在美系陣營當中，通用算是擁抱新能源最早的車企了。早在上世紀90年代，通用就設(shè)計制造出來了一款掛GM標志的純電動車，只是由于當時成本過高、性能有限，完全沒有商業(yè)化價值，所以最終沒有量產(chǎn)上市銷售。不過從理念上來說通用算是非常超前的，也是在上世紀90年代就開始了汽車的電氣化構(gòu)思。同時代的豐田向市場推出了燃油為主電動為輔的普銳斯并大獲成功。直到08年金融危機之后，通用一緩過勁來就立馬開始了新能源汽車的研發(fā)。
而到了08年之后，無論是電池電驅(qū)技術(shù)，還是三電系統(tǒng)的制造成本都比90年代有了天翻地覆的變化。再加上特斯拉的崛起，驗證了電動車的商業(yè)化之路，通用開始重新投入巨資研發(fā)新能源技術(shù)。這與豐田在90年代試探性的投入普銳斯不同，如果說豐田的普銳斯是想成為一臺更省油的燃油車，那么通用的一系列電動技術(shù)都預(yù)示著要向電氣化靠攏。2012年之后，通用旗下的雪佛蘭在電動化道路上開始發(fā)力，先后推出了增程式混動車型沃蘭達、純電動車型Bolt以及一系列混合動力車型——在新能源技術(shù)路線選擇上多條腿走路，投巨資試錯。本期專欄為大家分享通用旗下已經(jīng)發(fā)展了兩代并廣泛應(yīng)用的Voltec油電混合動力技術(shù)。
▲采用兩組行星齒輪機構(gòu)，兩組離合器以及一個單向離合器構(gòu)成的動力分流系統(tǒng)
這套Voltec混動系統(tǒng)的核心，是由兩組行星齒輪構(gòu)成。如上圖，行星齒輪1和行星齒輪2分別為兩臺電機實現(xiàn)動力分流。這兩臺電機在Voltec系統(tǒng)中被稱為MGA電機和MGB電機。MGA電機功率較?。ㄐ‰姍C），只有48千瓦，最大扭矩118牛米，主要用于發(fā)電，也可以用于驅(qū)動；MGB電機功率較大（大電機），最大功率87千瓦，最大扭矩280牛米，主要用于驅(qū)動車輛行駛，也可以在減速時實現(xiàn)制動能量回收發(fā)電。
這套混動系統(tǒng)配備的發(fā)動機為一臺直列4缸發(fā)動機，最大功率75千瓦，最大扭矩140牛米。MGA與發(fā)動機的耦合，與我之前專欄中介紹的豐田Hybrid混動系統(tǒng)極為相似。發(fā)動機的動力輸出給外齒環(huán)（Ring Gear），再經(jīng)行星齒輪把動力分流給行星齒輪托架和太陽齒輪。行星齒輪托架與傳動軸相連，動力直接輸出給車輪；太陽齒輪與MGA相連。
就像豐田的Hybrid混動系統(tǒng)一樣，發(fā)動機的動力經(jīng)過行星齒輪1的分流，既可以用來驅(qū)動車輛行駛又可同時驅(qū)動MGA電機發(fā)電。由于采用的是與普銳斯相同的轉(zhuǎn)速耦合方式，所以發(fā)動機可以以任意轉(zhuǎn)速介入，發(fā)動機轉(zhuǎn)速不需要與車輪轉(zhuǎn)速同步。這樣就實現(xiàn)了類似于豐田普銳斯的經(jīng)濟性，也就是說發(fā)動機可以始終保持在經(jīng)濟轉(zhuǎn)速發(fā)電和驅(qū)動車輛行駛。
這套系統(tǒng)最大的不同，就是MGB電機（大電機）與傳動系統(tǒng)的耦合仍然采用了轉(zhuǎn)速耦合。這與豐田普銳斯的MG2電機采用的轉(zhuǎn)矩耦合截然不同。我們知道，正因為豐田Hybrid的主電機與車輪為剛性相連（沒有經(jīng)過行星齒輪分流，也就是轉(zhuǎn)矩耦合），所以主電機的轉(zhuǎn)速與車速必須成一定的比例關(guān)系。而通用的Voltec主電機MGB仍然是通過一個行星齒輪將動力分流到了傳動系統(tǒng)。
