第３Ｏ卷第４期 ２０１６年１２月 传 动 技 术 Ｖｏ１．３Ｏ ＮＯ．４ ＤＲＩＶＥ ＳＹＳ￣Ｉ、ＥＭ ＴＥＣ Ｈ ＮＩＱＵＥ Ｄｅｃｅｍｂｅｒ ２Ｏ１６ 文章编号：１００６—８２４４（２０１６）０４—０１８－１１ 主流Ｅ—ＣＶＴ动力分流混动变速器简析 Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ Ｍａｉｎｓｔｒｅａｍ Ｅ。’ＣＶＴ Ｐｏｗｅｒ。‘Ｓｐｌｉｔ Ｈｙｂｒｉｄ Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ 郑昌舜 （上海交通大学机械与动力工程学院，上汽大众汽车有限公司 产品研发部，上海２００２４０） Ｚｈｅｎｇ Ｃｈａｎｇｓｈｕｎ （Ｓｈａｎｇｈａｉ Ｊ ｉａｏ Ｔｏｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ， ＳＡｊＣ Ｗ，Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ，Ｓｈａｎｇｈａｉ ２００２４０） ［摘要］本文简要介绍了单电机并联、双电机混联以及动力分流三种主流的混动结构及应用。接着详细说明 和分析了了丰田ＴＨＳ ｌ／２代和通用Ｖｏｌｔｅｃｈ ２代两种动力分流混动变速器的机械结构、各行驶模式的动力 流。通过对其不同的动力分流模式下发动机及电机功率、扭矩和转速分析，比较了其混动效率。 『Ａｂｓｔｒａｃｔ ｌ Ｔｈｅ Ｓｉｎｇｌｅ—ＥＭ ｐａｒａｌｌｅｌ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，ｔｈｅ Ｔｗｉｎ ＥＭ ｐａｒａｌｌｅｌ／ｓｅｒｉｅｓ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ａｎｄ ｔｈｅ Ｐｏｗｅｒ—Ｓｐｌｉｔ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ａｒｅ ｎｏｗ ｔｈｅ ｔｈｒｅｅ ｍｏｓｔ ｐｏｐｕｌａｒ ｍａｉｎｓｔｒｅａｍ Ｈｙｂｒｉｄ ｃｏｎｃｅｐｔｓ ａｌＩ ｏｖｅｒ ｔｈｅ ｗｏｒｌｄ．Ｔｈｅ ｅｓｓａｙ ｉｎｔｒｏ— ｄｕｃｅｓ ｔｈｅ ｍａｉｎ ｓｔｒｕｃｔ ｕｒｅ ｏｆ ｔｈｅ Ｔ０Ｙ０ＴＡ ＴＨＳ １／２ ａｎｄ ｔｈｅ Ｇｅｎｅｒａｌ—Ｍｏｔｏｒｓ Ｖｏｌｔｅｅｈ２ Ｐｏｗｅｒ—Ｓｐｌｉｔ ｈｙｂｒｉｄ ｓｙｓｔｅｍｓ ａｎｄ ａｎａｌｙｚｅｓ ｔｈｅ ｐｏｗｅｒ ｆｌｏｗ ｏｆ ｔｈｅ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｄｒｉｖｅ ｍｏｄｅｓ．Ｔｈｒｏｕｇｈ ｔｈｅ ａｎａｌｙｓｉｓ ａｎｄ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ，ｔｈｅ ｐｏｗｅｒ，ｔｏｒｑｕｅ ａｎｄ ｒｏｔａｔｉｏｎ ｓｐｅｅｄ ｏｆ ｔｈｅ ｅｎｇｉｎｅ ａｎｄ ｔｈｅ Ｅ—Ｍｏｔｏｒｓ ｈａｖｅ ｂｅｅｎ ｃｏｍｐａｒｅｄ． 关键词：混合动力 动力分流 丰田ＴＨＳ 通用Ｖｏｌｔｅｃｈ 行星齿轮 Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：Ｈｙｂｒｉｄ Ｖｃｈｉｃｌｅ Ｐｏｗｅｒ～Ｓｐｌｉｔ ＴＯＹ（）ＴＡ ＴＨＳ Ｇｅｎｅｒａｌ—Ｍｏｔｏｒｓ Ｖｏｌｔｅｃｈ ｐｌａｎｅｔ ｇｅａｒ 中图分类号：Ｕ４６３．２ 文献标识码：Ｂ ０引言 随着国家对新能源汽车的大力扶持以及混 动技术的进一步发展成熟，近年来，国内乘用车市场 。 混合动力汽车势如破竹，发展迅速。 目前全球范围内乘用车最主流的混动系统主要 有：单电机并联、双电机串并联（混联）、以及动力分 流三种混动结构 。 图１单电机并联结构 Ｆｉｇ．１ Ｓｉｎｇｌｅ－ＥＭ Ｐａｒａｌｌｅｌ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ 欧洲厂商相对更倾向使用单电机并联的混动结 构。按照电机在整个传动系中不同的布置位置，又 上海汽车的荣威Ｅ５５０（图２），三菱欧蓝德 ＰＨＥＶ以及本田的ｉ－ＭＭＤ混动系统采用的都是双 电机混联结构，可以实现串联、并联、发动机直驱等 可以分为Ｐ０，Ｐｌ，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４等结构（见图１）。