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适用于混合动力汽车的多级变速器理念与实现方法
2019-04-02 22:00:58· 来源：同济智能汽车研究所 作者：智能动力系统室
本文译自：《Concept and Approach of Multi Stage Hybrid Transmission》原作者：Tatsuya Imamura,Atsushi Tabata,Tooru Matsubara,Yuji Iwase,Kenta Kumazaki,
本文译自：《Concept and Approach of Multi Stage Hybrid Transmission》
原作者：Tatsuya Imamura, Atsushi Tabata, Tooru Matsubara,Yuji Iwase,Kenta Kumazaki,Keita Imai
原文链接：https://doi.org/10.4271/2017-01-1098
编者按：混合动力汽车的变速器对整车的经济性和动力性有一定程度的影响。长久以来，科研人员不仅致力于控制策略的研究，也针对混动变速器内部的的构型提出了许多改进的方案。作为混动汽车行业内的领先者，丰田汽车公司在此方面有着较为丰富的经验。本篇论文针对某款混动变速器的构型进行分析，提出了“多级变速”的理念。结果证明：采用新构型的变速器对整车动力性、经济性以及热管理性能有着积极的作用。
摘要:
Lexus为其旗舰级跑车LC500h coupe开发了一款多级变速器，旨在让其燃油经济性和加速性能方面达到一种卓越的平衡。为了达到上述目标，该款变速器基于输入功率分流式混动系统，采用多级变速的理念来获得多个高效工作点。该理念通过一个位于功率分流装置后的换挡元件来实现，同时功率分流装置分别与电动机、发电机和逆变器相连以实现eCVT工作模式。相比于以往的混合动力变速器，新的变速器上新搭载的换挡装置根据驱动工况选用了最佳的速比，不仅在燃油经济性方面有着卓越的提升，在热管理性能方面也有突出的进步。另外换挡装置内部的低挡齿轮副可同时放大电机和发动机的扭矩（以往的变速器仅能放大电机扭矩），极大地提高了整车加速性能。本篇论文以获得多高效工作点为导向，介绍了选用依附于输入功率分流式系统的多级变速理念的初衷以及其相对于传统混动变速器的潜力所在。
1.引言
2006年，Lexus发布的一款后驱乘用车（RWD）Lexus GS450h上搭载了Lexus的混动系统（LHD）。该系统在2007年也被用于全驱的Lexus LS600h上。此系统包括一个混合动力变速器，在此变速器内部配备了一个两级电机减速装置。这套系统动力性方面获得了包括赛车手在内的驾乘人员的高度评价，同时也表现出了良好的经济性。自从此款车型发布以后，原有的混动系统已经获得了多次的改进，极大地降低了CO2的排放。
然而近几年来，人们环保意识日益增强，对车辆提出的要求越来越高。这一趋势使得全球各个国家和地区都纷纷宣布将制定更加严格的排放法规。因此，开发和推广更加环保的汽车就显得十分重要。近年来，各式各样的系统层出不穷，市场竞争也日趋激烈。甚至在由各种高动力性能汽车主宰的豪华轿跑车市场也出现了越来越多的混动车型，对经济性和加速性能的要求越来越高。
在此背景之下，为了使得后驱轿跑车的经济性和动力性能达到卓越的平衡，多级变速混动系统应运而生。LC500h将此系统与一台V6发动机配合，0到60mph（约100km/h）加速时间为4.7s。等效燃油消耗率达到30mpg（每消耗1加仑燃油汽车行驶30英里，即百公里油耗7.9L左右），并且在尾气排放方面达到了超低排放汽车的标准。新开发的多级混动变速器（图1）在此方面功不可没。
图1 变速器剖视图
2. 开发目标
开发此款适用于大排量后驱混动车型的混动变速器的目标在于提高经济性、加速性能以及热管理性能。
2.1 经济性提升
主要的开发目标是提高在高速行驶工况下的经济性。具体而言，在变速器增速速比范围内增加了高效工作点。通过调节位于功率分流装置后方的换挡元件4挡速比可达到上述目标。
2.2 加速性能提升
为了让此款车型的加速性能在等排量后驱混动汽车中脱颖而出，优化了换挡元件中1、2挡速比使得发动机和电机扭矩得到提升。
