2016款別克君越30H混動版車混合動力系統詳解

威海職業學院 劉 華

威海市職業中等專業學校 劉 彬

2016年8月，別克君越30H混動版車型在國內正式上市銷售，該款車搭載了1.8 L SIDI缸內直噴汽油發動機和一套由雙電機組成的混聯式混合動力系統（該系統后續分別應用在別克君威30H、雪佛蘭邁銳寶XL車型上），該混合動力系統的最大輸出功率為136 kW，0 km/h～100 km/h加速時間為8.9 s，綜合工況油耗為4.7 L/100 km。該車整車質保期為3年或10萬km，高壓鋰電池組質保期為8年或16萬km。本文對該車混合動力系統的組成、工作原理及工作模式進行詳細分析。

1 混合動力系統的組成及工作原理

如圖1所示，別克君越30H車混合動力系統主要由1.8 L SIDI缸內直噴汽油發動機（型號為LNK）、電控智能無級變速器（EVT）、高壓鋰電池組總成等組成。

圖1 別克君越30H車混合動力系統的組成

1.1 LNK發動機

LNK發動機采用阿特金森循環，排量為1.8 L，氣缸直徑和沖程分別為80.5 mm、88.2 mm，缸體材料為鑄鐵，缸蓋材料為鑄鋁，壓縮比為11.5∶1，配氣機構為雙頂置凸輪軸，每個氣缸有4個氣門，點火系統為單缸獨立點火，燃油供給方式為缸內直噴，最大輸出功率為94 kW，最大轉矩為175 N·m。

L NK發動機采用了缸內直噴、雙可變氣門正時（VVT）、雙級可變排量機油泵、水冷式廢氣再循環（EGR）系統及排氣熱交換器等技術，其目的是為了進一步提高發動機的燃油經濟性。

1.1.1 雙級可變排量機油泵

如圖2所示，雙級可變排量機油泵為葉片式，安裝在曲軸的前端，曲軸直接驅動機油泵的轉子，并帶動葉片完成吸油、壓油過程，通過調整定子（調節環）與轉子之間的偏心距來改變機油泵的排量。發動機控制模塊（ECM）通過對機油壓力控制電磁閥的控制來實現機油泵排量的變化，從而在不需要高壓潤滑油時，通過降低機油泵的排量來降低發動機運行阻力，從而實現節油的目的。機油壓力控制電磁閥是一個開關式的電磁閥，位于機油濾清器座上方的氣缸體上，控制去向機油泵反饋油路的通斷。當機油壓力控制電磁閥不通電時，電磁閥處于斷開狀態，定子在彈簧力的作用下保持在偏心率最大的位置，此時機油泵的排量最大。

圖2 雙級可變排量機油泵的結構

1.1.2 水冷式EGR系統

水冷式EGR系統主要由EGR閥、EGR閥開度傳感器、2個排氣溫度傳感器、冷卻交換器及相關連接管路等組成。

ECM通過直流電機對EGR閥進行線性控制，實現對廢氣再循環的工作時刻和廢氣再循環量進行精確控制；EGR閥開度傳感器實時監測EGR閥的開度并反饋給ECM；2個排氣溫度傳感器實時檢測冷卻前、后的排氣溫度，用于反饋EGR系統的冷卻效果。

當中、小負荷時，通過雙VVT系統實現內部EGR功能，降低NOx排放；當大負荷時，外部水冷式EGR系統開始工作，通過廢氣再循環，降低燃燒室的溫度，降低NOx排放。

1.1.3 排氣熱交換器

排氣熱交換器利用排氣溫度對冷卻液進行加熱，以保證車輛在高寒地區能夠迅速暖機，同時快速向車內供熱。混合動力車型以純電動模式行駛時，發動機處于停機狀態，因此排氣熱交換器可有效改善車輛行駛中車內的暖風效果。

如圖3所示，排氣熱交換器由熱交換器控制電磁閥控制其工作模式。在加熱模式下，熱交換器控制電磁閥將通往熱交換器的閥門打開，通往排氣管的旁通閥門關閉，排氣經過熱交換器后加熱冷卻液；在非加熱模式下，通往熱交換器的閥門關閉，通往排氣管的閥門打開，冷卻液不被加熱。ECM根據環境溫度、冷卻液溫度、發動機轉速、變速器擋位、發動機運行時間等信號來控制熱交換器控制電磁閥。

圖3 排氣熱交換器的結構

1.2 電控智能無級變速器

如圖4所示，電控智能無級變速器的型號為5ET50，它是混合動力系統的核心部件，其內部集成了2個驅動電機/發電機、2組行星齒輪機構、2組離合器、扭轉減振器、電源轉換器模塊（PIM）、電動液壓油泵、閥體等部件，其中2個驅動電機/發電機和2組行星齒輪機構同軸布置。該變速器可以實現4種不同的驅動模式。