例如 德国大众Ｇｌｏｆ ＧＴＥ（ＤＱ４００Ｅ）将电机和电机离合器 布置于发动机与变速器之间，为Ｐ２的结构；国内市 场热销的比亚迪秦将电机布置在差速器前，为Ｐ３ 结构；比亚迪唐在秦的基础上，在后桥上又增加了一 个电机，形成了Ｐ３＋Ｐ４的双电机并联结构，同时实 混动模式，本文不作过多的介绍。 在美日混动乘用车市场占据绝对主力的混动结 构则是以丰田ＴＨＳ（ＴＯＹＯＴＡ Ｈｙｂｒｉｄ Ｓｙｓｔｅｍ）以 及通用Ｖｏｌｔｅｃｈ为代表的Ｅ—ＣＶＴ动力分流（Ｐｏｗｅｒ— Ｓｐｌｉｔ）混动系统。下面将对这两种系统做详细深入 的介绍和分析。 现了电四驱；此外，目前热门的４８Ｖ弱混系统大都 是将单电机布置在原来发电机的位置，即为ＰＯ结 １８一 郑昌舜：主流Ｅ—ＣＶＴ动力分流混动变速器简析 ＥＭ ｌ ＥＭ ２ 纯电模式下，如图４所示，ＩＣＥ处于停机状态 （锁止），ＥＭ２通过齿圈直接驱动车辆行驶，此时 电机ｌ 电机２ ＥＭ１由于简单行星轮的运动关系处于反向空转的 状态。假设车辆前进时齿圈顺时针旋转（下同），则 ＥＭ１和ＥＭ２运动关系如图５所示。 Ｓｉｎｇｌｅ Ｐｌａｎｅｔ ｇｅａｒ 图２上海汽车荣威ｅ５５０ ＥＤＵ结构图 Ｆｉｇ．２ ＳＡＩＣ Ｒｏｗｅａ Ｅ５５０ Ｔｗｉｎ—ＥＭ Ｓｅｒｉｅｓ／Ｐａｒａｌｌｅ１ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｌ 丰田ＴＨＳ １／２代系统 丰田普锐斯、卡罗拉双擎、雷凌双擎，雷克萨斯 ＣＴ２００ｈ等混动车型使用的均为ＴＨＳ（ＴＯＹＯＴＡ Ｈｙｂｒｉｄ Ｓｙｓｔｅｍ）混动系统｛ 。 １．１ 结构原理 图４纯电模式动力流 Ｆｉｇ．４ ＥＶ Ｍｏｄｅ Ｐｏｗｅｒ Ｈｏｗ ＴＨＳ １，／２代混动系统的结构组成如图３所示， 由一台阿特金森发动机（ＩＣＥ），两个电机（ＥＭ１， ＥＭ２）以及一个简单行星轮组成。 ＩＣＥ与行星架（Ｃ）连接，ＥＭ１与太阳轮（Ｓ）连 图５ ＥＶ Ｍｏｄｅ行星齿轮各元件运动关系 Ｆｉｇ．５ ＥＶ Ｍｏｄｅ ｋｉｎｅｍａｔｉｃ ｒｅｌａｔｉｏｎ 接，ＥＭ２与齿圈（Ｒ）连接并与差速器连接以输出动 力。该系统可以实现纯电（ＥＶ Ｍｏｄｅ）及动力分流 （Ｐｏｗｅｒ—Ｓｐｌｉｔ Ｍｏｄｅ）两种行驶模式。 通过杠杆法（Ｔｈｅ Ｌｅｖｅｌ Ａｎａｌｏｇｙ［ ）我们可以 对该运行模式下的行星轮各运动元件进行转速及扭 矩的分析，如图６所示。 为了便于后面计算分析，这里定义简单行星轮 的齿圈齿数Ｚ 与太阳轮齿数Ｚ 比。Ｃ为： ＯＣ－－ Ｓｉｎｇｌｅ Ｐｌａｎｅｔ ｇｅａｒ 此时ＥＭ２正转输出功率，ＥＭ１反向空转，且转 ㈩ 速为ＥＭ２的ａ倍（式２），整个系统的输出扭矩Ｔ 即为Ｔ Ｍ （式３）： ？／ＦＡ￣ｄｌ ？／ＥＭ２／（ｔｒｆ Ｘ ａ （２） （３） 即了 ， 一Ｔ ： Ｒ（ＥＭ２） ＣＯＣＥ） ｌ ３ ＴＯＹ（）ＴＡ ＴＨＳ Ｇｅｎｌ／＇２结构原理 Ｆｉｇ．３ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ ＴＨＳ Ｇｅｎｌ／２ 图６ ＥＶ Ｍｏｄｅ杠杆法转速分析 １．２不同驾驶模式的动力流分析 Ｆｉｇ．６ ＥＶ Ｍｏｄｅ Ｌｅｖｅｌ Ａｎａｌｏｇｙ Ａｎａｌｙｓｉｓ １）纯电模式（ＥＶ Ｍｏｄｅ）： １９— 郑昌舜：主流Ｅ—ＣＶＴ动力分流混动变速器简析 由于ＥＭ１转速为ＥＭ２的ａ倍，受限于ＥＭ１的 最高转速，纯电模式下车速最高只能达到４０ＭＰＨ （约６４ＫＰＨ，基于普锐斯（Ｉｔ一２．６得出），之后发动机 的转速关系满足式４： （１＋ａ）× Ｅ一” １＋ａ×／／＇／５－Ｍ＇２ ，（ 一０ （４） ＩＣＥ，ＥＭ１和输出到差速器的扭矩相互平衡，满 足式５： ｒ×ｌ一丁ＥＭ１×ａ （５） 必须启动，以降低ＥＭ１的转速。 ２）动力分流模式（Ｐｏｗｅｒ－Ｓｐｌｉｔ Ｍｏｄｅ）： 动力分流模式下，如图７所示，ＩＣＥ处于运行 状态将功率通过行星架输入到行星轮系中，ＥＭ１处 于负功率的发电状态，ＥＭ２处于输出功率的状态。 行星轮系各元件运动关系如图８所示。 Ｓｉｎｇｌｅ Ｐｌａｎｅｔ ｇｅａｒ 由ａ＝＝＝２．６，带入式４和式５后可得式６式７，即 发动机输入到行星轮系中的扭矩的７２ 输出到差 速器驱动车辆，２８ 通过ＥＭ１进行发电。 ３．６ｎｉＣＥ—ｈＥＭｌ＋２．６” ２／ ，一０ （６） 丁（ Ｔ ａ ２．６ ７２％ Ｔ ｌ一１—１—２８％ ｒ 整个系统输出到差速器用于驱动车辆的总扭矩 如下式所示： 丁 ＝＝＝ ＋了 Ｍ２—７２％Ｔ Ｅ＋丁 ２ （８） 综上，当车辆瞬时的行驶状态一定时（即输出转 速ｎＥＭ２／ＯＵＴ及行驶阻力扭矩Ｔ 川 确定）： ●由式６可知，通过控制ＥＭ１的转速，可以调 整发动机的转速； ●由式８可知，通过控制ＥＭ２的扭矩，可以调 整发动机的输出扭矩。 图７动力分流模式 Ｆｉｇ．７ Ｐｏｗｅｒ－Ｓｐｌｉｔ Ｍｏｄｅ Ｐｏｗｅｒ Ｆｌｏｗ ｎＥＭ２／ＯＵＴ 图１０展示了某传统汽油发动机的油耗特性曲 线，对于这台发动机而言，当转速在２６００转，扭矩在 １３０Ｎｍ左右时发动机的瞬时油耗最低（浅绿色区 域）。所以对于双电机动力分流的混动系统来说，在 动力分流行驶模式下，发动机的扭矩与转速可以解 耦地进行调整，这样发动机可以尽可能地工作在最 佳油耗区域。这一结论同样适用与之后将介绍的通 用Ｖｏｌｔｅｃｈ ２代混动系统。［８ ９３ １．３动力分流混动效率分析 图８ Ｐｏｗｅｒ－Ｓｐｌｉｔ Ｍｏｄｅ行星齿轮各元件运动关系 Ｆｉｇ．８ Ｐｏｗｅｒ—Ｓｐｌｉｔ Ｍｏｄｅ ｋｉｎｅｍａｔｉｃ ｒｅｌａｔｉｏｎ 为了考量动力分流模式下的混动效率，我们提 出下面两个假设前提： 同样通过杠杆法对该运行模式下的行星轮各运 动元件进行转速及扭矩的分析（见图９）。 Ｒ（ＯＵＴ１） ｎＥＭ２／ＯＵＴ １）整车为ＨＥＶ，即非插电式混动； ２）不考虑电池ＳＯＣ，即发电电机的发电功率完 全供给驱动电机用于驱动车辆，即Ｐ 一一Ｐ Ｍ 。 在以上两个假设条件下，混动模式中发动机输 出的功率越多地参与驱动车辆，越少地用于发电后 再通过另一电机驱动车辆（多次能量转换），能量转 ＣＥ ＴＩＣＥ 换的损失就越小，即可以理解为理论上的混动效率 越高。 通过上一节中的杠杆法所作的分析，我们可以 求得两个电机功率Ｐ Ｍ与发动机功率Ｐ 关系式９： ＰＥＭｌ ＰＥⅥ２ １ 。Ｃ ，ｎ、 图９ Ｐｏｗｅｒ—Ｓｐｌｉｔ Ｍｏｄｅ杠杆法转速扭矩分析 Ｆｉｇ．９ Ｐｏｗｅｒ—Ｓｐｌｉｔ Ｍｏｄｅ Ｌｅｖｅｌ Ａｎａｌｏｇｙ Ａｎａｌｙｓｉｓ Ｐ 一Ｐｆ（ 一 （。Ｃ＋１）ｋ 两个电机转速ｎ Ｍ与发动机转速ｎ 比的关系 式１０，式１ｌ： 从图９我们可以得出发动机（ＩＣＥ）、ＥＭ１、ＥＭ２ ２Ｏ一 郑昌舜：主流Ｅ—ＣＶＴ动力分流混动变速器简析 ８００ 辑暴 ＼一ＬＵ ｏｎｂ－Ｉｏ上兰Ｉ暑【Ｊ∞ ７００ ６００ ５００ ４００ ３５０ ３ｌ０ ２９０ ２７０ ２５０ ２３０ ２ｌ０ Ｅｎｇｉｎｅ ＲＰＭ／发动机转速 图１ｏ 某传统汽油发动机油耗特性曲线 Ｆｉｇ．１０ Ｇａｓｏｌｉｎｅ Ｅｎｇｉｎｅ Ｆｕｅｌ Ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ Ｉ）ｉａｇｒａｍ（Ｅｘａｍｐｌｅ） 一。ｃ＋１一簧 １一 （１０） （１１） ＴＥＭＩ＝＝＝ 丁 一１ 。Ｃ＋１ （１２） … Ｋ一 ＴｌＩＣＥ ＾ 两个电机扭矩Ｔ 与发动机扭矩Ｔ 比的关系 满足式１２，式１３： 根据式９—１３分别作出功率比、扭矩比、转速比 的曲线，如图１１所示： ＿”：” ．１……－．…＝竺兰 ————一。 ） 。 一 － ０．５０ ２．００ 、－．．． １．００ １．Ｏ０ １．５０ ０．６７ ２．００ ０．５０ ２．５０ ０．４０ ３． １０． ．倒数） ‘ ’‘ 。’・。。‘‘ｌ ） ０．５Ｏ ‘‘。－．．．．．－‘‘ ７＿ＥＭ２。二０ Ｉ．．－ ・－”“”・…。……．。………… １．０Ｏ １．５０ ２．Ｏ０ ２．５０ ３．１ 倒数） 。 ２．０Ｏ １．００ ０．６７ ０．５０ ０．４０ ０．． －…………－．．………Ｉ．．……………●……………………● ．．．．．．．．．．．．…．．．………・ ＿—－＿ ：：：：：：：： ’－一． ＥＭＩ一 —— ——一 Ｉ● 一 ２．００ １．００ ０．６７ ０．５０ ０．４０ 倒数） ０．３３ Ｋ（速比） 图１１ 电机、发动机功率比、扭矩比、转速比曲线 Ｆｉｇ．１ １ ＥＭ，ＩＣＥ Ｐｏｗｅｒ Ｒａｔｉｏ，Ｔｏｒｑｕｅ Ｒａｔｉｏ，Ｒｏｔａｔｉｏｎ ｓｐｅｅｄ Ｒａｔｉｏ 从图上可见，该系统中有一个节点Ｐ（Ｋｎｏｔ），其 对应的速比Ｋ为０．