主流雙電機(jī)混動變速箱技術(shù)方案分析

張喜州，于東海，劉慶鵬，劉永明，苗 芮

主流雙電機(jī)混動變速箱技術(shù)方案分析

張喜州，于東海，劉慶鵬，劉永明，苗 芮

（一汽-大眾汽車有限公司技術(shù)開發(fā)部，吉林 長春 130013）

雙電機(jī)混動變速箱已成為混合動力車型的主流系統(tǒng)構(gòu)型，論文通過分析混動變速箱的分類，延伸出串并聯(lián)和功率分流兩種技術(shù)分支。通過對本田-I-MMD、上汽EDU、比亞迪DM-I、豐田THS等幾款主流雙電機(jī)混動系統(tǒng)作對比分析，闡述兩種構(gòu)型的模式原理及技術(shù)優(yōu)劣勢。文章重點分析不同廠家串并聯(lián)構(gòu)型雙電機(jī)變速箱技術(shù)方案及發(fā)展趨勢，得出雙電機(jī)布置位置、內(nèi)燃機(jī)/驅(qū)動電機(jī)兩擋或多擋將成構(gòu)型的布局點的結(jié)論，給有意向開發(fā)雙電機(jī)混動產(chǎn)品的企業(yè)提供參考和建議。

混合動力；變速箱；雙電機(jī)

概述

近年來汽車產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展造成了能源危機(jī)和環(huán)境污染兩大危機(jī)，大力發(fā)展節(jié)能與新能源汽車已成為解決兩大危機(jī)的必由之路[1-2]。2020年10月，工信部發(fā)布《節(jié)能與新能源汽車技術(shù)路線圖2.0》，預(yù)計2035年節(jié)能與新能源汽車銷量各占50%，其中傳統(tǒng)能源乘用車百公里油耗將降至4 L[3]。

HEV（Hybrid Electric Vehicle）即混合動力汽車，介于傳統(tǒng)能源與新能源汽車之間，是一種傳統(tǒng)能源節(jié)能汽車。HEV車型通過燃油和電力兩種能源互補(bǔ)，實現(xiàn)整車節(jié)油的目的，據(jù)統(tǒng)計HEV車型最大節(jié)油可達(dá)30%[4]。為達(dá)成燃油排放的合規(guī)性，國內(nèi)外各大主機(jī)廠紛紛在HEV車型開發(fā)中加大投入，日系的豐田、本田，國內(nèi)的長城、比亞迪等車企均實現(xiàn)車型量產(chǎn)。

混動變速箱是HEV車型的核心部件，其性能直接關(guān)系到整車油耗及動力性等性能指標(biāo)。集成雙電機(jī)的變速箱，可實現(xiàn)純電、串聯(lián)、并聯(lián)、混聯(lián)等多種工作模式，策略匹配更加靈活，在節(jié)油方面優(yōu)勢更加突出，已成為混合動力變速箱的一大趨勢。本文以國內(nèi)外主流雙電機(jī)混動變速箱為研究對象，分析其設(shè)計架構(gòu)及工作原理及模式，進(jìn)而對比分析其優(yōu)劣勢。本研究對有意向開發(fā)雙電機(jī)混動產(chǎn)品的企業(yè)具有一定的借鑒意義。

圖1 混合動力技術(shù)分類

1 混合動力技術(shù)分類

混合動力技術(shù)按照電機(jī)個數(shù)、位置、及可實現(xiàn)的工作模式可分為并聯(lián)、串聯(lián)、混聯(lián)，如圖1所示。其中，并聯(lián)式混動，只有一個電機(jī)，按照電機(jī)與內(nèi)燃機(jī)、變速箱及離合的相對位置，可分為P0—P4五種架構(gòu)，如圖2所示。

圖2 并聯(lián)式混動分類

兩個或多個電機(jī)的不同組合可衍生出串聯(lián)和混聯(lián)兩種模式。其中，串聯(lián)式又稱為增程式，此類型內(nèi)燃機(jī)不能實現(xiàn)直驅(qū)行駛，業(yè)內(nèi)多將此類車輛歸類于純電動車輛，在此不作討論。

