豐田最新款混合動力變速器(P910)結構特點介紹

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地球暖化的問題,各地區中汽車的油耗和排氣限制逐年加強,環境負荷較少的汽車的普及被期待擴大。為實現更多的燃料性能提高的同時,提高動力性能的要求,也為了面向下一代1.5L新開發了混合動力系統。

豐田開發了一種新的1.5L(3缸發動機)混合動力系統，用於小型汽車，以實現高燃油經濟性和高功率性能。在該高壓系統中，新型混合動力驅動橋(P910)採用了機械減損技術、齒輪和變速箱箱優化技術實現了緊湊設計、扭振減振器優化技術。通過採用這些技術，P910進一步提高了傳動效率，提高了動力性能，同時保持了變速器的總重量和三缸發動機的靜音。

新款Yaris配套的電動動力總成不僅在2011年上市的Aqua的電動動力總成中融入了新款Prius配套的技術以外，還採用了多項新技術，包括：動力控制單元（PCU）的電源模塊上採用新型半導體裝置RC-IGBT（Reverse Conducting - IGBT）、通過PCU小型化使其能搭載於變速驅動橋（T/A）正上方、乾式油底殼潤滑機構、小直徑集中繞組的發電電機等技術。

新款Yaris配套的用於新款緊湊車的新型HV變速驅動橋（P910）在2011年上市的Aqua上搭載的緊湊車用HV變速驅動橋（P510）中融入2015年上市的Prius的變速驅動橋（P610）採用的技術和新技術，提高了傳遞效率和輸出功率等。

新系統的驅動電機減速機構利用平行齒輪方式的復軸機構，通過縮短單元整體長度，實現輕量化和降低損耗的同時，還通過採用PCU搭載於正上方的結構，實現整體小型輕量化，同時配合採用新開發的發電電機及乾式油底殼潤滑結構，實現小型輕量化、低損耗和大功率.

新型HV變速驅動橋（P910）的基本結構與原先的Aqua（P510）不同，與Prius（P610）一樣，採用電機與發電機位於平行軸的新結構，驅動電機的減速機構也是採用平行齒輪方式的復軸機構。

本文從機械損失、潤滑系統、優化軸配置與齒輪形狀、殼體形狀最優化、螺旋減振器、驅動/發電機、動力控制單元、DC-DC轉換器、電源模塊等方面進行介紹。

新型HV變速驅動橋(P910)的截面圖

新型HV變速驅動橋(P910)的參數

1.機械損失

變速驅動橋的損耗佔行駛中損耗的10%。此次的新型HV變速驅動橋①減少了齒輪的嚙合點，縮小反向驅動齒輪的軸承尺寸，降低20%的機械損耗；②採用乾式油底殼潤滑機構，通過颳起差速器齒圈上的潤滑油，降低攪拌損耗，通過將深溝球軸承用於反向從動軸，降低了40%的機械損耗。

P910減摩效果

2.潤滑系統

豐田的HV變速驅動橋齒輪軸承的潤滑方式原先採用最終從動齒輪將潤滑油颳起的方式，並將差速器齒圈颳起的部分潤滑油通過殼體和加強筋等引導至齒輪和軸承進行潤滑。要保證潤滑量，需要保持差速器齒圈部位的動態油麵高度，而過多的潤滑油導致了攪拌損耗的產生。

因此，本次的系統採用了利用輸出驅動機油泵和樹脂潤滑油導管的乾式油底殼潤滑方式，優化潤滑量並減少攪拌損耗。

乾式油底殼潤滑機構

乾式油底殼潤滑機構

油管示意圖

各車速下的油麵高度

3.優化軸配置與齒輪形狀

在本次的系統中，驅動電機的減速機構為採用平行齒輪方式的復軸機構，通過削減旋轉零部件的數量及齒輪嚙合的數量，減少攪拌損耗及嚙合損耗。

反向驅動齒輪軸通過將原先的圓錐滾子軸承改為深溝球軸承，減少10%的損耗，通過保證軸承外輪壁厚，相比載重能夠將蠕變速度控制在允許值內，可應對外輪滑動部位的蠕變磨損問題。

在縮小齒輪模塊時，利用新的CAE，反映整個變速驅動橋總成和齒面形狀，計算齒面壓力，優化滿足錯位量的齒面形狀。

齒輪的CAE模型

4.殼體形狀最優化

通過設計優化將殼體的最小厚度和最小脫模梯度相比之前設計降低了50%，此外殼體的總質量比P510降低了12%。通過利用新鑄造分析使最小厚度和最小脫模梯度降低成為可能，實現了鑄造條件的最優化。