７２（如上节所述，设ａ一２．６），在 这个节点上ＥＭ１和ＥＭ２的功率都为零，其中ＥＭ２ 的扭矩Ｔ 一０，ＥＭ１的转速ｎ 一０，此时发动机 郑昌舜：主流Ｅ￣ＣＶＴ动力分流混动变速器简析 输出的所有功率均用于驱动车辆。 率提供给ＥＭ１驱动太阳轮，这样就形成了动力回 流（Ｐｏｗｅｒ Ｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ），效率相对较低。 因此，在实际运行时，速比Ｋ一般会控制在节 当速比大于节点Ｋ一０．７２时（０．７２左侧）， ＥＭ１发电（负功率），且发电所得所有功率都用于 ＥＭ２输出功率驱动车辆，当速比为ＣＸＤ时，两个电机 与发动机功率比为±１，即发动机功率全部用于 ＥＭ２发电后供给ＥＭ１驱动车辆。 点０．７２以一ｋ（图中０．７２左侧）。 为了弥补纯电模式下的最高车速较低这一系 统限值，丰田在新一代的ＴＨＳ系统中增加了一组 简单行星轮作为减速机构，如图１２所示。第２组简 单行星轮的加入一方面可以解决ＥＭ１在纯电模式 下空转转速高的问题，对于ＰＨＥＶ的意义更大，另 一当速比小于节点Ｋ一０．７２时（０．７２右侧）， ＥＭ２开始发电（负功率），ＥＭ１开始输出正功率，此 时发动机的功率在系统输出端（齿圈）进行分流，一 部分用于驱动车辆，一部分由ＥＭ２发电后再将功 方面可以降低系统对于ＥＭ２的功率扭矩要求。 图１２ ＴＯＹＯＴＡ ＴＨＳ Ｇｅｎ３结构原理图 Ｆｉｇ．１２ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ＴＨＳ Ｇｅｎ３ 一２ 通用沃兰达Ｖｏｌｔｅｃｈ ２代混动系统 ２．１ 结构原理 台７５ｋＷ发动机，两个电机（ＥＭ１，ＥＭ２），一个单 向离合器，两组多片式离合器组成。可以实现以下 ５种行驶模式，其中模式３为单分流模式，模式５为 通用汽车在全新一代沃兰达Ｖｏｌｔ上使用了 Ｖｏｌｔｅｃｈ ２代混动变速器。其结构如图１３所示，由 复合分流模式： １）单电机纯电模式（Ｓｉｎｇｌｅ—ＥＭ ＥＶ Ｍｏｄｅ）； 图１３ ＧＭ Ｖｏｈｅｃｈ ２代结构原理图 Ｆｉｇ．１ ３ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ＧＭ Ｖｏｌｔｅｃｈ２ ２２一 郑昌舜：主流Ｅ—ｃＶＴ动力分流混动变速器简析 ２）双电机纯电模式（Ｔｗｉｎ—ＥＭ ＥＶ Ｍｏｄｅ）； ３）低增程模式（Ｌｏｗ Ｅｘｔｅｎｄｅｄ Ｒａｎｇｅ Ｍｏｄｅ）； ４）定速比增程模式（Ｆｉｘｅｄ Ｒａｔｉｏ Ｅｘｔｅｎｄｅｄ Ｍｏｄｅ）； 用杠杆法进行分析。其他的运行模式仅作简要的 动力流介绍。 １）单电机纯电模式（Ｓｉｎｇｌｅ—ＥＭ ＥＶ Ｍｏｄｅ）： 如图１４所示，单电机纯电模式下．ＩＣＥ处于熄 ５）高增程模式（Ｈｉｇｈ Ｅｘｔｅｎｄｅｄ Ｒａｎｇｅ Ｍｏｄｅ）。 ２．２不同行驶模式的动力流分析 火状态，离合器２接合使得简单行星轮２的齿圈固 定，ＥＭ２输出动力到行星轮２的太阳轮，最终由行 星轮２的行星架将动力输出至差速器驱动车辆。 由于本文主要讨论和研究混动效率，因此这里 仅对模式３“低增程模式“和模式５“高增程模式”运 图１ ４单电机纯电模式动力流 Ｆｉｇ．１４ Ｓｉｎｇｌｅ—ＥＭ ＥＶ Ｍｏｄｅ Ｐｏｗｅｒ Ｆｌｏｗ ２）双电机纯电模式（Ｔｗｉｎ—ＥＭ ＥＶ Ｍｏｄｅ）： 太阳轮连接，行星轮１的齿圈由于单向离合器的作 用而被固定，ＥＭ１的动力由行星轮１的行星架输出 如图１５所示，在单电机纯电模式的基础上，双 电机模式下ＥＭ１也同时参与驱动，其与行星轮１的 到差速器共同参与驱动车辆。 图ｌ ５ 双电机纯电模式动力流 Ｆｉｇ．１ ５ Ｆｗｉｎ ＥＭ ＥＶ Ｍｏｄｅ Ｐｏｗｅｒ Ｆｌｏｗ ３）低增程模式（Ｌｏｗ Ｅｘｔｅｎｄｅｄ Ｒａｎｇｅ Ｍｏｄｅ）： 如图１６所示，低增程模式与丰Ｉｔ１ ＴＨＳ的动力 ２３ 郑昌舜：主流Ｅ—ＣＶＴ动力分流混动变速器简析 分流模式类似，为一种单分流模式。此时ＩＣＥ运行 输出功率到简单行星轮１的齿圈，一部分功率驱动 出到差速器参与驱动车辆；ＥＭ２输出正功率，通过 行星轮２的行星架输出共同驱动车辆。 ＥＭ１进行发电，其余功率通过行星轮１的行星架输 图１６低增程模式动力流 Ｆｉｇ．