高彬

(上海汽車(chē)變速器有限公司，上海 201807)

0 引言

能源安全與氣候變化已成為國(guó)際社會(huì)關(guān)注的焦點(diǎn)，為實(shí)現(xiàn)交通領(lǐng)域的可持續(xù)健康發(fā)展，世界主要汽車(chē)生產(chǎn)國(guó)進(jìn)一步加快推動(dòng)節(jié)能與新能源汽車(chē)的發(fā)展，全球的節(jié)能與新能源汽車(chē)進(jìn)入一個(gè)快速發(fā)展時(shí)期。

豐田自1997年10月推出量產(chǎn)普銳斯混合動(dòng)力汽車(chē)以來(lái)，其混合動(dòng)力系統(tǒng)(Toyota Hybrid System，THS)已推出第四代。本田也從開(kāi)始的IMA、I-DCD、I-MMD混合動(dòng)力系統(tǒng)到當(dāng)前的e-HEV混合動(dòng)力系統(tǒng)，仍在持續(xù)的更新迭代。在歐洲市場(chǎng)，豐田和雷克薩斯的混動(dòng)車(chē)型已占其全部車(chē)型總銷量的50%以上。截止到2020年4月，豐田全球銷售混合動(dòng)力汽車(chē)突破1 500萬(wàn)輛。根據(jù)乘聯(lián)會(huì)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，國(guó)內(nèi)市場(chǎng)，2019年混合動(dòng)力乘用車(chē)銷售28.5萬(wàn)輛，同比增加33%。

中國(guó)制定的新能源汽車(chē)發(fā)展戰(zhàn)略，重點(diǎn)仍在純電動(dòng)汽車(chē)和插電式混合動(dòng)力汽車(chē)，2020年4月出臺(tái)的新能源汽車(chē)推廣應(yīng)用財(cái)政補(bǔ)貼政策更是將新能源汽車(chē)的購(gòu)車(chē)補(bǔ)貼延后至2022年。在根據(jù)式(1)核算企業(yè)平均燃料消耗量(CAFC)時(shí)，2025年及以前由電能消耗量折算的燃料消耗量按零計(jì)算，同時(shí)對(duì)純電動(dòng)乘用車(chē)、燃料電池乘用車(chē)以及滿足GB/T 32694要求的可外接充電式混合動(dòng)力乘用車(chē)，其生產(chǎn)或進(jìn)口量Wi均乘以不同的倍數(shù)，2021—2025年的倍數(shù)分別為2.0、1.8、1.6、1.3、1.0[1]。

(1)

式中：CAFC為企業(yè)平均燃料消耗量，L/100 km；i為乘用車(chē)車(chē)型序號(hào)；FCi為第i個(gè)車(chē)型的燃料消耗量，L/100 km；Vi為第i個(gè)車(chē)型的年度生產(chǎn)或進(jìn)口量；Wi為第i個(gè)車(chē)型對(duì)應(yīng)的倍數(shù)。

中國(guó)的新能源汽車(chē)市場(chǎng)雖然起步較晚，但其發(fā)展速度及后續(xù)的巨大市場(chǎng)潛力是值得期待的。在當(dāng)前汽車(chē)電池仍存在應(yīng)用瓶頸的前提下，集傳統(tǒng)燃油車(chē)及純電動(dòng)汽車(chē)優(yōu)勢(shì)的混合動(dòng)力汽車(chē)會(huì)存在一個(gè)高速發(fā)展期。具有市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力的一款混合動(dòng)力變速器無(wú)疑會(huì)為整車(chē)企業(yè)在本輪市場(chǎng)變革中提供強(qiáng)有力的技術(shù)保障，甚至可能起到?jīng)Q定性作用。

1 市場(chǎng)已有典型混動(dòng)變速器構(gòu)型

國(guó)際市場(chǎng)已有的知名混合動(dòng)力整車(chē)平臺(tái)，采用雙電機(jī)非插電混合動(dòng)力系統(tǒng)的豐田普銳斯、本田雅閣，可外接充電的雙電機(jī)混合動(dòng)力系統(tǒng)通用沃蘭達(dá)，及單電機(jī)混合動(dòng)力系統(tǒng)大眾途觀。

國(guó)內(nèi)市場(chǎng)已量產(chǎn)的優(yōu)秀混合動(dòng)力整車(chē)平臺(tái)，采用單電機(jī)非插電混合動(dòng)力系統(tǒng)的領(lǐng)克混動(dòng)，可外接充電的雙電機(jī)混合動(dòng)力系統(tǒng)上汽榮威550，及單電機(jī)混合動(dòng)力系統(tǒng)的比亞迪秦DM等。

1.1 豐田普銳斯混合動(dòng)力系統(tǒng)