殼體最小厚度

5.螺旋減振器

發動機首次從現行的1.5L 4缸發動機調整為3缸機,除了扭矩變動的增加外與發動機動力傳動系統共振。採用新開發的螺旋矩陣減振器，使其達到使用要求。

減振器示意圖

減振器噪聲示意圖

           

6.發電電機、驅動電機

與其他豐田的HV變速驅動橋一樣，新款Yaris配套的HV變速驅動橋有2臺電機，但發電電機(MG1)、驅動電機(MG2)配套的都是新開發的產品。

2011年上市的Aqua（P510）的驅動電機採用獨特的結構，從外側將分體結構的定子鐵芯插入預成型的平角線繞組中，用外圍框架固定住。發電電機縮短了驅動電機的鐵芯層積厚度，鐵芯形狀是相同的。

 此次的新型HV變速驅動橋無論是發電電機還是驅動電機都新開發了不同結構的電機。

發電電機直徑比Aqua（P510）更小，與豐田其他多數HV變速驅動橋一樣採取集中繞組而非SC線圈的分布繞組，採用軸和轉子鐵芯內冷卻介質循環的軸心冷卻結構。由此，可抑制轉子鐵芯內放置的磁鐵的溫度上升，從而可放寬對磁鐵的耐熱性能要求，將高成本、有供應風險的重稀土類材料用量減少90%。

驅動電機還利用分段線圈分布繞組改善磁路，繞組採用可應對薄膜高電壓，具有良好加工性的新開發包覆電磁線，提高了30%的電機輸出功率。

驅動電機

 新單元的 驅動電機的輸出功率

7.動力控制單元

新款Yaris的動力控制單元通過內置RC-IGBT的雙面冷卻電源模塊、DC-DC轉換器的主板一片化、優化電容器與接線端子布局等進行小型化，實現搭載於變速驅動橋正上方。

驅動電機最大電流135→164Arms，發電電機最大電流80→72Arms，體積從9.4→6.3L，縮小了34%，使最大輸出功率密度從21.5→41.0kVA/L，提高90%，可應用至包括緊湊車在內的各類車型。

動力控制單元由驅動電機逆變器、發電電機逆變器、升壓轉換器、DC-DC轉換器構成。

新PCU的外觀 

PCU的配套位置和零部件結構

在縮小動力控制單元體積時，縮小結構件體積的同時，還在優化零部件配置、固定和對策，將電流傳感器與控制主板的連接線、DC-DC轉換器與控制主板的信號連接線從線束更改為端子引腳連接線，將平滑電容器與3相母線整合為電容器模塊，實現小型化的同時，還縮短了線路，由此降低了ESL（等價直列電感），減少了損耗。

8.DC-DC轉換器

內置於動力控制單元的DC-DC轉換器將原先控制主板與大電流流動的電源電路分開的產品通過厚銅件與電子件一體裝配的一片化，實現了小型輕量化。

此外，DC-DC轉換器的電路採用同期整流電路，優化MOSFET的整流動作時機，降低損耗。

厚銅件 與電子件一體裝配

利用同期整流電路降低損耗

9.電源模塊

新款Yaris的新技術引人注目的是在逆變器的電源模塊中使用的半導體元件IGBT和FWD (Free Wheeling Diode) 採用了單晶片化的RC-IGBT (Reverse Conducting - IGBT) 。

特斯拉在Model 3的逆變器中採用了新一代功率元件SiC，豐田則早於其他公司採用了Si的新技術RC-IGBT而非SiC，進行小型化。

逆變器方面，除了以IGBT為代表的開關元件以外，同時還要連接名為FWD的二極體，電源模塊需要雙方合計的面積，但RC-IGBT中，IGBT的工作與FWD的工作可在一個晶片上進行，因此元件面積減少了25%。

半導體元件的小型化會造成更嚴重的損耗，因此採用的RC-IGBT通過優化有減少元件導通電阻效果的SBL (Super Body Layer) 結構和緩衝層結構，應對耐壓下降的同時降低厚度，從而避免損耗加劇。

 2011年上市的Aqua採用與工業電源模塊形狀相似的單面冷卻結構的電源模塊，但新款Yaris的電源模塊採用用於第4代Prius等車型的雙面冷卻型電源模塊。另外，功率卡（power card，將功率元件固定在冷卻器上的結構體）從IGBT和FWD各有1個的「1in1」改為IGBT和FWD各有2個的「2in1」，通過降低電感，減少零部件個數，體積縮小22%，連接功率元件的母線減少1根，使得電感降低55%，有助於提高效率。

RC-IGBT

電源模塊

本人也是通過資料的搜集整理，以及對知識的理解消化後，形成自己的闡述方式，將此篇文章奉獻給大家，如本人在撰寫的文章中，對某些知識有認識不足或有疏漏的地方，還請多多指正。

文章定有疏漏遺誤之處，歡迎各位指正交流。

全文完~

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