１ ６ Ｌｏｗ Ｅｘｔｅｎｄｅｄ Ｒａｎｇｅ Ｍｏｄｅ Ｐｏｗｅｒ Ｆｌｏｗ 首先运用杠杆法对低增程模式中的简单行星 轮１进行运动和扭矩分析，各元件的转速和扭矩关 系如图１ ７所示： 式１６： ２一 ｒ×（。Ｃ ＿２＋１）一０ （１６） 合并式９与式１Ｏ，可得ＩＣＥ、ＥＭ１、ＥＭ２的转速 关系式１７： ， （一ＯＣＩＫ￣１）ｎｌｃｅ￣（ 一 一 （１７） ／一 一一…７“ ｌ 一， （１２（ｏｕｔ） —，一－啼ＴＥＭ１ Ｓｌ（ＥＭ１） 图１ ７低增程模式杠杆法分析一简单行星轮１ Ｆｉｇ．１ ７ Ｌｏｗ Ｅｘｔｅｎｄｅｄ Ｒａｎｇｅ Ｍｏｄｅ Ｌｅｖｅｌ Ａｎａｌｏｇｙ Ａｎａｌｙｓｉｓ： Ｓｉｎｇｌｅ Ｐｌａｎｅｔ Ｇｅａｒ １ Ｓ２（ＥＭ２） 从图１７可以得出ＩＣＥ、ＥＭ１以及输出端行星 架Ｃ１的转速关系满足式１４，输出端扭矩Ｔ 与 ＥＭ１的扭矩Ｔ Ｍ 满足式１５： 图１８ 低增程模式杠杆法分析一简单行星轮２ Ｆｉｇ．１ ８ ＬＯＷ Ｅｘｔｅｎｄｅｄ Ｒａｎｇｅ Ｍｏｄｅ Ｌｅｖｅｌ Ａｎａｌｏｇｙ Ａｎａｌｙｓｉｓ： Ｓｉｎｇｌｅ Ｐｌａｎｅｔ Ｇｅａｒ ２ ：。ｃ 一 ） ｒ＋（ｏｃ Ｋ－－ｏｃ 一１） ｒ一２ ＝＝＝０ （１４） Ｍ ×１一Ｔ １ Ｘｃｃ１ （１５） 最终可以得到ＥＭ与ＩＣＥ的功率比关系式： ＰＥＭＩＰ Ｅ ＰＥＭ１：：＝一 —Ｐ肼 １一 。Ｃ１ ｋ （１８） … ＥＭ与ＩＣＥ的转速比关系式： 如图１８再对简单行星轮２进行运动分析，可得 ２４一 郑昌舜：主流Ｅ—ｃＶＴ动力分流混动变速器简析 （１９） ４）定速比增程模式（Ｆｉｘｅｄ Ｒａｔｉｏ Ｅｘｔｅｎｄｅｄ Ｍｏｄｅ）： 删一２ ＝＝＝（ＯＣ ２ ４－１） 一 ＪｃＥ Ｋ （２Ｏ） 如图１ ９所示，此模式下两个离合器都接合，电 机１、行星轮ｌ的太阳轮、行星轮２的齿圈都被固 定，ＩＣＥ动力输入到行星轮１的齿圈，通过行星架２ ＥＭ与ＩＣＥ的扭矩比关系式： 一 一 丁ＥＭ２ —Ｔ ｌ 一１ Ｔｆ（、Ｆ ＯＣｌ （２１） 输出动力到车轮，此时ＥＭ２可以输出功率，也可以 。Ｃ１（Ｋ一１）一ｌ 。Ｃｌ（ＯＣ ２ ４－１） 发电。但是从发动机到车轮的速比是固定不变的。 （２２） Ｔ 、Ｅ … 图１９定速比增程模式动力流 Ｆｉｇ．１ ９ Ｆｉｘｅｄ Ｒａｔｉｏ Ｅｘｔｅｎｄｅｄ Ｍｏｄｅ Ｐｏｗｅｒ Ｆｌｏｗ 图２Ｏ高增程模式动力流 Ｆｉｇ．２０ Ｈｉｇｈ Ｅｘｔｅｎｄｅｄ Ｒａｎｇｅ Ｍｏｄｅ Ｐｏｗｅｒ Ｆｌｏｗ 郑昌舜：主流Ｅ－ＣＶＴ动力分流混动变速器简析 ５）高增程模式（Ｈｉｇｈ Ｅｘｔｅｎｄｅｄ Ｒａｎｇｅ Ｍｏｄｅ）： 此为第二种动力分流模式，是一种复合分流模 式。此时离合器１接合，离合器２脱开，ＩＣＥ输出的 功率一部分输出到车轮，一部分可以通过ＥＭ２发 最终可以得到ＥＭ与ＩＣＥ的功率比关系式： Ｐ Ｐ Ｅ ＰＥＭ２ ＰＫ Ｅ ｂＫ－－ｂ ｑ－Ｋ）（ａ－－ａＫ＋１） Ｋ（ａ ４－ｂ＋１） （２３） 电，同时ＥＭ１输出正功率参与驱动。 再次运用杠杆法进行运动和扭矩分析，将两个 ＥＭ与ＩＣＥ的转速比关系式： ａ＋ｂ＋１一ｎ（ｂＫ＋Ｋ一６） Ｋ（ｂ＋１） 一行星轮进行合成后，各元件的转速和扭矩关系如图 ２１所示，为了简化计算，取ａ—ＯＣｆ，ｂ一。。 。Ｃ ～１： ７ｌＩＣＥ（２４） ６（＼ 一 ） ＾， ＋１ （６＋１）（口～ａＫ＋１） ａ（盘＋ｂ＋１） 口一ａＫ＋１ （２５） ＥＭ与ＩＣＥ的扭矩比关系式： 丁肼１ 丁Ｊ（、Ｅ １ ｎ ＴＥＭ２ （２６） 丁』ｃＥ—ｎ＋雨２．３动力分流混动效率分析 （２７） 从相关资料中查得Ｖｏｈｅｃｈ２代两个行星轮实 际的参数ＣＣｉ一。Ｃ ２—２．４（即ａ一。Ｃ ＝２．４，ｂ—ＯＣ ＯＣ ｚ一１—４．７６），根据得出的关系式（单分流见式１８— ２２，复合分流见式２３—２７），可以分别作出两种模式 的电机／发动机功率比、扭矩比、转速比对应速比Ｋ 及速比倒数（１／Ｋ）的曲线，如图２２所示。图中直线 表示单分流模式，曲线表示复合分流模式。 由下图可见，这套动力分流系统有三个节点 图２】 高增程模式杠杆法分析 Ｆｉｇ・２ １ Ｈｉｇｈ Ｅｘｔｅｎｄｅｄ Ｒａｎｇｅ Ｍｏｄｅ Ｌｅｖｅｌ Ａｎａｌｏｇｙ Ａｎａ１ｙｓｉｓ Ｐ０，Ｐｌ和Ｐ２。单分流模式对应的节点为Ｐ０，复合 分流模式对应的节点为Ｐ１和Ｐ２。实际求得单分流 、 Ｐ０ 一Ｐｌ，．．一一一 蘑 ：：：：・・－ ・－－＿ －－ 、 Ｋ＝￣Ｑ８３，．