PRILS(普銳斯)是日本豐田汽車(chē)于1997年推出的世界上第一個(gè)大規(guī)模生產(chǎn)的混合動(dòng)力車(chē)輛，并在2001年銷往全世界40多個(gè)國(guó)家和地區(qū)，其最大的市場(chǎng)由日本和北美逐步擴(kuò)展到歐洲和國(guó)內(nèi)。

其混合動(dòng)力變速器構(gòu)型已更新到第3代，見(jiàn)圖1，主體構(gòu)型為采用單行星排，主要差異為混合動(dòng)力變速器的內(nèi)部動(dòng)力傳遞方式：第1代變速器采用鏈條傳動(dòng)；第2代變速器將鏈條傳動(dòng)改為齒輪傳動(dòng)；第3代變速器將驅(qū)動(dòng)電機(jī)的行星排減速改為常規(guī)嚙合齒輪減速，并將驅(qū)動(dòng)電機(jī)與發(fā)電機(jī)的同軸布置改為平行軸布置，縮短變速器軸向長(zhǎng)度的同時(shí)減輕質(zhì)量。

圖1 豐田THS混合動(dòng)力變速器

1.2 大眾途觀混合動(dòng)力系統(tǒng)

大眾途觀的混合動(dòng)力汽車(chē)基于P2構(gòu)型開(kāi)發(fā)，主要特點(diǎn)為基于傳統(tǒng)濕式雙離合變速器增加一個(gè)K0離合器和P2電機(jī)，并與原雙離合器組成一個(gè)三離合器模塊，集成于混合動(dòng)力變速器內(nèi)部(圖2)，以縮短動(dòng)力總成的軸向尺寸，并共用原發(fā)動(dòng)機(jī)的所有6+R個(gè)擋位。

圖2 大眾途觀DQ400e混合動(dòng)力系統(tǒng)

1.3 領(lǐng)克混合動(dòng)力系統(tǒng)

領(lǐng)克01混合動(dòng)力變速器如圖3所示。

圖3 領(lǐng)克01混合動(dòng)力變速器

領(lǐng)克01非插電混合動(dòng)力系統(tǒng)同樣基于傳統(tǒng)雙離合變速器進(jìn)行開(kāi)發(fā)，與大眾DQ400e不同的是其電機(jī)放置于雙離合變速器的上部，通過(guò)多級(jí)嚙合的惰輪連接外輸入軸的4/6擋主動(dòng)齒，形成共用的3+R個(gè)電機(jī)擋位(圖3)。

1.4 上汽榮威混合動(dòng)力系統(tǒng)

2012年上汽推出榮威550插電混動(dòng)版，其混合動(dòng)力變速器的主要技術(shù)特點(diǎn)為采用同軸式雙電機(jī)結(jié)構(gòu)(圖4)，發(fā)電機(jī)與發(fā)動(dòng)機(jī)固連，并通過(guò)1個(gè)濕式離合器與輸入軸連接，驅(qū)動(dòng)電機(jī)通過(guò)另一個(gè)濕式離合器與輸入軸連接，兩者的扭矩在輸入軸耦合后通過(guò)2個(gè)不同的擋位傳遞到差速器以驅(qū)動(dòng)車(chē)輛。

圖4 上汽榮威混合動(dòng)力變速器

2 混合動(dòng)力變速器的選型條件

綜合當(dāng)前已知的部分整車(chē)企業(yè)和零部件企業(yè)采用的混合動(dòng)力構(gòu)型，對(duì)其進(jìn)行歸納對(duì)比，可以發(fā)現(xiàn)，國(guó)外廠商早期的混合動(dòng)力方案多基于雙電機(jī)的行星排構(gòu)型，以及之后的雙電機(jī)簡(jiǎn)單串并聯(lián)構(gòu)型，而國(guó)內(nèi)的整車(chē)及零部件企業(yè)更青睞于基于已有的自動(dòng)變速器(如AT或者DCT)，通過(guò)增加單電機(jī)達(dá)到混合動(dòng)力化的目的。

混合動(dòng)力變速器采用哪種基礎(chǔ)構(gòu)型更有優(yōu)勢(shì)，AMT、DCT、CVT還是AT，仍未有定論。而一款具有足夠市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力的混合動(dòng)力變速器，需同時(shí)具備以下幾個(gè)條件：

(1)具有成本優(yōu)勢(shì)。插電式混合動(dòng)力系統(tǒng)的電池容量比較大，電池充放電能力更強(qiáng)，選用單電機(jī)的混合動(dòng)力系統(tǒng)成本優(yōu)勢(shì)會(huì)更加明顯。非插電式混合動(dòng)力系統(tǒng)的電池容量較小，為了更好地解決整車(chē)在行駛過(guò)程中的電平衡問(wèn)題，具備雙電機(jī)的混合動(dòng)力方案會(huì)是首選，整車(chē)起步和倒車(chē)則可以通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)串聯(lián)驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)。同時(shí)多擋位DCT因?yàn)楸倔w價(jià)位較高，以此為基礎(chǔ)進(jìn)行電機(jī)集成，不利于整個(gè)混合動(dòng)力變速器的成本控制，需要慎重考慮。