圖4 電控智能無級變速器的結構

1.2.1 扭轉減振器

如圖5所示，扭轉減振器內含1個扭轉減振器旁通離合器，它安裝在在變速器的前端，通過一個離合器接盤直接安裝在發動機飛輪上，其主要功能是在發動機和變速器之間傳遞動力。當發動機向變速器傳遞動力時，離合器分離，扭轉減振器工作，使動力傳遞更加平順；在起動工況時，離合器接合，將扭轉減振器旁通，變速器內的驅動電機/發電機A驅動發動機，以快速起動發動機。

圖5 扭轉減振器

1.2.2 行星齒輪機構

2組行星齒輪機構分別為輸入行星齒輪機構和輸出行星齒輪機構。輸入行星齒輪機構安裝在變速器前端，其主要部件有輸入太陽輪、輸入內齒圈和輸入行星架（圖6）。輸入太陽輪通過其驅動軸的花鍵直接連接在驅動電機/發電機A的轉子上，輸入內齒圈外部連接在扭轉減振器上；輸入行星架通過鏈條連接至主減速器輸入齒輪且輸出動力，并與輸出行星架花鍵連接；駐車鎖止結構的棘輪集成在輸入行星齒輪架上。輸出行星齒輪機構安裝在變速器的后端，其主要部件有輸出太陽輪、輸出內齒圈和輸出行星架（圖7）。輸出太陽輪直接連接在驅動電機/發電機B的轉子上，輸出內齒圈通過低速離合器可以被固定在殼體上，輸出行星架通過花鍵與輸入行星架連接在一起并輸出動力。

圖6 輸入行星齒輪機構

圖7 輸出行星齒輪機構

1.2.3 離合器

2組離合器分別為高速離合器和低速離合器（圖8），兩者均為液壓驅動多片式離合器。高速離合器安裝在驅動電機/發電機A的轉子上，高速離合器接合后，可以將驅動電機/發電機A與輸出內齒圈連接在一起；低速離合器安裝在變速器中部，低速離合器接合后，可以將輸出內齒圈與變速器的殼體連接，從而將輸出內齒圈固定。

圖8 高速離合器和低速離合器

1.2.4 驅動電機/發電機

2個驅動電機/發電機均為三相永磁同步電機，電機采用條形繞組結構（圖9），相比圓形繞組，其直流阻抗更低，同時具有更好的散熱特性。

圖9 驅動電機/發電機B

驅動電機/發電機A安裝在變速器的后部，主要作為發電機使用，高速驅動模式下也可以參與驅動，另外，在車輛靜止或行駛中，它也可以作為起動機使用，倒拖起動發動機。驅動電機/發電機A最大功率為54 kW，最大轉矩為140 N·m。

驅動電機/發電機B安裝在變速器的前部，主要作用是驅動車輛，在車輛滑行或制動時，作為發電機使用，回收制動能量。驅動電機/發電機B的最大功率為60 kW，最大轉矩為275 N·m。驅動電機/發電機B外殼上安裝了輸出轉速傳感器，用于檢測輸出齒輪的轉速和旋轉方向。

為了實現對電機進行矢量控制，需精確測量電機轉子的轉速、轉向及位置，為此，每個驅動電機/發電機上均安裝了電機轉速/位置傳感器。電機轉速/位置傳感器采用了旋轉變壓器的結構形式，由3個定子線圈（勵磁線圈、正弦繞組、余弦繞組）和轉子（隨電機轉子同步旋轉）組成。

1.2.5 電源轉換器模塊

電源轉換模塊（圖10）集成在變速器內部，電源轉換器模塊內部集成了混合動力控制模塊（HPCM）和3個電機控制模塊。HPCM的主要作用是控制電機的運行模式，與位于高壓鋰電池組總成內的混合動力控制模塊2（HPCM2）通信，并確定內部高壓啟用與停用。3個電機控制模塊分別用于控制驅動電機/發電機A、驅動電機/發電機B和電動液壓油泵。電機控制模塊內部有大功率的絕緣柵雙極型晶體管（IGBT），負責接收HPCM的指令，并對電機的轉動方向、速度、轉矩等進行控制，同時，電機控制模塊需實時采集電機的電壓、電流及溫度信息，并傳輸給HPCM和組合儀表，由組合儀表顯示當前車輛的運行參數。

圖10 電源轉換模塊

驅動電機/發電機A、驅動電機/發電機B及電源轉換模塊均采用單獨的冷卻液系統散熱，冷卻液泵為12 V電動冷卻液泵。

1.2.6 電動液壓油泵

電動液壓油泵（圖11）安裝在變速器的下方，為高速離合器、低速離合器和扭轉減振器旁通離合器提供液壓，并使液壓油在變速器內部循環，起到潤滑、冷卻的作用。電動液壓油泵電機為三相交流電機，由電源轉換器模塊直接驅動。

