(fā)動機相連，齒圈與電機連接，發(fā)動機和電機的動力經行星齒輪耦合后由行星架輸出至CVT的輸入軸，CVT通過速比無級調節(jié)保證發(fā)動機和電機工作在高效區(qū)間。

圖1 混合動力系統原理圖

通過控制發(fā)動機、電機、C1離合器和B1制動器狀態(tài)，可以實現7種工作模式，如表1所示。

表1 工作模式

2、 模式分析

本節(jié)主要分析7種模式的工作原理，其中涉及到的參數說明如下：s、c、r分別代表太陽輪、行星架和齒圈，ωs為太陽輪轉速，ωc為行星架轉速，ωr為齒圈轉速；Zs為太陽輪齒數，Zc為行星架齒數，Zr為齒圈齒數。

2.1 純電動模式

純電動模式主要用于電池SOC較高時，由電機單獨驅動車輛，通過調節(jié)CVT速比保持電機工作在高效區(qū)間。此時發(fā)動機由制動器B1鎖住，不參與工作。其能量流如圖2所示。

圖2 純電動模式能量流

根據杠桿原理，純電動模式的受力分析如圖3所示，發(fā)動機（太陽輪）保持靜止，行星架輸出轉速與電機轉速線性相關，通過控制電機輸出扭矩滿足車輛行駛動力需求。

圖3 純電動模式受力分析

輸出到車輪的扭矩與電機扭矩之間的關系可表達為：

式中：To——輸出到車輪的扭矩；

Tem——電機輸出扭矩；

iem——電機在PGS部分的速比；

icvt——CVT部分的速比；

ifd——主減速比。

2.2 混動模式

混合動力模式主要用于車速較高或車輛扭矩需求較大的情況，此時發(fā)動機和電機同時參與驅動車輛，通過調節(jié)CVT速比保持發(fā)動機和電機工作在高效區(qū)間。通過控制C1離合器的分離結合可實現2種混合動力模式，分別為連續(xù)變速模式和固定速比模式。

2.2.1 連續(xù)變速模式

當C1離合器處于分離狀態(tài)，發(fā)動機和電機同時驅動車輛即為連續(xù)變速模式。其能量流如圖4所示。

圖4 PGS模式能量流

連續(xù)變速模式的受力分析如圖5所示，發(fā)動機（太陽輪）和電機（齒圈）同時輸出扭矩驅動車輛。此模式可同時調節(jié)發(fā)動機和電機的扭矩和轉速，讓兩者保持在高效區(qū)間運行，是一種省油的模式。

圖5 連續(xù)變速模式受力分析

發(fā)動機和電機的扭矩需要滿足一定的關系，可表達如下：

式中：Teng——發(fā)動機輸出扭矩。

2.2.2 固定速比模式

當C1離合器處于結合狀態(tài)，發(fā)動機和電機同時驅動車輛即為固定速比模式。其能量流如圖6所示。

圖6 并聯模式能量流

固定速比模式的受力分析如圖7所示，發(fā)動機（太陽輪）和電機（齒圈）同時輸出扭矩驅動車輛。此模式下發(fā)動機和電機同轉速，扭矩解耦，可根據實際需求和動力源效率進行分配，適用于行車充電和中高速助力工況。

圖7 并聯模式受力分析

式中：Tc——行星架輸出扭矩。

2.3 發(fā)動機直驅模式

發(fā)動機直驅模式時，C1離合器處于結合狀態(tài)，B1制動器處于分離狀態(tài)，由發(fā)動機單獨驅動車輛，其能量流如圖8所示。

圖8 發(fā)動機模式能量流

發(fā)動機直驅模式的受力分析如圖9所示，C1結合，發(fā)動機（太陽輪）和電機（齒圈）同轉速，發(fā)動機單獨輸出扭矩。適用于中高速巡航工況，電機根據SOC高低決定工作狀態(tài)，SOC低時，小功率發(fā)電維持整車用電設備的功率需求，SOC高時電機不工作。