(2)具有較高的傳遞效率。整車(chē)采用混合動(dòng)力構(gòu)型變速器的最初目的，即為降低整車(chē)油耗，也是混合動(dòng)力變速器是否具有市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力的關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)。多擋位AT變速器因?yàn)榫哂卸鄠€(gè)離合器，拖曳扭矩偏大，進(jìn)而降低了整個(gè)變速器的傳遞效率，所以不建議采用。

(3)無(wú)換擋缺陷。主流自動(dòng)變速器的類型有DCT、AT、CVT、AMT，雖然AMT變速器具有成本優(yōu)勢(shì)，但因?yàn)槠浯嬖趽Q擋動(dòng)力中斷，而不被廣大消費(fèi)者看好。因此在選用AMT變速器進(jìn)行混合動(dòng)力化的過(guò)程中，需要改善此缺陷。

(4)無(wú)功能缺陷?；旌蟿?dòng)力變速器相對(duì)于傳統(tǒng)變速器，需要具備其所有的特定功能以滿足整車(chē)需要。如：純電驅(qū)動(dòng)、純發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)、混合動(dòng)力驅(qū)動(dòng)、行駛中啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)、駐車(chē)充電、制動(dòng)能量回收等。為考慮整車(chē)電量不足的特殊工況，單電機(jī)的插電式混合動(dòng)力系統(tǒng)需要同時(shí)具備純發(fā)動(dòng)機(jī)倒車(chē)功能。

(5)外包絡(luò)尺寸合適。在傳統(tǒng)變速器的基礎(chǔ)上增加電機(jī)模塊后，會(huì)增大其外包絡(luò)尺寸，特別是如果采用同軸式電機(jī)布置，增加的變速器軸向長(zhǎng)度會(huì)直接體現(xiàn)在整車(chē)的左右縱梁空間不足，需要優(yōu)化整車(chē)底盤(pán)結(jié)構(gòu)。如果采用側(cè)置式電機(jī)布置，也需要注意電機(jī)與整車(chē)真空助力泵或者冷卻水箱之間的安全間隙等。

(6)優(yōu)秀的整車(chē)動(dòng)力性。因?yàn)殡姍C(jī)的接入，使整車(chē)具備兩種動(dòng)力源，也就為提高整車(chē)動(dòng)力性提供了可能。一個(gè)具備更優(yōu)良的駕駛舒適性，輸出動(dòng)力更強(qiáng)勁的混合動(dòng)力系統(tǒng)，可以作為整車(chē)的一大賣(mài)點(diǎn)，同時(shí)也能夠更好地迎合消費(fèi)升級(jí)需求。

綜上所述，基于平行軸的AMT結(jié)構(gòu)進(jìn)行混合動(dòng)力變速器的設(shè)計(jì)選型，更易找到合適的解決方案。

3 混合動(dòng)力變速器的方案選擇

3.1 插電式混合動(dòng)力變速器的方案選擇

基于AMT的插電式混動(dòng)變速器構(gòu)型需要具備以下約束條件：

(1)6個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)擋位，或者5個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)擋位。保留完整的傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)擋位，以確保在整車(chē)饋電時(shí)，仍具備正常駕駛功能。

(2)2個(gè)純電動(dòng)擋位。為了更好地兼容整車(chē)純電起步動(dòng)力性及整車(chē)高速巡航時(shí)的電機(jī)轉(zhuǎn)速，驅(qū)動(dòng)電機(jī)至少需要具備2個(gè)純電擋位。

(3)1個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)倒擋。同樣是在饋電時(shí)，確保整車(chē)仍具備正常駕駛功能。

(4)1個(gè)駐車(chē)充電擋。確保在整車(chē)饋電時(shí)，能夠及時(shí)地利用發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行充電，以保證駕駛舒適性。

(5)4個(gè)同步器。盡可能沿用傳統(tǒng)變速器的擋位控制機(jī)構(gòu)。

(6)動(dòng)力換擋。即發(fā)動(dòng)機(jī)或電機(jī)擋位切換時(shí)，另一動(dòng)力源仍能夠持續(xù)輸出，以確保輪端扭矩的平順性，提高駕駛舒適性。

綜上所述，存在10個(gè)擋位的控制需求，基于4個(gè)同步器至多控制8個(gè)擋位的條件，存在單個(gè)同步器控制多個(gè)擋位。動(dòng)力換擋的需求，要求2個(gè)電機(jī)擋位分別覆蓋發(fā)動(dòng)機(jī)的低擋位和高擋位，發(fā)動(dòng)機(jī)擋位與電機(jī)擋位間無(wú)干涉關(guān)系。

