新型汽车变速器 eCVT (一)


本文速读:

  • 随着混合动力汽车的兴起,一种新型混动变速器(eCVT)成为了业界内的新研究重点。

  • 美国的通用与日本的丰田公司是这种新型混动变速器的先驱,并几乎瓜分了该领域的所有专利。

  • 自90年代末至今,两家公司分别推出了多款划时代的产品,极大地影响了汽车行业的走向。

对于绝大多数人来说,变速器无非是车里的那个换挡杆。
对于工科出身的人,变速器意味着一大堆大大小小的齿轮。
对于汽车业内的工科人,变速器是由各种弹簧、齿轮、轴承、阀门等构成的精密机器。

然而,不论是在业内还是业外,汽车变速器在人们心目中的形象仍然与十几年前一样,变速器仍然只是传统的纯机械部件。近几年混动汽车崛起,变速器是在混动化中变革最为深刻的部件

丰田普锐斯第三代

图1:丰田普锐斯第三代 | 图片@Auto Bild

上个月在美国底特律的一个汽车展会上与一个展商聊天。该公司主要生产双离合变速器(DCT)及自动变速器(AT)内的弹簧。这些变速器专业人士,对变速器的电气化仍然很陌生。对变速器内如何嵌入电动机,及由此对变速器及驱动系统带来的影响了解甚少。这一点很让我惊讶。

与一些展商聊下来,给我的感觉是,各个零部件生产厂商都普遍专注于各自的传统产品,对于其他产品或是整个驱动系统缺乏整体的认识和技术更新。这应该是任何一个行业内都普遍存在的现象。

变速器电动化其实早已开始,各类电动化的变速器早已投产,各种新型的变速器方案也正在加紧研发。这中间,业界内最新的发展动向为 eCVT 变速器

日本丰田与普锐斯

90年代时,混动系统对于汽车业来说还是一个颇为陌生的词。为了减低油耗,当时唯一合理的方式就是提升发动机与变速器的效率。此时的丰田特立独行,决定用混合动力的方式降低油耗。1997年,丰田推出了第一代普锐斯(Prius)。

第一代普锐斯的驱动系统结构极为简单,但在当时来说却非常新颖。一个行星齿轮组处于驱动系统的中心位置,行星齿轮组的三个轴分别与一台发动机(ICE,53 kW),一台发电机(MG1,18 kW)及变速器输出轴相连。除发电机外,系统中还安装有一台发电机(MG2,33 kW),用于直接推动变速器输出轴。总结来说,第一代普锐斯的变速器包括一个行星齿轮组、两台电机。变速器内找不到一个换挡元件。

丰田普锐斯第一代驱动系统结构

图2:丰田普锐斯第一代驱动系统结构 | 图片@Oak Ridge National Labotary

通过发动机与发电机(MG1)的协同工作,普锐斯可以实现无级变速行驶。由于该系统区别于传统意义上的纯机械无级变速器(CVT),因此,这种“电动”的无级变速被称作 eCVT(electrical CVT)

普锐斯的结构从第一代直至现在第四代经过不断调整更新,但是最核心的结构仍然保持不变,即用一个行星齿轮组进行功率分流。业内称普锐斯的这种结构为 Input-Split,即输入式功率分流,意思是发动机的功率在变速器的输入端被分成了两条分流:

第一条功率流完全由行星齿轮组传递至变速器的输出轴,这里,功率的传递完全通过机械形式进行,这份分流也被称为机械流

第二条功率流完全不同,在这里,功率在变速器的输入端被传递给发电机(MG1)。在发电机内,机械能被转换为电能,再传递给电动机(MG2)。在电动机上,电能再次被转换为机械能,然后传递至变速器输出轴。这条功率分流被称为电动流。很明显,在电动流的传递中,能量的形式被转换了两次,导致电动流的传递效率很低。

