为什么说行星齿轮组是混合动力系统中的“神器”? | 混动五讲III

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来源 | 网络


始于第一代普锐斯的行星齿轮组有哪些“神奇”的地方?

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——1999年推出的丰田普锐斯一代,也是采用的这种结构。

行星齿轮差不多就如下图所示,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。而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——



上一期已介绍,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(齿速)。而在齿轮大小不同的情况下,两个输入端的扭矩可以自由组合,但二者的转速需要达到一定的固定比例。

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——



下面右侧的杠杆图,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:



它可以提供最多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)

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,此时锁止器1锁止了发动机和行星架,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,车速提高,当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,锁止器2将电机和太阳轮固定,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。



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。



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。



这个方案相比前面的有4个好处:






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——



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。



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——




比如雷克萨斯GS和LS的混动系统构型如下图所示:



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