在方案布置過(guò)程中，將單輸出軸構(gòu)型和雙輸出軸構(gòu)型分開(kāi)討論，可分別得到如圖5所示的優(yōu)化方案。

圖5 優(yōu)化方案

其中雙輸出軸方案的無(wú)動(dòng)力中斷擋位組合方式可由圖6進(jìn)行表述。分別有2家整車(chē)企業(yè)在混動(dòng)變速器的開(kāi)發(fā)過(guò)程中，采用相同的思路，得到類似設(shè)計(jì)方案[2]，如圖7所示。

圖6 混合動(dòng)力變速器的擋位組合方式

圖7 設(shè)計(jì)方案

3.2 非插電式混合動(dòng)力變速器的方案選擇

基于AMT的非插電式混動(dòng)變速器構(gòu)型需要具備以下約束條件：

(1)4個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)擋位，或者3個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)擋位。混合動(dòng)力系統(tǒng)中具備雙電機(jī)，整車(chē)采用串聯(lián)起步和串聯(lián)倒擋，只需保留原發(fā)動(dòng)機(jī)的中高速驅(qū)動(dòng)擋位即可。

(2)2個(gè)純電動(dòng)擋位。為了更好地兼容整車(chē)純電起步動(dòng)力性及整車(chē)高速巡航時(shí)的電機(jī)轉(zhuǎn)速，驅(qū)動(dòng)電機(jī)至少需要具備2個(gè)純電擋位。

(3)3個(gè)同步器，或者2個(gè)同步器。采用盡可能少的同步器，以降低混合動(dòng)力變速器的系統(tǒng)成本。

(4)動(dòng)力換擋。即發(fā)動(dòng)機(jī)或電機(jī)擋位切換時(shí)，另一動(dòng)力源仍能夠持續(xù)輸出，以確保輪端扭矩的平順性，提高駕駛舒適性。

綜上所述，存在6個(gè)擋位的控制需求，至多3個(gè)同步器即可。動(dòng)力換擋的需求，要求2個(gè)電機(jī)擋位分別覆蓋發(fā)動(dòng)機(jī)的低擋位和高擋位，發(fā)動(dòng)機(jī)擋位與電機(jī)擋位間無(wú)干涉關(guān)系。在方案布置過(guò)程中，同時(shí)考慮發(fā)電機(jī)的整車(chē)驅(qū)動(dòng)功能，以降低對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的功率及扭矩需求，從而降低系統(tǒng)成本。得到優(yōu)化方案如圖8所示，其無(wú)動(dòng)力中斷并聯(lián)驅(qū)動(dòng)的擋位組合方式可由圖9進(jìn)行表述，某整車(chē)企業(yè)的雙電機(jī)混合動(dòng)力變速器(見(jiàn)圖10)也具有相同的設(shè)計(jì)思路。

圖8 雙電機(jī)優(yōu)化方案

圖9 雙電機(jī)混合動(dòng)力變速器的擋位組合方式

圖10 雙電機(jī)混動(dòng)方案

通過(guò)圖9可以發(fā)現(xiàn)，文中提到的雙電機(jī)優(yōu)化方案具備常規(guī)混合動(dòng)力系統(tǒng)功能的同時(shí)，還具有如下特征：發(fā)動(dòng)機(jī)與發(fā)電機(jī)共用4個(gè)驅(qū)動(dòng)擋位，驅(qū)動(dòng)電機(jī)具備2個(gè)驅(qū)動(dòng)擋位，3個(gè)動(dòng)力源可分別多擋位驅(qū)動(dòng)整車(chē)，兩兩組合多擋位驅(qū)動(dòng)整車(chē)，或者共同驅(qū)動(dòng)整車(chē)，在節(jié)能的基礎(chǔ)上通過(guò)不同的動(dòng)力組合方式實(shí)現(xiàn)整車(chē)對(duì)不同駕駛工況扭矩的需求。

4 結(jié)束語(yǔ)

AMT本身具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、傳遞效率高、成本低、開(kāi)發(fā)難度小等特點(diǎn)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)的加入能夠很好地彌補(bǔ)其換擋過(guò)程動(dòng)力中斷的不足，因此基于AMT自動(dòng)變速器進(jìn)行的混合動(dòng)力系統(tǒng)開(kāi)發(fā)也將會(huì)被越來(lái)越多的整車(chē)企業(yè)所看重。相信在不久的將來(lái)，國(guó)內(nèi)的整車(chē)企業(yè)會(huì)根據(jù)自身的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，開(kāi)發(fā)出適合自己的混合動(dòng)力產(chǎn)品，滿足國(guó)家節(jié)能減排目標(biāo)的同時(shí)，迎合廣大消費(fèi)者的使用需求，產(chǎn)生一定的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。