混聯(lián)式分為轉(zhuǎn)矩耦合式和功率耦合式兩種。轉(zhuǎn)矩耦合式的組合多為P1+P3架構(gòu)，如本田I-MMD、上汽EDU、比亞迪DM-I、長城檸檬等，P0+P3/P4也是轉(zhuǎn)矩耦合形式，2018年上市的比亞迪DM3就是該類型。功率耦合式以豐田THS和通用Voltec最具代表性。

2 轉(zhuǎn)矩耦合式雙電機(jī)變速箱

2.1 轉(zhuǎn)矩耦合

在混聯(lián)式驅(qū)動架構(gòu)中，轉(zhuǎn)矩耦合系統(tǒng)可將內(nèi)燃機(jī)與電機(jī)的轉(zhuǎn)矩耦合疊加，傳遞給驅(qū)動車輪。內(nèi)燃機(jī)與電機(jī)轉(zhuǎn)矩相互獨立，通過整車控制器計算分配[5]。兩者轉(zhuǎn)速與車輛速度成比例關(guān)系，轉(zhuǎn)矩耦合簡圖如下：

圖3 動力耦合示意圖

2.2 P1+P3架構(gòu)

2.2.1工作模式

P1+P3架構(gòu)的混合動力系統(tǒng)中，P1為發(fā)電機(jī)、P3為驅(qū)動電機(jī)。當(dāng)車輛起步或速較低時，整車功率需求較少，純電驅(qū)動車輛。P3電機(jī)利用高壓電池電量直接驅(qū)動車輛，即為純電模式；隨著車速增加，或者全油門加速工況，動力電池的功率不足以驅(qū)動車輛，此時內(nèi)燃機(jī)帶動P1發(fā)電機(jī)發(fā)電，與高壓電池一起串聯(lián)驅(qū)動車輛，實現(xiàn)串聯(lián)模式；高速工況，內(nèi)燃機(jī)直驅(qū)車輛燃油經(jīng)濟(jì)性更佳，此時K0離合器閉合，內(nèi)燃機(jī)直驅(qū)車輛。P3電機(jī)可通過驅(qū)動或發(fā)電等模式調(diào)節(jié)內(nèi)燃機(jī)工況點，使其工作在最佳油耗區(qū)域，實現(xiàn)并聯(lián)模式。具體工作模式見圖4。

圖4 工作模式

2.2.2雙電機(jī)同軸式

同軸式雙電機(jī)變速箱，即P1電機(jī)和P3電機(jī)物理位置上在同一軸線上。該架構(gòu)整車向尺寸較小，更有利于平臺化設(shè)計。采用該構(gòu)型的系統(tǒng)有本田I-MMD、上汽EDU等系統(tǒng)。

本田I-MMD內(nèi)燃機(jī)和P3電機(jī)各只有一擋平行軸減速齒輪，P1電機(jī)有一擋增速齒輪，內(nèi)燃機(jī)直驅(qū)端有一組離合器K0，其結(jié)構(gòu)較為簡單[6]。具體結(jié)構(gòu)簡圖如圖5所示。

圖5 本田I-MMD系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

上汽EDU內(nèi)燃機(jī)和P3電機(jī)各只有一擋平行軸減速齒輪，P1電機(jī)無增速齒輪，與內(nèi)燃機(jī)直連。內(nèi)燃機(jī)和P3電機(jī)端各有一組離合器K1和K2。具體結(jié)構(gòu)簡圖如圖6所示[5]。

圖6 上汽EDU系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

EDU與I-MMD相比，內(nèi)燃機(jī)直驅(qū)模式可斷開K2離合器，P3電機(jī)轉(zhuǎn)子不隨系統(tǒng)轉(zhuǎn)動，有效降低系統(tǒng)慣量與摩擦損失，提升系統(tǒng)效率，但也增加了系統(tǒng)的復(fù)雜度。同時，EDU系統(tǒng)P1電機(jī)無增速齒輪，不利于P1電機(jī)的小型化設(shè)計，但可簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