圖11 電動液壓油泵

1.2.7 閥體

管路壓力調節電磁閥（線性電磁閥）安裝在變速器閥體上；電磁閥體安裝在變速器閥體的側蓋上，內置4個壓力控制電磁閥，分別為高速離合器控制電磁閥、低速離合器控制電磁閥、扭轉減振器旁通離合器控制電磁閥及潤滑油路控制電磁閥。

1.3 高壓鋰電池組總成

如圖12所示，高壓鋰電池組總成主要由高壓鋰電池組、接口模塊、混合動力控制模塊2、接觸器盒總成、手動分離器開關等組成。高壓鋰電池組總成位于乘客艙內后排座椅下方，其主要作用為：存儲電能；管理高壓鋰電池組充放電電量與技術狀態；控制高壓鋰電池組對外電能輸出的接通與關閉；與車輛其他模塊通信。

圖12 高壓鋰電池組總成

1.3.1 高壓鋰電池組和接口模塊

高壓鋰電池組采用韓國LG公司生產的三元鋰離子電池，電芯的標稱電壓為3.6 V，標稱容量為5.2 A·h，每10個電芯組成一個電池單元，8個電池單元依次串聯組成高壓鋰電池組。高壓鋰電池組的總電壓為3.6 V*10*8=288 V，儲存的總電能為288 V*5.2 A·h=1 497.6 W·h≈1.5 kW·h。

接口模塊位于高壓鋰電池組的上方，每個電池單元上方設置一個接口模塊，共8個。接口模塊的作用是采集每個電芯的電壓信號及每個電池單元的溫度信號，并將這些信號傳遞給混合動力控制模塊2。接口模塊與混合動力控制模塊2采用串行數據進行通信。

1.3.2 混合動力控制模塊2

混合動力控制模塊2也可稱為電池管理系統（BMS）模塊，位于高壓鋰電池組總成的左上方，其主要作用為：與接口模塊通信，獲取高壓鋰電池的溫度及電壓等信號；采集電流傳感器信號，估算高壓鋰電池的充電狀態及剩余電量（SOC）；管理高壓鋰電池的充放電電壓，平衡每個電芯的技術狀態，從而提高電池的使用壽命；通過接口模塊實現高壓鋰電池的電量平衡控制。

1.3.3 接觸器盒總成

接觸器盒總成位于高壓鋰電池組總成的上方，鄰近混合動力控制模塊2，其內部集成了正極接觸器、負極接觸器、預充電繼電器、預充電電阻、手動分離器開關（內含熔絲）、電流傳感器等?；旌蟿恿刂颇K2通過控制上述接觸器和繼電器，實現高壓鋰電池組的高電壓輸出接通和關閉。

手動分離器開關串聯接入8個電池單元的回路中，內含125 A熔絲，并具有高壓互鎖功能。在維修車輛高壓相關系統時，需先拔下手動分離器開關，斷開高壓鋰電池組的內部回路。

1.3.4 14 V電源模塊

14 V電源模塊也可稱為DC/DC控制器，位于高壓鋰電池組總成的上方，其作用是將高壓鋰電池組的高壓電降壓后，給蓄電池充電或向車身電器設備供電，最大供電電流為130 A。

1.3.5 高壓鋰電池組總成的冷卻

高壓鋰電池組總成采用風冷的方式進行冷卻，混合動力控制模塊2通過接口模塊采集高壓鋰電池的溫度信號，對鼓風機轉速進行無級調節。

1.4 組合儀表

如圖13所示，組合儀表與傳統汽油車不同，取消了發動機轉速表，增加了電力指示表、駕駛效率表及車輛準備就緒（READY）指示燈等。

1.4.1 電力指示表

電力指示表位于左側表盤內的左半部分，電力指示表指示車輛加速或減速時的功率使用情況。左下方綠色區域表示車輛正在進行再生制動，中間區域表示功率由發動機或高壓鋰電池提供，上方區域表示功率用量較高。

圖13 組合儀表（高配車型）

1.4.2 駕駛效率表

駕駛效率表位于右側表盤內的左半部分，用于指導駕駛人以高效的方式駕駛車輛。當指針保持綠色并中央位置時，表示駕駛效率高；當車輛加速時，如果指針偏到表的上側時，說明加速過急，無法優化效率；當車輛制動時，如果指針偏到表的下側時，說明制動過猛，也無法優化效率。

1.4.3 READY指示燈

將點火開關置于ON位，若混合動力系統正常，READY指示燈點亮（綠色）。

2 混合動力系統的工作模式

2016款別克君越30H車混合動力系統的傳動原理如圖14所示，其工作模式分為起動模式、驅動模式及能量回收模式，其中驅動模式又分為純電機驅動、低速驅動、固定傳動比驅動及高速驅動等4種模式。各工作模式下，發動機、驅動電機/發電機及離合器的狀態見表1所列。