＂ ＂ －－－－一．．－ ， 。，．）０．５０ １Ｏ０ ．１．５０ ２００ ．２．． ： 、‘‘００ 、．１．００ ～’－。－‘、０．６７ …。…… ０．５０ ～＿＿－…０．。 ●＿ １／Ｋ（速比倒数１ Ｋ（速比） ： 、・、．、． ．～’‘ －．－．一 Ｊ ～． 。－‘－，．． － － ● １．４２ １００ ．０．８３ Ｉ．５０ ０．６７ ． 。２００ Ｏ５Ｏ ． ．）。 一 ０．５０ ２．００ － －－＿２．１ ０． １ＯＯ ．１／Ｋ（速比倒数） Ｋ（速比） －－－●，－＿－． －＿＿． －一 ’。。－－一一一。．．．．．＝１．４２ Ｋ＝０８３ ．．’。 。。’一． ．一 ｌ／Ｋ（速比倒数） 。。 ２．００ —１．００ —Ｏ６７ ．０．５０ Ｏ４０ Ｋ（速比） ．…………一单分流ＥＭｌ 单分流ＥＭ２ 复合分流ＥＭ１ 复合分流ＥＭ２ 图２２电机、发动机功率比、扭矩比、转速比曲线 Ｆｉｇ．２２ ＥＭ，ＩＣＥ Ｐｏｗｅｒ Ｒａｔｉｏ，Ｔｏｒｑｕｅ Ｒａｔｉｏ，Ｒｏｔａｔｉｏｎ ｓｐｅｅｄ Ｒａｔｉｏ ２６一 郑昌舜：主流Ｅ－ＣＶＴ动力分流混动变速器简析 的节点ＰＯ和复合分流的节点Ｐ１重合，对应速比Ｋ 满足表１的关系，而模式４定速比模式（Ｆｉｘｅｄ Ｒａｔｉｏ 一１．４２，Ｐ２对应的速比Ｋ－＿－０．８３。在这两个节点上 Ｅｘｔｅｎｄｅｄ Ｍｏｄｅ）恰恰对应的是Ｐ１节点。 两个电机的功率均等于０，两个电机的扭矩和转速 表１ Ｖｏｌｔｅｃｈ２代分流模式节点电机功率、扭矩、转速关系 Ｔａｂｌｅ １ Ｖｏｌｔｅｃｈ Ｇｅｎ２ ＥＭ１，ＥＭ２ Ｐｏｗｅｒ－Ｔｏｒｑｕｅ，Ｓｐｅｅｄ ｏｎ Ｋｎｏｔ Ｐｏｗｅｒ Ｔｏｒｑｕｅ Ｒｏｔａｔｉｏｎ Ｓｐｅｅｄ Ｍｏｄｅ Ｋｎｏｔ Ｇｅａｒ Ｒａｔｉｏ 功率 扭矩 转速 分流模式 节点 速比Ｋ ＥＭ１ ＥＭ２ ＥＭ１ ＥＭ２ ＥＭ１ ＥＭ２ 单分流 Ｐ０ 】．４２ Ｏ Ｏ Ｏ Ｏ Ｓｉｎｇｌｅ 复合分流 Ｐ１ １．４２ Ｏ Ｏ Ｏ ０ Ｃｏｍｐｏｕｎｄ Ｐ２ ０．８３ ０ ０ ０ ０ 图中虚线均表示低效率的动力回流工作区域： 对于单分流模式来说，速比Ｋ小于１．４２（Ｐ０，Ｐ１）为 ４总结和展望 动力回流区域；对于复合分流模式来说，速比大于 本文从丰田ＴＨＳ １／２代和通用Ｖｏｌｔｅｃｈ２代的 １．４２（Ｐ０，Ｐ１）及小于０．８３（Ｐ２）的区域均为动力回 结构人手，分析了这两套系统各自行驶模式下的动 流区域。 力流，并通过对其各自动力分流模式下的功率计 因此，实际工作中在速比较大时系统应采用低 算，比较了其理论上的混动效率的优劣。 增程（单分流）工作模式；速比小于１．４２后切换至高 目前无论是国际上还是国内新能源汽车仍 增程（复合分流）工作模式，模式切换点即为Ｐ０，Ｐ１ 然处于起步阶段，其发展方向很大程度上也取决于 节点；车辆高速巡航时，系统可切换至固定速比模 外部的导向。比如国内现在大力鼓励发展插 式，此时ＥＭ１不参与工作，ＥＭ２工作状态可视情况 电式混动汽车，单电机并联和双电机混联结构在 而定。 “大电池”的协助下，回避了其混动效率较低的劣 在复合分流模式下的Ｐ１和Ｐ２两个节点之间， 势，同时发挥了其成本低、开发周期短、控制策略简 可以看到两个电机与发动机的功率相比单分流模 单等优势。 式更加接近０，这就意味着发动机输出的功率更多 若在“不插电”这一假设前提下，动力分流的混 地用于直接驱动车辆，因此具有相对更高的混动效 动结构由于可以通过两个电机解耦地对发动机转 率。 速和扭矩进行调整，使其始终工作在最佳油耗区 域，因此其相较传统混动结构无疑具有更高的混动 ３ 丰田ＴＨＳ与通用Ｖｏｌｔｅｃｈ ２代优缺点 效率。 分析 当然实车上的油耗和排放除了与变速器结构 丰田ＴＨＳ １／２代混动系统由一个简单行星轮 概念相关外，还与发动机、整车控制策略、电池电机 组成，无需离合器，机械结构极其简单，因此材料和 控制等众多系统密切相关。 制造成本方面优势明显。但其硬件结构决定了只 参考文献 能实现单分流混动模式，。 Ｍ．Ｄｕｏｂａ，Ｈ．Ｎｇ ａｎｄ Ｒ．Ｌａｒｓｅｎ，Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎ ａｎｄ 通用Ｖｏｌｔｅｃｈ ２代由两个简单行星轮组成，同 Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ ｏｆ ｔＷＯ ｈｙｂｒｉｄ ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｖｅｈｉｃｌｅｓ（ＨＥＶｓ） 时还需要１个单向离合器和２组多片式离合器进行 ＥＪ３．