這里最精妙的設(shè)計在于，Voltec不單單只是增加了一個行星齒輪2用于MGB電機的介入，還在行星齒輪2的外齒環(huán)上增加了一個離合器（Clutch 1）和一個制動器（Clutch 2）。通過離合器（Clutch 1）可以控制外齒環(huán)的動力與行星齒輪1的太陽齒輪接通或者分離；通過制動器（Clutch 2）可以將行星齒輪2的外齒環(huán)固定住，這樣就實現(xiàn)了單一齒比的轉(zhuǎn)矩耦合。當制動器固定住外齒環(huán)后，MGB電機的動力傳輸給太陽齒輪，然后帶動行星齒輪公轉(zhuǎn)，把動力通過固定齒比傳遞給了行星齒輪托架，最終傳遞給了車輪，實現(xiàn)了轉(zhuǎn)矩耦合。
當行星齒輪2的制動器（Clutch 2）分離，離合器（Clutch 1）接通后，MGB電機的部分動力又可以分流給行星齒輪1的太陽齒輪，這樣就不需要與車輪轉(zhuǎn)速保持同步，實現(xiàn)了轉(zhuǎn)速耦合。所以，Voltec最大的優(yōu)勢在于它的主電機MGB既可以實現(xiàn)轉(zhuǎn)速耦合又可以實現(xiàn)轉(zhuǎn)矩耦合。當需要大動力低速加速時，MGB可以在比較高效的轉(zhuǎn)速區(qū)間實現(xiàn)轉(zhuǎn)矩耦合，與車輪轉(zhuǎn)速同步運轉(zhuǎn)，實現(xiàn)與發(fā)動機動力，MGA電機動力的動力疊加。當車輛速度處于電機轉(zhuǎn)速的非經(jīng)濟轉(zhuǎn)速區(qū)間時，MGB又可以通過轉(zhuǎn)速耦合來實現(xiàn)動力的分流，從而把電機轉(zhuǎn)速保持在最經(jīng)濟的轉(zhuǎn)速區(qū)間，節(jié)約電能。
當MGA參與驅(qū)動時，由于行星齒輪的作用，外齒環(huán)會發(fā)生反轉(zhuǎn)（與豐田的Hybrid類似，不過由于電機，發(fā)動機，傳動系統(tǒng)連接的齒輪位置不一樣，所以豐田在電動模式下發(fā)生反轉(zhuǎn)的是MG1發(fā)電機，我在之前的專欄里介紹過），而Voltec的齒環(huán)直接與發(fā)動機相連，為了防止在純電模式下發(fā)動機反轉(zhuǎn)，在發(fā)動機和外齒環(huán)之間還布置了一個單向離合器（圖中的Ratchet Clutch）所以發(fā)動機既不會反轉(zhuǎn)也不會發(fā)生超速運轉(zhuǎn)現(xiàn)象。這就意味著Voltec的電動性能不會受到行星齒輪轉(zhuǎn)速的制約，從而提高了純電行駛的速度。
▲雖然配備了兩臺電機和兩組行星齒輪，但通用還是把系統(tǒng)重量控制在了119kg，輕量化值得稱贊。
■ 總結(jié)
總的來說，這套系統(tǒng)在MGA發(fā)電機層面的基本原理與豐田普銳斯差不多，只是電動機發(fā)動機和傳動軸連接的行星齒輪位置與豐田不一樣。而這套系統(tǒng)最大的特色就是，在與MGB電機也就是主行駛電機同樣采用了一組行星齒輪連接動力，通過離合器和制動器的控制即可以實現(xiàn)轉(zhuǎn)速耦合又可以實現(xiàn)轉(zhuǎn)矩耦合。這就使得這套系統(tǒng)的控制模式變得非常豐富，可適應(yīng)不同工況的需要，即可以實現(xiàn)發(fā)動機和雙電機動力的疊加釋放，實現(xiàn)210千瓦（285匹）538牛米的強勁動力輸出，又可以通過轉(zhuǎn)速耦合的方式，讓發(fā)動機和主電機MGB始終保持在最經(jīng)濟的轉(zhuǎn)速區(qū)間。
