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思考：高速场景的行星轮混动效率如何理解

news 2025/8/18 10:39:39

行星轮混动

E-CVT（电子无级变速器）是一种专为混合动力汽车设计的动力分配系统，其核心原理是通过行星齿轮组和电机的协同工作，实现动力分流与无级变速。

一、核心结构与组成

E-CVT的核心部件包括 行星齿轮组 和 双电机（发电机MG1、驱动电机MG2），部分系统还集成电控单元（ECU）和离合器：

行星齿轮组：
- 太阳轮：连接发电机MG1，负责调节转速和发电。
- 行星架：连接发动机，输入机械动力。
- 齿圈：连接驱动电机MG2和车轮，输出动力。
双电机：
- MG1：发电或驱动太阳轮，调节发动机转速。
- MG2：直接驱动车轮或辅助动力。
电控系统：实时协调发动机、电机的工况，优化动力分配。

在这里插入图片描述
三个转速关系：

齿圈驱动车轮，输出动力
在这里插入图片描述

二、工作原理：动力分流与无级变速

E-CVT通过行星齿轮组的转速耦合实现动力分流，而非传统CVT的机械变速。其核心逻辑是 将发动机动力拆分为机械路径和电驱路径，通过电机调节实现转速匹配：

动力分流模式：
- 机械路径：发动机通过行星架直接驱动齿圈（部分动力传递至车轮）。
- 电驱路径：发动机驱动太阳轮带动MG1发电，电能供给MG2或电池，再由MG2驱动齿圈。
无级变速机制：
- 通过调节MG1的转速，改变太阳轮与行星架的转速差，从而间接控制齿圈（车轮）的转速。
- 例如：车速增加时，MG1提升太阳轮转速，使发动机保持高效区间（如2000rpm），无需传统换挡动作。

三、典型工况下的动力流向

E-CVT根据不同驾驶场景动态调整动力分配：

纯电模式（低速起步）：
- 动力路径：电池→MG2→齿圈→车轮。
- 特点：发动机不工作，MG1空转，零油耗且静谧。
混动模式（中速加速）：
- 动力路径：发动机→行星架→太阳轮→MG1发电→电池→MG2→齿圈。
- 特点：发动机与电机协同驱动，发动机始终工作在高效区间。
直驱模式（高速巡航）：
- 动力路径：发动机→行星架→齿圈→车轮（机械直驱为主）。
- 特点：MG1调节转速，避免发动机高负荷运转。
能量回收模式（减速/制动）：
- 动力路径：车轮→齿圈→MG2（反转发电）→电池。
- 特点：动能转化为电能，提升续航。

四、高速能耗分析

高速

在高速时，行星轮系统存在电功率循环，导致传动效率下降，油耗增加。

在高速行驶时，为了维持行星轮的力矩平衡：
1、假设整车在高速时的需求扭矩在120Nm至240Nm之间，通过固定传动比，可算出对应齿圈上的需求扭矩在30Nm至60Nm之间。
2、假设当发动机工作在2500rpm至3500rpm区间时，最优的输出扭矩为90Nm左右。发动机在高速时作为整车的主要输出，其扭矩为正。

通过公式，那么MG1的扭矩必定为负数，即MG1处于放电状态，消耗电池包的能源。

齿圈Tr驱动力如果大于车辆需求扭矩（发动机输出到齿圈的扭矩一直大于齿圈的需求扭矩的话）此时MG2也是负扭矩，MG2处于发电状态，发电为了维持系统扭矩平衡。
（当然，也可能MG2是正扭矩，看工况，消耗电池包的能源）
MG2直接驱动车轮或回收制动能量。当MG1反转耗电、MG2发电时，电能会在MG1→电池→MG2之间循环，形成“功率环流”，导致路径损耗（逆变器、电机效率损失叠加）

MG1反转引起的电功率循环损失本质与MG1正转时功率分流的机电路径电气损耗没有区别，是同一回事。
当MG1正转发电的时候，通过机电路径传递的功率永远小于等于发动机的总功率，也就是说此时机电路径传递能量的损失是相对较小的。
当MG1开始反转耗电，MG2发电，因为行星齿轮的转速耦合特性（若发动机（行星架）转速固定，车轮转速（齿圈）提高时，MG1（太阳轮）转速必须反向增加以满足转速方程，导致其发电功率迅速上升），如果假设发动机转速不变，随着车轮转速提高（通过发动机输出的机械能需先由MG1转化为电能，再通过MG2转回机械能实现），MG1的发电量会迅速增大，很快会达到甚至超过发动机总输出功率（因此当MG1发电功率接近发动机总功率时，系统效率急剧下降，甚至可能出现“发电量超过发动机输出”的虚功现象（实际为能量循环而非净输出））。也就是说此时为了将发动机功率输出到轮端，会有一个很大的功率在机电路径循环，造成比较大的损耗。所以MG1反转这种情况，实际当中应该是尽量避免的。