通用集团第二代“Voltec”混合动力系统细节解析（一）

从1900年的Lohner-Porscge混合动汽车开始，保时捷是车用混合动力系统的开山鼻祖。到1997年的丰田普锐斯和1999年的本田Insight(图片)，日本汽车制造企业通过长达几十年的探索进化，将混合动力系统带至世界各地。

其实，无论是PHEV还是HEV，在混合动力这种能量转换形式发展的过程中有许多被我们遗忘的系统，他们有的生不逢时，有的昙花一现，但都不影响我们去回忆、惊叹和展望。

混合动力技术流派众多，但是在能耗和性能之间找到最优解的却屈指可数，为众人所知的丰田本田自不用说。其实通用集团也拿得出手Power Split （功率分流）这种目前公认的最优解的混动构型系统。

今天本文的主角是通用集团的Voltec混合动力系统的第二代。遗憾的是2019年通用已经停止生产插电式混合动力车雪佛兰沃蓝达，还包括改造其产线、裁撤混动产线员工而全力发展纯电动系统。

通用集团的“ Voltec”一共有过2代产品，第一代（2011-2015），虽然用了双电机和单行星齿轮组，但是由于经验不足，以及丰田THS系统的专利壁垒的限制下，此套系统无论在使用体验还是节能效果上，都差强人意。于是第二代“ Voltec”应运而生，通用一石二鸟。创新地使用了双行星齿轮组，既加宽了高效运行区间同时也规避了THS系统的专利壁垒。

概述

通用汽车根据初代Volt的经验和数据分析发现，从2013年10月到2014年9月，第一代Volt在北美行驶了超过5亿英里，其中74％的里程是纯电动的。于是，第二代Volt的电气性能被大大增强，突出了纯电行驶下的性能表现。关键设计目标包括：

1.增加纯电续航里程（61KM→85KM）

2.增加电量保持模式，低电量下燃油经济性（6.4 L/100 km→5.6 L/100 km）

3.增强动力表现

4.不论是纯电还是增程模式，都能平顺输出动力

动力系统的主要构件是电池组，驱动装置，以及引擎。

驱动装置包含：两个全新设计的电机，用于驱动车辆及发电；升级优化的动力控制单元，用于控制电机输出；带液压控制离合器的行星齿轮组，传送电机和引擎输出的机械能；增加电动机油泵提升特殊工况下的润滑能力。

增程&牵引引擎是一台1.5升四缸自吸直喷引擎，当电池组中的电能快要耗尽或者极端气温导致可用电力极低时，以及需求更强的制暖能力时，这台引擎可以在各种工况环境下提供充沛的动力。

变速驱动桥布局和工作模式

通用研发团队将一切推倒重来，研究了近50多种类型的电动和混合动力系统，从中筛选出最优解的混动构型系统作为第二代Volt的混动系统。通用最终选择了其中几个系统进行更深入的研究，并与其它二个主机厂的在售系统做对比。

而最终确定的动力系统，在动力分流设计理念上包含2个特性，这2个特性尤其适合纯电驱动：

1.双行星齿轮组提供的宽泛传动速比，可以同时满足发动机及电动机的高效运转区间。两个电动机独立与变速器的传动比是相似的。

2.电机可以在纯电以及发动机介入下的高速工况输出动力。

第一代Volt有两个电机，111kw大电机负责驱动，63kw小电机负责发电。而在第二代中，两个电机功能相同，即可发电，也可驱动。而新动力系统控制策略的关键，是自由的分配2个电机的动力。

两个电机中的每一个都通过一个单独的行星齿轮组与共有主传动轴相连。每个电机都和行星齿轮组中的太阳轮连接，离合装置可通过锁住该行星齿轮组的齿圈来提供反作用扭矩。

当这两个离合器处于接合状态时，两个电机处于并联状态，通过相似的行星齿轮组和共有的主减速器和差速器，最终驱动Volt的前轮。

在第二代系统中，2个电机的出力路径各自独立后，系统将可以允许使用电机将发动机拖拽启动，这比使用离合器或传统起动机启动发动机更为平稳、安静且高效。这样做还可以有效地减少系统零部件数量，对于系统重量和可靠性的优化作出贡献。