圖14 2016款別克君越30H車混合動力系統的傳動原理

2.1 起動模式

起動發動機時，扭轉減振器旁通離合器接合，低速離合器和高速離合器均分離，驅動電機/發電機A起到起動機的作用。

起動模式時的動力傳遞路線為：驅動電機/發電機A→輸入行星齒輪組的太陽輪→輸入行星齒輪組的內齒圈→扭轉減振器旁通離合器→發動機。

2.2 純電機驅動模式

在純電機驅動模式下，發動機停止工作，低速離合器接合，高速離合器和扭轉減振器旁通離合器均分離。由于低速離合器接合，輸出行星齒輪組的齒圈被固定，驅動電機/發電機B驅動車輛行駛。

表1 各工作模式下發動機、驅動電機/發電機及離合器的狀態

純電機驅動模式時的動力傳遞路線為：驅動電機/發電機B→輸出行星齒輪組的太陽輪→輸出行星齒輪組的行星架→鏈條傳動→主減速器、差速器、半軸→車輪。

在純電機驅動模式下，由于輸出行星齒輪組的行星架轉動，輸入行星齒輪組的行星架也同步轉動，而發動機停止轉動，輸入行星齒輪組的齒圈也停止轉動，因此，輸入行星齒輪組的太陽輪（連接驅動電機/發電機A）必須轉動，此時，驅動電機/發電機A雖然轉動，但是不驅動也不發電，處于空轉的狀態。

純電機驅動模式時，倒擋與前進擋的動力傳遞路線相同，可以通過改變驅動電機/發電機B的轉動方向來實現倒擋行駛。

2.3 低速驅動模式

車輛以純電機驅動模式行駛，當高壓鋰電池組的電壓降低到標定值時，車輛進入低速驅動模式，此時發動機自動起動，發動機帶動驅動電機/發電機A發電，驅動電機發電機B驅動車輛行駛。低速驅動模式時，低速離合器接合，高速離合器和扭轉減振器旁通離合器均分離。

低速驅動模式時的動力傳遞路線為：驅動電機/發電機B→輸出行星齒輪組的太陽輪→輸出行星齒輪組的行星架→鏈條傳動→主減速器、差速器、半軸→車輪。發動機帶動驅動電機/發電機A發電時的動力傳遞路線為：發動機→扭轉減振器→輸入行星齒輪組的內齒圈→輸入行星齒輪組的太陽輪→驅動電機/發電機A→發電。

2.4 固定傳動比驅動模式

隨著車速的提高（中速），車輛進入固定傳動比驅動模式，此時，低速離合器和高速離合器均接合，扭轉減振器旁通離合器分離。由于低速離合器、高速離合器均接合，因此輸出行星齒輪組的齒圈、輸入行星齒輪組的太陽輪均被固定在變速器的殼體上，即驅動電機/發電機A停止，而發動機、驅動電機/發電機B均參與驅動車輛。

發動機驅動車輛的動力傳遞路線為：發動機→扭轉減振器→輸入行星齒輪組的內齒圈→輸入行星齒輪的行星架→鏈條傳動→主減速器、差速器、半軸→車輪。

驅動電機/發電機B驅動車輛的動力路線為：驅動電機/發電機B→輸出行星齒輪組的太陽輪→輸出行星齒輪組的行星架→鏈條傳動→主減速器、差速器、半軸→車輪。

2.5 高速驅動模式

高速驅動模式時，高速離合器接合，低速離合器和扭轉減振器旁通離合器均分離，此時，驅動電機/發電機A、驅動電機/發電機B及發動機共同驅動車輪。

在輸入行星齒輪組中，發動機和驅動電機/發電機A分別向輸入行星齒輪組的齒圈和輸入行星齒輪組的太陽輪輸入動力，再通過輸入行星齒輪組的行星架向車輪輸出動力。在輸出行星齒輪組中，驅動電機/發電機B和驅動電機/發電機A分別向輸出行星組的太陽輪和輸出行星組的內齒圈輸入動力，再通過輸出行星齒輪組的行星架向車輪輸出動力。

2.6 能量回收模式

當車輛處于滑行或制動時，發動機停止工作，低速離合器接合，高速離合器和扭轉減振器旁通離合器均分離。由于低速離合器接合，輸出行星齒輪組的齒圈被固定，此時，驅動電機/發電機B被車輛反拖驅動而發電，實現再生制動能量回收。能量回收模式時的動力傳遞路線為：車輪→半軸、差速器、主減速器→鏈條傳動→輸出行星齒輪組的行星架→輸出行星齒輪組的太陽輪→驅動電機/發電機B→發電。