Ｈｏｎｄａ ｉｎｓｉｇｈｔ ａｎｄ Ｔｏｙｏｔａ Ｐｒｉｕｓ，ＳＡＥ，Ｗａｒｒｅｎｄａ— 控制，机械结构上相对复杂了不少，对于变速器布 ｌｅ，ＰＡ，Ｔｅｃｈ．Ｒｅｐ．２００１－０１—１３３５，２００１． 置设计和制造都提出了更高的要求，因此制造成本 蒋科军，何仁，束驰，王群山，混合动力汽车动力耦合技 上无疑更高，同时控制和标定也会更加复杂。但其 术综述ＥＪ－１．机械传动，２０１５（Ｏ４）． Ａ．Ｋｌｉｍｕｒａ。Ｔ．Ａｂｅ ａｎｄ Ｓ．Ｓａｓａｋｉ，Ｄｒｉｖｅ ｆｏｒｃｅ ｃｏｎｔｒｏｌ 复杂的机械结构带来了单分流和复合分流两种混 ｏ１ ａ ｐａｒａｌｌｅｌ—ｓｅｒｉｅｓ ｈｙｂｒｉｄ ｓｙｓｔｅｍｓ［Ｊ］．Ｊ．ＳＡＥ Ｒｅｖ．， 动模式，使得其速比范围可以做得更大，同时在复 Ｖｏ１．２０，ＰＰ．３３７—３４１，１９９９ 合分流模式下具有更高的混动效率。 Ｊｉｎｍｉｎｇ Ｌｉｕ ａｎｄ Ｈｕｅｉ Ｐｅｎｇ，Ｍｏｄｅｌｉｎｇ ａｎｄ Ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｆ ａ ２７— 郑昌舜：主流Ｅ—ＣＶＴ动力分流混动变速器简析 （上接第８页） 量来不及传递，导致其实验温度曲线一开始斜率较大， 滑摩约１０ ｓ到２０ ｓ过程中，其斜率逐渐减小，其后基 本保持不变。 ［５］ Ａｋｈｔａｒ Ｍ Ｍ Ｊ，Ａｂｄｕｌｌａｈ Ｏ Ｉ，Ｓｃｈｌａｔｔｍａｎｎ Ｊ．Ｔｒａｎｓｉｅｎｔ ｔｈｅｒｍｏｅｌａｓｔｉｃ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｄｒｙ ｃｌｕｔｃｈ ｓｙｓｔｅｍ［Ｊ］．Ｍａ— ｃｈｉｎｅ Ｄｅｓｉｇｎ，２０１３，５（４）：１４１—１５０． ｈｏｃｉｎｅ Ａ，Ｂｏｕｃｈｅｔａｒａ Ｍ．Ｔｈｅｒｍａｌ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ａ ｓｏｌｉｄ ［６］ Ｂｅｌｂｒａｋｅ ｄｉｓｃ ＥＪ］．Ａｐｐｌｉｅｄ Ｔｈｅｒｍａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２０１２，３２ ３ 结论 本文建立二维有限元模型，将其计算结果与台 架试验的测试数据进行比较，结果表明，模型的计算 （１）：５９—６７． ［７］ Ｃｕｉ Ｊ，Ｗａｎｇ Ｃ，Ｘｉｅ Ｆ，ｅｔ ａ１．Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎ ｏｎ ｔｒａｎｓｉｅｎｔ ｔｈｅｒｍａｌ ｂｅｈａｖｉｏｒ ｏｆ ｍｕｌｔｉｄｉｓｋ ｆｒｉｃｔｉｏｎ ｐａｉｒｓ ｉｎ ｈｙｄｒｏ—ｖｉｓｃｏｕｓ ｄｒｉｖｅ ＥＪ］．Ａｐｐｌｉｅｄ Ｔｈｅｒｍａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ， ２Ｏ１４，６７（ｓｌ一２）：４０９－４２２． 误差不超过＿４－５ ，说明建模方法正确，计算结果可 信。 ｕ Ｙ，Ｑｉｎ Ｄ，Ｊｉａｎｇ Ｈ，ｅｔ ａ１．Ｓｈｉｆｔ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｔｒａｔｅｇｙ ａｎｄ ［８］ Ｌｉｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｖａｌｉｄａｔｉｏｎ ｆｏｒ ｄｒｙ ｄｕａｌ ｃｌｕｔｃｈ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｓ 参考文献 ［Ｊ］．Ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ８Ｌ Ｍａｃｈｉｎｅ Ｔｈｅｏｒｙ，２０１４，７５（７５）：４１— ５３． ｃｚ Ｊ．Ｍｏｄｅｌｉｎｇ ｏｆ ｔｈｅｒｍａｌ ｐｈｅ－ ［１］ Ｇｒｚｅｌｃｚｙｋ Ｄ，Ａｗｒｅｊｅｅｗｉｎｏｍｅｎａ ｉｎ ａ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｆｒｉｃｔｉｏｎ ｃｌｕｔｃｈ ＥＪ］．