同时，通过双电机的运用，系统可以使用1个电机输出或2个电动机同时输出以提高效率。在双电机纯电驱动模式下，电机可全力提供最大输出扭矩，以提供满意的加速度。在单电机纯电驱动模式下可在扭矩需求相对较低的情况下（例如在街道或高速公路上巡航）减少损失。

Volt会在以下三种模式下启动发动机：

1.低增程模式：在高负荷工况下或者低速行驶时高效驱动

2.固定齿比增程模式：在中重度的加速负荷工况下高效驱动，低负荷工况下高效充电

3.高增程模式：在高速公路巡航中高效运行

Voltec驱动单元

由于第二代 Voltec系统可以实施双电机并串联驱动，因此通用汽车的工程师减少了单个电机的扭矩和功率。这使得电机及轴承尺寸大幅减小。与初代相比，新系统的电动机体积减少了20％，电动机质量减少了40％。

第二代驱动单元将电机控制器与变速箱体成在一起，通过消除三相高压电缆，大大减小了体积。功率逆变器的体积从13.1L减小到10.4L。

离合器的动作执行，系统润滑以及电机冷却是液压系统的主要功能。通用汽车工程师努力将变速箱运行所需的液压动力降至最低。这三个离合器元件使用了液压以及机械驱动。设计人员优化了离合器本体和液压油路，以平衡这些要求并降低整体液压动力。此外，油泵和电动机的尺寸可适应整个工作温度范围，从而无需使用发动机驱动的油泵。

电机

在第一代Voltec系统中，两个电动机都使用钕铁硼磁铁。在第二代中，为优化系统的纯电驱动的续航里程，电机A更改为铁氧体磁铁，而电机B仍然使用钕铁硼磁铁。在一般工况下，二代系统的电机B作为主力输出，电机A只是在高负荷工况下辅助输出。每个电机都做了优化，以匹配其经济运行区间。

由于电动机A在大多数运行条件下都在被拖拽空转，因此设计时采用的磁通量较小的铁氧体磁铁，以最大程度地降低与速度相关的损耗。而电动机B设计了强度较大的磁通量，以使运行点处的损耗最小。

尽管在电动机中使用铁氧体磁铁并不是一个新方案，但大多数使用此类磁铁设计的机器都旨在用于工业应用。但是在工业应用中，对电机的尺寸，扭矩密度和工作温度范围的要求不如在汽车上那么苛刻。

通用汽车工程师使用了一种称之为永磁同步磁阻电机（PMASRM）的拓扑结构来提高电机的扭矩性能。

尽管铷铁硼磁体已经成熟，并且具有出色的磁性能和高能量，但是解决此种电机在高温下退磁的问题仍然是一个不小的挑战。目前，解决方案一般为增加重稀土，例如镝元素。尽管这种方法已被证明行之有效，并且已具备成熟的工艺，在行业中也已被广泛接受。但它也带来了头痛的成本压力。

近年来行业内出现了一种新的工艺(GBD),在磁体边沿集中添加稀土元素，不但大幅缩小电机体积，相比标准设计，减少了80%稀土和50%重稀土的应用，提升了电机性能。

近年出现一项新技术，在磁体边沿集中添加稀土元素，不但大幅缩小电机体积，相比标准设计，减少了80%稀土和50%重稀土的应用，提升了电机性能。

与电动机B（GBD）相比，电动机A（铁氧体电动机）的峰值效率略低：95％比96％。这部分是由于使用了较弱的铁氧体磁铁，同时也归因于A电机的总有效长度较短，为31.5mm，而B机为51.5mm。