新型汽车变速器 eCVT (二)


本文速读:

  • 中国的eCVT变速器研究仍然落后于美国和日本。

  • 随着近年来国内混合动力支持政策的实施,中国车企在eCVT混动变速器上已取得很大的进展。

  • 本文着重介绍了吉利与上汽自主研发的eCVT变速器的技术细节。

上一篇文章里我谈了丰田与通用公司的 eCVT 变速器及两个行业巨头在此领域的不同发展方向。这篇文章中,我们来看看中国车企在 eCVT 变速器领域的发展。

中国政府近年大力支持混合动力及电动汽车。在此环境下,国内车企着手自主研发混动变速器。各种新型动力系统及变速器在市场上快速涌现。

今天,中国在 eCVT 变速器上的研发与美国及日本相比仍相对落后,然而,有不少优秀的“中国造”变速器已经或即将投向市场。这一片文章中,我想来说说吉利和上汽的 eCVT 变速器。

吉利与GL-ESD

吉利在2014年北京车展时首次展示了帝豪Cross概念车。这辆代表着吉利未来发展方向的概念车搭载了一台1.8升自然吸气发动机及自主开发的 GL-ESD 混动变速器。吉利当时计划于2015年下半年1将该混动系统推向市场。然而由于混动系统开发的复杂性,直至今日,该系统仍在调试中。

吉利帝豪Cross概念车

图1:吉利帝豪Cross概念车 | 图片@吉利

吉利 GL-ESD 系统结构如图2所示。变速器最中间位置是一个拉维娜式(Ravigneaux)行星齿轮组。该齿轮组包括两个太阳轮(S)、两组行星轮(P)及一个齿圈(R),其中两组行星轮共用一个齿架,并与发动机(功率 101 kW)相连。两个电机(EM1 40 kW,EM2 64 kW)分别与两个太阳轮相连。变速器内共有两个制动器(B1及B2)用于换档。

吉利GL-ESD混动变速器结构

图2:吉利GL-ESD混动变速器结构 | 图片@obasic.net

GL-ESD 变速器通过这个看似简单的结构实现了3种驾驶模式

纯电动驱动模式:B1制动器锁止,B2制动器打开。发动机停止工作。汽车由EM1及EM2共同驱动。
吉利在其公布的资料中2指出该变速器共有3个纯电动驱动档位,其中B1制动器锁止所对应的档位为第一档。通过B2制动器锁止可获得第二个档位。将两个制动器全部打开,通过EM1及EM2的协同控制,可以实现第三个档位。然而,在第二及第三档时,发动机必须在停止工作的状态下提供扭矩,并随变速器一同旋转。因此在我看来,这两个档位虽然理论上可用,但在实际运用中较难实现。鉴于这个原因(也由于电动机的高转速范围),我估计吉利在量产车型中会放弃纯电动驱动的第二及第三档。

eCVT模式:B1及B2制动器全部打开。发动机及两个电机共同驱动汽车。通过调整电机的转速,变速器可以实现无级变速(eCVT)。
与GM的双模式变速器不同的是,吉利的 GL-ESD 系统在 eCVT 模式下只能实现复合式功率分流(compound-power-split),而无法实现输入式功率分流模式(input-power-split),因此该系统仍为单模式变速器。这也意味着汽车在起步时不能使用 eCVT 模式,而只能使用纯电动模式启动。在电池电量非常不足时,汽车或许无法起步。吉利在电池管理系统及整车控制策略中必然考虑到了这一情况。

并联混动模式:B1制动器开启,B2制动器锁止。EM1停止工作。发动机及EM2电机共同驱动汽车。
该驾驶模式与普通的P2混合动力系统很相似。发动机驱动汽车(变速器转速比约为1.46),EM2电机可根据驾驶情况为电池充电,或利用电池内电量为汽车提供额外的驱动力。

总的来说,吉利的 GL-ESD 系统是一个结构相对简单的混动系统。它的结构导致其在 eCVT 模式下只能实现复合式功率分流。这个系统是市场上第一个舍弃输入式分流而使用复合式分流的单模式 eCVT 变速器。在我看来,这样的结构限制了 GL-ESD 系统 eCVT 模式的可用范围,而且对油耗的提升帮助并不大。

要提到的另外一点是,GL-ESD 系统内,发动机通过一个扭转减振器与变速器直接相连。汽车在普通行驶时,扭转减振器可有效地减小由发动机传递给变速器的扭转振动。然而,当发动机启动时(例如汽车由纯电动模式转换至其它模式时),扭转减振器反而会将发动机的振动放大,再传递给变速器,最终传递至车轮。这意味着每次发动机启动时,驾驶员会感觉到较强的振动感。绝大多数 eCVT 变速器都有相似的问题(包括丰田普锐斯、通用双模变速器等)。为了减小发动机启动时的振动,丰田3与通用4公司各采用了自己的独特解决方法。吉利在 GL-ESD 变速器上采用的方法值得我们期待。

上汽与EDU

上汽集团为提高新能源研发能力于 2009年成立上海捷能汽车技术有限公司。在捷能公司下,上汽研发出拥有完全自主知识产权的电驱变速器,其名称为 EDU(Electric Drive Unit)智能电驱动单元。该变速器已安装在荣威e550荣威e950车型上。