2.3 热管理性能提升
为了实现通过降低电动机、发电机以及逆变器产热量的方式来提高热管理性能，优化了1-4挡速比，使得在汽车在行驶过程中的电能转换降低。
3.旧混动变速器分析
接下来将对旧混动变速器的优势以及需要改善的性能（以适应大排量发动机）进行介绍。诚然，旧混动变速器中选用输入功率分流模式已经选择了比较有潜力的一种模式，然而旧混动变速器仍有在经济性、加速性能以及热管理性能方面进一步改善的需求。
3.1 输入功率分流模式的优点
旧混动变速器中采用了输入功率分流模式。该模式满足了一款混动变速器的如下需求：
① 迅速且稳定的发动机启停，无引起不适的振动。
② 高效的纯电驱动模式，能量可回收。
③ 大速比范围下发动机高效工作
④ 降低电动机和发电机输出
⑤ 结构简单
在输出功率分流模式和复合功率分流模式中，可以通过结合其他模式来获得更好的整体系统性能。
3.1.1分流模式的划分
因为采用功率分流模式的混动变速器有着丰富的工作模式，所以其在很多混动汽车上都有应用。这些工作模式包括CVT、启停发动机、纯电驱动、能量回收。
一台采用功率分流模式的混动变速器有一个差动机构（行星齿轮）、两台电动机/发电机（与差速机构的转动部分相连）、一个输入轴以及一个输出轴。变速器可以在以下三种模式下工作：输入功率分流、输出功率分流、复合功率分流。
在输入功率分流模式中，输出轴及一个电动机/发电机共同与差动机构的某一部分相连，三者转速相同。差动机构的其他两个部分分别与另一个电动机/发电机以及输入轴相连。（图2）
图2 输入功率分流式构型简图
在输出功率分流模式中，输入轴及一个电动机/发电机共同与差动机构的某一部分相连，三者转速相同。差动机构的其他两个部分分别与另一个电动机/发电机以及输出轴相连。（图3）
图3 输出功率分流式构型简图
在复合功率分流模式中，输入轴、输出轴以及两个电动机/发电机与差动机构的不同部分相连，转速不同。（图4）
图4 复合功率分流式构型简图
3.1.2 功率分流式变速器的特点
在一个功率分流式的变速器中，输入功率途经机械路径和电路径被传递至输出轴。例如，图5展示了在输入功率分流模式下，输入功率在机械路径和电路径之间的分流比，这一比率随着变速器的传动比而改变。当功率被分流至电路径，机电之间的能量转换将发生两次。这就导致了功率的损失。这一损失也是变速器效率低下的主要原因。图5展示了电路径的功率损失，仅考虑了功率转换带来的损失。当MG1转速为0时，电路径的功率损耗为0。这一点便是一个高效率点（图中圆圈部分）。在变速器增速速比范围内，以高效点为基准，功率在MG1和MG2之间循环。
图5 从输入轴至输出轴的输入功率分流比
图6展示了不同功率分流模式下变速器的效率，此效率仅考虑了功率转换损失（下文以“理论效率”代指此效率）。电动机/发电机与差动机构的连接点、差动机构的齿数比均根据实际设定。该图也展示了一个大排量乘用车内变速器各传动比的使用频率。
在城市工况下变速器常用的传动比范围内，所有的功率分流模式都有着很高的理论效率，尤其是复合功率分流模式，而且其有两个最高效工作点。
图6 理论效率比较
即便是在高传动比工况下，输入功率分流模式也保持了一个高理论效率。这意味着在高传动比工况下，此种模式的电路径功率要小于其他工作模式，这有利于降低电动机/发电机的功率输出。
输入功率分流模式仅有一个行星齿轮组和电动机/发电机，结构简单，而且在较广的速比范围内都保持着较高的效率。
3.1.3 纯电驱动工作模式下的性能
在输入功率分流模式中，输出轴和MG2相连。因此，在纯电驱动工作模式下以及能量回收时，MG2的转矩可以直接施加给输出轴。
与此相反，由于在其他工作模式下电动机/发电机的转矩是通过差动机构传递给输出轴的，在差动机构中还需要另一个电机/发电机产生反作用力矩。此力矩会导致功率损失的产生。
另外，在输入功率分流模式和复合功率分流模式中，由于电动机\发电机不与发动机轴相连，两个电动机/发电机的力矩可以在纯电驱动模式下驱动车辆。如果连接发动机输出轴还可进行能量回收。
3.1.4 发动机启停性能
如前文所述，在输入功率分流模式下输出轴和MG2连接。因此当发动机启停时，由输出轴传递过来的转矩波动可以很轻易地被MG2的转矩抵消。