圖9 發(fā)動機模式受力分析

2.4 充電模式

充電模式主要用于電池SOC低時。通過發(fā)動機帶動電機發(fā)電。分兩種充電狀態(tài)：駐車充電（P擋）和駐車充電（D擋）。

2.4.1 駐車充電P擋模式

駐車充電P擋模式下，C1離合器和B1制動器均處于分離狀態(tài)，由發(fā)動機帶著電機轉動發(fā)電，其能量流如圖10所示。

圖10 駐車充電P擋模式能量流

駐車充電P擋模式的受力分析如圖11所示，因此時處于P擋，行星架固定（圖11C點），發(fā)動機（太陽輪）通過行星輪將扭矩傳遞至電機（齒圈），驅動電機發(fā)電。適用于駐車等人且SOC低的工況。

圖11 駐車充電P擋模式受力分析

式中：——發(fā)動機轉速傳遞到電機的減速比；

——電機的轉速；

——發(fā)動機的轉速。

2.4.2 駐車充電D擋模式

駐車充電D擋模式下，C1離合器處于結合狀態(tài)，B1制動器處于分離狀態(tài)，由發(fā)動機帶著電機轉動發(fā)電，發(fā)動機和電機同轉速，行星架和車輪之間依靠CVT內部的離合器解耦，其能量流如圖12所示。

圖12 駐車充電D擋模式能量流

駐車充電D擋模式的受力分析如圖13所示，因此時處于D擋，C1離合器結合，發(fā)動機（太陽輪）和電機（齒圈）同轉速，發(fā)動機驅動電機發(fā)電。適用于駐車等人且SOC低的工況。

圖13 駐車充電D擋模式受力分析

2.5 發(fā)動機起步模式

發(fā)動機起步模式時，C1離合器和B1制動器均處于分離狀態(tài)，由發(fā)動機和電機配合完成整車起步，該模式下發(fā)動機驅動，電機處于發(fā)電狀態(tài)，其能量流如圖14所示。

圖14 發(fā)動機起步模式能量流

發(fā)動機起步模式的受力分析如圖15所示，在處于起步狀態(tài)瞬間時，因為滾阻和加速阻力的存在，行星架固定（圖15C點），發(fā)動機（太陽輪）通過行星輪將扭矩傳遞至電機（齒圈），驅動電機發(fā)電，此時C點處產生驅動車輛起步的扭矩。適用于SOC很低無法完成純電動起步功能的工況。

圖15 發(fā)動機起步模式受力分析

式中：——電機發(fā)電扭矩，為標量。

2.6 能量回收模式

能量回收模式時，C1離合器處于分離狀態(tài)，B1制動器處于結合狀態(tài)，由電機單獨完成制動能量回收，其能量流如圖16所示。

圖16 能量回收模式能量流

根據杠桿原理，能量回收模式的受力分析如圖17所示，發(fā)動機（太陽輪）保持靜止，行星架轉速與電機轉速線性相關，通過控制電機發(fā)電扭矩滿足車輛制動需求。適用于零油門或有制動需求的工況。

圖17 能量回收模式受力分析

輸出到車輪的制動扭矩與電機扭矩之間的關系可表達為：

式中：——輸出到車輪的制動扭矩。

2.7 發(fā)動機輔助主動模式

發(fā)動機輔助制動模式時，C1離合器處于結合狀態(tài)，B1制動器處于分離狀態(tài)，由發(fā)動機和電機共同完成整車制動需求，其能量流如圖18所示。

圖18 發(fā)動機輔助制動模式能量流

發(fā)動機輔助制動模式的受力分析如圖19所示，C1結合，發(fā)動機（太陽輪）和電機（齒圈）同轉速，發(fā)動機輸出阻扭矩，電機發(fā)電輸出負扭矩。適用于中高速下零油門或有制動需求的工況。

圖19 發(fā)動機輔助制動模式受力分析

3、 小結

本文介紹的新型P2構型混合動系統有7種模式，能覆蓋混合動力系統的主要工作模式，可實現e-CVT+CVT模擬7擋，保證了整車動力性和經濟性，模式切換平順，且能應對不同的工況使用需求。

審核編輯：郭婷