上汽荣威e550车型

图3:上汽荣威e550车型 | 图片@上汽集团

在上汽公布的信息中,EDU 变速器共提供6种驾驶模式。这6种模式其实可以总结为4种模式:纯电动驱动模式、并联式混动模式、串联式混动模式以及怠速充电模式。

上汽的 EDU 的主要结构如下图所示。该变速器中包括两台电机及多个齿轮组。然而,为了避免与丰田及通用等公司专利的冲突,上汽在 EDU 中没有采用行星齿轮组,而是使用了圆柱齿轮结构5

上汽EDU混动变速器结构

图4:上汽EDU混动变速器结构 | 图片@obasic.net

如上图,EDU 的结构可以大致分为三个部分,每个部分之间由一个离合器(C1 和 C2)连接:

第一部分(图中左)为一台14千瓦的 ISG 电机(Integrated Starter Generator,即启动电机)。该电机直接与发动机的曲轴相连。其主要功能为为电池充电。当发动机需要启动时,ISG电机可迅速输出扭矩,带动发动机至目标转速。

第二部分(图中右)为一台26千瓦的 TM 电机(Traction Motor,即驱动电机)。该电机主要负责汽车的电驱动以及刹车时的能量回收。

第三部分为一个传统的两速的变速器。发动机及两个电机的扭矩在这里汇合,并传递至差速器。

EDU 变速器采用一个同步器选择第一或第二档,其传动比分别为1.912和1.021 (主减速比为 3.033)6,可以说是一般汽车内的第三和第五档。这意味着(由于发动机转速的限制)汽车在起步及慢速行驶时,发动机不能直接驱动汽车。此时,C1 离合器必须保持打开状态,C2 离合器关闭,汽车的驱动完全由 TM 电机负责,即电动行驶。

与上面谈到吉利的 GL-ESD 系统时一样,一个值得讨论的问题是,当电池电量几乎用完的时候汽车如何起步?上汽 EDU 系统的做法是转换至串联混动模式。此时 C1、C2 离合器都打开,发动机推动 ISG 电机发电,产生的电量传递至 TM 电机以驱动汽车。

串联混动模式的效率很低,一般说来,汽车驱动系统会避免在这个模式下运行。然而,在上汽公布的资料中,EDU 系统在 NEDC 循环中在50至100 km/h 的工况下都选择串联模式进行驱动7,如图5。让我感到不解的是,在串联模式的区域(黄色区域)中,在很多工况情况下(例如图中400秒处,汽车从75 km/h 加速至100 km/h)若采用并联模式驱动,驱动系统可以达到很高的效率。上汽在这里为何选择了效率较低的串联模式让我不得而知。今年9月份时,我将有幸参加上汽 EDU 变速器总负责人罗思东教授的一个报告,希望到时能向他请教。

上汽EDU混动变速器在NEDC循环中的模式选择

图5:上汽EDU混动变速器在NEDC循环中的模式选择 | 图片@上汽集团

总的来说,上汽的 EDU 是一个非常另类的 eCVT 变速器系统。这个系统可以看成是融合了串联式混动、并联式混动、两档 AMT 变速器的一个混合式系统。

EDU 的结构让我想起了大众2012年的 TwinDrive 系统以及本田2014年的 Accord Plug-in 系统。这两个系统在结构上都与上汽的 EDU 很相似,它们都融合了串联式混动、并联式混动的结构。然而大众的 TwinDrive 及本田的 Accord Plug-in 系统都只提供了一个档位。上汽的 EDU 通过2个档位增大了发动机直接驱动汽车的范围,但系统结构及控制更加复杂。

下一篇中,我会来谈谈一些其他国家的 eCVT 混动变速器。

注释:

  1. 出处:吉利公司官方网站报道:”吉利汽车混合动力技术驶入快车道”

  2. 吉利张彤博士于2014年9月在CTI上海论坛上做的报告:混合动力及插电式混合动力传动系统开发。

  3. 丰田:在发动机停止时,将发动机曲轴精确地停止到一个特定的旋转角度。发动机在该旋转角度再次启动时,发动机产生的振动可以达到最小。
    具体文章见:H. Hisada, “AISIN AW New Full Hybrid Transmission for FWD Vehicles”, SAE Technical Paper Series, 2005

  4. 通用:在扭转减速器内安装一个离合器(damper bypass clutch)。该离合器在正常驾驶时保持打开状态,扭转减速器此时正常工作。发动机启动时,该离合器关闭,扭转减速器被“短路”,从而避免放大发动机的振动。
    具体文章见:J. Hendrickson, “General Motors Front Wheel Drive Two-Mode Hybrid Transmission”, SAE Technical Paper Series, 2009

  5. 在自主研发 EDU 变速器中,上汽已申请并获得大量专利,例如:

    • US8727939 B2: Hybrid electric drive unit, hybrid drive system and control method thereof
    • US8701808 B2: Series/parallel dual motor multi-clutch hybrid driving unit for vehicle

  6. 出处:汽车之家报道:”自主研发核心科技 e550混动技术解析”

  7. 出处:上汽集团罗思东教授在2015年4月 TMC 会议上的报告:”上汽PHEV电驱变速箱总成”


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