3.2 需要被提高的性能
下文将介绍适用于RWD大排量汽车的新型混动变速器的三个主要设计目标。
3.2.1 高速工况下燃油经济性的提升
高速工况下，大排量发动机常选择理论效率较低的低传动比以降低发动机转速，此传动比设定的目的也在于提高发动机热管理效率并降低高速工况下的噪声。（图7）
改进的目的在于拓宽高效率的传动比范围，此范围应向高速工况下常用传动比的方向拓展。
图7 旧混动变速器的理论效率以及传动比使用频率
3.2.2 加速性能的提升
图8展示了旧混动变速器中MG1与输入轴的转速之比。在变速器减速速比范围内，该比值大于1，即MG1的转速高于输入轴转速。因此，如图9所示，在车辆起步时发动机的转速是受到MG1额定转速的限制的。
加速性能的提升在此主要依靠在车辆起步阶段提升发动机的限制转速。
图8 旧混动变速器的电机转速与输入轴转速之比
图9 旧混动变速器的发动机转速限制
3.2.3 热管理性能的提升
图10表明：旧混动变速器中，在高负载工况下电路径的功率损失较高。因此，旧混动变速器中的电子元件需要有高耐热性和良好的散热性能。
热管理性能提升的思路在于降低高传动比和高输入功率工况下电路径输入功率的比率。
图10 旧混动变速器中电路径功率损失
4.改进的思路和实现方法
下文将介绍一种多级变速的方法，旨在增加高效工作点。此方法基于的模式是高性能的输入功率分流模式。此方法也与另外两种方法在获得的最高效工作点数量上进行了对比。假设变速器中有三个行星齿轮组，则每种方法都可以获得4个最高效工作点。
4.1 多高效工作点的思路以及多级变速的方法
为了提升变速器的性能表现，对各种不同的方法进行了研究评估，并最终选用了多高效工作点的思路。
对该思路进行进一步研究的基础是选用了输入功率分流的模式。
多级变速是实现多高效工作点最终选用的方法，结构上在输出轴后方添加了一个换挡元件。（图12）旧结构如图11所示。
图11 适用于后轮驱动豪华车型的旧混动变速器构型
图12 多级变速混动变速器构型
4.2 多级变速方法与其他方法的对比
多级混动变速器包括一个换挡机构（两个行星齿轮组）和一个功率分流机构（一个行星齿轮组）。总共可为变速器创造4个高效工作点。
多功率分流模式的方法以及多传动比的方法也可增加高效工作点的数量，且均为4个。上述三种方法的定义如下：
① 多级变速方法：在功率分流装置的前方或后方紧挨着布置了一个换挡元件。
② 多功率分流模式方法：工作中可切换不同的功率分流模式。
③ 多传动比方法：工作中可切换功率分流装置中的转动部分（图13）。
考虑到此变速器的应用范围是后驱汽车，需要3个行星齿轮组，2个电机。下一步将分析不同构型下的高效工作点数量。
图13 多传动比方法下的杠杆图
流程①到流程③可分析出所有可用的功率分流模式。每一种模式下都需要1到2个行星齿轮组。流程④，⑤，⑥则提取出了所有功率分流模式下可用的构型。
①根据两个电动机\发电机和输入轴相对位置定义了三种构型。（图14，图15，图16）
②在上述三种构型中，根据输出轴的位置又可定义13种功率分流模式。其中输入输出轴相同的情况不予考虑。（图14，图15，图16）
③在上述的13种功率分流模式中提取出可用的模式（至少有一个高效工作点）。
④将提取出的可用模式中的任意两种或三种模式通过三个行星齿轮组进行组合，形成不同构型。
⑤考虑纯电驱动模式下的效率、模式的复杂性以及传动比变换的简易性对所有构型进一步提炼。
⑥考虑构型的实用性，再次提炼。
⑦计算每种构型下高效点数量。
图14 电机-输入轴-电机布置模式下的杠杆图
图15 电机-电机-输入轴布置模式下的杠杆图
图16 电机-电机输入轴布置模式下的杠杆图
图17，18，19展示了部分分析结果。三个行星齿轮相互连接，有5个转动元件。图17展示了具有一个最高效工作点的输入功率分流模式。图18，19是两个复合功率分流模式，每一种模式有两个最高效工作点。但图19中有一个输出元件具有负转速。此时产生的高效工作点不适用于前进的工况。因此这个系统总共有1+2+1=4个高效工作点。
图17 输入功率分流模式下的杠杆图
图18 复合功率分流模式1下的杠杆图
图19 复合功率分流模式2下的杠杆图
5.多级变速的优势