Ｍａｃｈｉｎｅ Ｄｙ— ｎａｍｉｃｓ Ｒｅｓｅａｒｃｈ，２０１２，３６（３）：２３—２８． ｌｍａｓ Ｇ Ｅ，Ｄｈａｒａｎｉ Ｉ Ｒ．Ｂｅｈａｖｉｏｒ ｏｆ ａ ｔｏｍ— ［２］ Ｚｈａｏ Ｓ，Ｈｉ［９］ ＤＣＴ汽车起步过程离合器热负荷仿真研究，［硕士学位 论文］．重庆大学，２００８年５月． ＥｌＯ］ 牛铭奎，程秀生，刘炳钊，葛安林．双离合器式自动变速 器换挡特性研究．汽车工程．２００４年．第２６卷第４期． ｐｏｓｉｔｅ ｍｕｌｔｉｄｉｓｋ ｃｌｕｔｃｈ ＳＵｂｊｅｃｔｅｄ ｔｏ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ａｎｄ ｆｒｉｃ— ｔｉｏｎａｌｌｙ ｅｘｃｉｔｅｄ ｔｈｅｒｍａｌ ｌｏａｄＦＪ］．Ｗｅａｒ，２００８，２６４（１１— １２）：１０５９—１０６８． Ｅ１１］ 吴光强，司建玉．双离合器自动变速器起步的智能控制 策略，同济大学学报（自然科学版），第４Ｏ卷第１期， ２０１２年１月． Ｅ１２］ Ａｂｄｅｌ－Ａａｌ Ｈ Ａ．Ｏｎ ｔｈｅ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｏｆ ｆｒｉｃｔｉｏｎ－ｉｎｄｕｃｅｄ ［３］ Ｓａｒｋａｒ Ａ，Ｄａｔｔａ Ａ，Ｄｅｙ Ｐ，ｅｔ ａ１．Ａ ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ａｐｐｒｏａｃｈ ｆｏｒ ｍｏｄｅｌｌｉｎｇ ｔｈｅｒｍａｌ ｐｒｏｆｉｌｅｓ ａｎｄ ｅｆｆｅｃｔｓ ｏｆ ｐｒｏｃｅｓｓ ｐａ— ｒａｍｅｔｅｒｓ ｏｎ ｉｔ ｉｎ ｓｕｂｍｅｒｇｅｄ ａｒｃ ｗｅｌｄｉｎｇ ｏｆ ＡＩＳＩ １５１８ ｈｅａｔ ｉｎ ｔｈｅ ｄｒｙ ｓｌｉｄｉｎｇ ｏｆ ｍｅｔａｌｌｉｃ ｓｏｌｉｄ ｐａｉｒｓ Ｉ－Ｊ］．Ｉｎｔｅｒ— ｎａｔｉｏｎａｌ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ ｉｎ Ｈｅａｔ ８Ｌ Ｍａｓｓ Ｔｒａｎｓｆｅｒ． １９９７，２４（７）：９８９：９９８． ｇｒａｄｅ ｓｔｅｅｌ ＥＪ］．Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｔｈｅｒｍａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２０１５， １（６）：５０５—５１６． ［４］ Ｎｅｌｓｏｎ Ｊ Ａ，Ｒｅｎｎｉｅ Ａ，Ａｂｒａｍ Ｔ Ｎ，ｅｔ ａ１．Ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｐｒｏｃｅｓｓ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ ｏｎ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｉｎ ｔｈｅ ［１３］ Ｋｉｓｈｉ Ｙ，Ｏｓｈｉｍａ Ｎ，Ｆｕｊｉｍｏｔｏ Ｓ，ｅｔ ａ１．Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｔｅｒｎ— ｐｅｒａｔｕｒｅ ｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎ ｏｆ ｆｒｉｃｔｉｏｎ ｓｕｒｆａｃｅ ｏｖｅｒ ｍｕｌｔｉ ｐｌａｔｅ ｐｏｗｄｅｒ ｂｅｄ ｄｕｒｉｎｇ ｌａｓｅｒ ｓｉｎｔｅｒｉｎｇ ｏｆ ｐｏｌｙａｍｉｄｅ－１２ ＥＪ］． Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｔｈｅｒｍａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２０１５，１：１５９—１６５． ｌｏｃｋ－ｕｐ ｃｌｕｔｃｈ ｆｏｒ ｔｏｒｑｕｅ ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ［Ｃ］．ＳＡＥ Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｐａｐｅｒ，２０１４． ２８一