以普锐斯为代表的输入式分流系统适合于城市内的低速行驶。在这种行驶情况下,系统有较高的效率。第三代普锐斯的市内油耗约为百公里3至4升。然而,在高速公路上,由于系统结构的限制,输入式分流系统内无可避免的会出现功率循环,导致系统效率大幅降低,油耗可以增加至2倍多1。这也是这类系统的一个很大的缺点。

丰田普锐斯第四代驱动系统

图3:丰田普锐斯第四代驱动系统 | 图片@Hybrid Cars

然而,即使有这样的缺点,丰田仍然通过普锐斯系统取得了巨大的成功,并将此混动系统(官方名称为THS,即Toyota Hybrid System)运用在不同的车型上。到2015年为止,丰田旗下共有超过800万台车2使用这种输入式功率分流混动系统。

1997年普锐斯推出时,欧洲汽车厂商对其不屑一顾,百般嘲笑。在2016年的今天,普锐斯已经成为了混动汽车的代名词。

美国通用与双模变速器

输入式功率分流与复合式功率分流

图4:输入式与复合式功率分流 | 图片@The Truth About Cars

虽然德国人发明了汽车,然而历史上,汽车变速器的领衔人大部分时间却是美国人。

1939年通用公司(General Motors)研发出世界第一台自动变速器 Hydra-Matic,自此之后,通用公司在变速器领域一直处于领先地位。

90年代末,当丰田选择输入式功率分流式系统作为其发展方向时,通用公司也全力进军混动领域。通用的选择跟丰田很像,也是采用功率分流系统,然而却选择了另外一种分流系统,即复合式功率分流(Compund-Split)

利用这种系统,在高速行驶时,变速器内的电动流可以被抑制在一个较低的程度,使得大部分能量都通过机械流传递,同时提供无级变速(eCVT)。

如之前提到过,机械流较电动流传递的效率高,因此,复合式功率分流系统在高速行驶时比丰田的输入式分流更具优势。然而,在低速行驶时,复合分流式系统反而效率更低

为了解决这个问题,通用公司在它的变速器中结合了上述两种分流模式,即输入式和复合式分流。在低速行驶时,系统选用输入式分流,当汽车加速到高速时,变速器转换至复合式分流模式。

2005年时,通用公司联合宝马(BMW),戴姆勒(Daimler),克莱斯勒(Chrysler)组建 Global Hybrid Cooperation 联盟,并于2008推出了它在乘用车上的第一代 eCVT 产品,名称为Two Mode Transmission,即双模变速器。取这个名称正是因为其包含两个 eCVT 模式,即输入式和复合式两种模式。 该变速器的结构如下图。

通用公司双模变速器

图4:通用公司双模变速器。该变速器装配于宝马X6、奔驰ML450等车型上。 | 图片@宝马公司

这之后,通用陆续推出了几代更新的双模变速器。最新的一代产品安装在2016款 VoltMalibu Hybrid 上。

由于通用公司最早对双模式变速器进行研究,今天,绝大多数双模(或是多模)变速器的专利都被通用公司包揽,可以说是独占了这一块巨大的市场。欧洲人在这一块被远远地抛在了后面。

通用 vs. 丰田

总结来说,丰田与通用选择了两套截然不同的方案。

两家公司在各自的方案下都已有多年的技术积累,同时,专利的划分到了今天已经非常明显。丰田主要占有输入式功率分流系统,而通用则独霸复合式功率分流系统。两者哪个更好,业界内没有一致的说法。

通用 vs. 丰田

我曾经问丰田公司混动系统的高管 Heraldo Stefanon 丰田是否会大力研究复合式分流系统,得到的答复是丰田还是将重心放在输入分流上。在接下来的几年内,我们将看到这两类系统的并存及激烈竞争。通用与丰田的争斗将更加深入。

下一篇中,我会来谈谈欧洲及中国的 eCVT 产品。

注释:

  1. 出处:Prius Wiki 网站数据(德语)

  2. 出处:2015年12月丰田公司 Johan De Backer 于德国 CTI 会议上报告(德语):”Toyota Hybrid System – maßgeschneidert für große Stückzahlen”


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