每一种功率分流模式以及功率分流比需要电动机/发电机具有特定的性能来实现CVT模式和启动发动机模式。而在多级变速的理念中功率分流机构仅有1种功率分流模式和功率分流比，所以可以降低对电动机\发电机的要求，并且能够获得诸多高效工作点。这意味着多级变速器十分具有竞争力。下文将详细介绍多级变速器的优势。
5.1 理论效率
图20展示了多级混动变速器的理论效率。我们对换挡元件中的4挡速比进行了优化，以适应70%的高速工况。这样以来在高速工况下可以获得更高的变速器效率。
图20 变速器的理论效率
5.2 发动机转速限制
图21展示了多级混动变速器中MG1转速与输入轴转速之比。多级变速器的结构使得即使在高传动比范围内电机也可以控制在较低的转速范围内。正如图22所示，这极大地提高了发动机的限制转速。
图21 电机转速与输入轴转速之比
图22 取决于电机额定转速的发动机限制转速
5.3 高速工况下燃油经济性
图23展示了新、旧两款变速器在高速巡航工况下燃油经济性的仿真结果。两款变速箱均配备3.5升自然吸气式发动机。相比于旧款变速器，新款变速器在高速工况下的高效点增多，因此提升了至少5%的燃油经济性能。
图23 高速巡航工况下的燃油经济性
5.4 加速性能
图24展示了新、旧两款变速器在加速起步工况下仿真结果。同样，两款变速箱均配备3.5升自然吸气式发动机。
装备了新款多级变速器的汽车在起步后加速度至少提高了30%（图中a点）。这也是由于新型变速器的结构：其不仅放大了来自MG2的扭矩，也放大了发动机的扭矩。
另外，由于发动机的限制转速进一步提升，即使在较低的车速下也可以施加较大的发动机扭矩了。
因此，0-60mph（约100km/h）的加速时间至少缩短了17%。（c点）
由于发动机的限制转速得到了提升（d点），多级混动变速器也有了CVT模式。这样可用的发动机转速范围得到进一步扩大。一来可以使得线性感增加（随着车速增加发动机转速也增加），二来使得高转速下较高的发动机功率可以被利用。
a.加速度
b.车速
c.发动机转速
图24 起步加速性能
5.5 热管理性能
图25展示了新、旧两款变速器的电路径功率损失率。功率损失有着明显的下降。然而，需要注意的是，在新的多级混动变速器中电动机/发电机是特别设计的。
图25 电路径功率损失率
6.结论
本篇论文介绍了提升大排量后驱混动车型的燃油经济性，热管理性能以及加速性能的方法，主要的思路是增加高效点。基于输入功率分流模式的多级变速器则是一种解决方案。
与之前的混动变速器相比，多级混动变速器在高速工况下的燃油经济性至少提高了5%，最大加速度提升了至少30%，0-60mph加速时间至少缩短了17%。热管理性能也有了明显的提升。
原文参考文献
[1] Kamichi, K., Okasaka, K., Tomatsuri, M., Matsubara, T.,"Hybrid System Development for a High-Performance Rear Drive Vehicle," SAE Technical Paper 2006-01-1338, 2006, doi:10.4271/2006-01-1338.
[2] Adachi, M., Endo, H., Mikami, T., Yagi, K., "Development of a New Hybrid Transmission for RWD Car," SAE Technical Paper 2006-01-1339, 2006, doi:10.4271/2006-01-1339.
原作者联系方式
Tatsuya Imamura
Project Manager
Advanced Drivetrain Engineering Div.
TOYOTA MOTOR CORPORATION
Tel:+81-80-6986-4894
Fax:+81-55-997-7283
tatsuya_imamura_ab@mail.toyota.co.jp
联系人：李老师
电话：021-69589225
邮箱：11666104@tongji.edu.cn
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