2.2.3雙電機(jī)平行軸式

平行式雙電機(jī)變速箱，即P1電機(jī)和P3電機(jī)在物理位置上平行布置，這會增加整車向長度，不利于整車平臺化設(shè)計。該類型優(yōu)點是電機(jī)可獨立于變速箱設(shè)計，電機(jī)冷卻可靈活地采用水冷或油冷，大大降低集成難度。采用該構(gòu)型的系統(tǒng)有比亞迪DM-I、長城檸檬等系統(tǒng)。

比亞迪DM-I系統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)和P3電機(jī)各只有一擋平行軸減速齒輪，P1電機(jī)有一擋增速齒輪，內(nèi)燃機(jī)直驅(qū)端有一組離合器K0，其結(jié)構(gòu)較為簡單。具體結(jié)構(gòu)簡圖如圖7所示。

圖7 比亞迪 DM-I系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

長城檸檬系統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)直驅(qū)有平行軸式兩擋減速機(jī)制，P3電機(jī)有一擋平行軸減速齒輪，P1電機(jī)有一檔增速齒輪。內(nèi)燃機(jī)直驅(qū)端有一組離合器K0。具體結(jié)構(gòu)簡圖如圖8所示。

圖8 長城檸檬系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

檸檬系統(tǒng)與DM-I相比，內(nèi)燃機(jī)直驅(qū)模式有兩擋減速機(jī)構(gòu)。這有利于擴(kuò)大內(nèi)燃機(jī)直驅(qū)范圍，在車速相對較低時亦可以內(nèi)燃機(jī)直驅(qū)，實現(xiàn)更優(yōu)的油耗目標(biāo)，但這也增加了系統(tǒng)復(fù)雜度和控制的難度。

2.3 其他類型架構(gòu)

除了P1+P3架構(gòu)外，還有P0+P3，P0+P4等架構(gòu)類型，如比亞迪DM3混動系統(tǒng)[7]。

該類架構(gòu)的系統(tǒng)兩個電機(jī)可不集成在變速箱內(nèi)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更為簡單。但由于節(jié)油潛力、高壓系統(tǒng)復(fù)雜等方面存在弊端，未能成為行業(yè)主流方案。

3 功率耦合式雙電機(jī)變速箱

3.1 功率耦合

功率耦合也稱為功率分流，該系統(tǒng)輸出轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速分別是內(nèi)燃機(jī)、電機(jī)轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的線性代數(shù)和。因此，該混動系統(tǒng)可實現(xiàn)發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的自由控制。功率耦合式變速箱一般采用行星齒輪組與內(nèi)燃機(jī)和兩個電機(jī)相連[8]。

3.2 PS架構(gòu)

3.2.1工作模式

功率分流架構(gòu)的混合動力系統(tǒng)中，MG1為發(fā)電機(jī)，MG2為驅(qū)動電機(jī)。當(dāng)車速較低或者車輛起步時，整車需求功率較少，純電驅(qū)動車輛，MG2電機(jī)利用高壓電池電量直接驅(qū)動車輛，即為純電模式；隨著車速增加，或者在全油門加速工況下，動力電池的功率不足以驅(qū)動車輛，此時內(nèi)燃機(jī)啟動，利用行星排實現(xiàn)功率分流。PS架構(gòu)通過合理分配內(nèi)燃機(jī)和電機(jī)的動力輸出，實現(xiàn)各種工況下車輛平順行駛，進(jìn)而達(dá)到節(jié)油的目的[8]。具體示意圖如圖9所示。

圖9 工作模式

3.2.2典型PS架構(gòu)

國產(chǎn)化的豐田第三代THS系統(tǒng)就是PS架構(gòu)系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)示意圖10所示。該構(gòu)型內(nèi)燃機(jī)、電機(jī)MG1在功率分流行星排一側(cè)，電機(jī)MG2在另一側(cè)，三者同軸布置。其中，內(nèi)燃機(jī)連接行星架，電機(jī)MG1連接太陽輪，電機(jī)MG2通過減速行星排與外齒圈相連[7]。

圖10 豐田第三代THS結(jié)構(gòu)示意圖

通用第二代Voltec與豐田THS殊途同歸，同屬于功率分流PS架構(gòu)。第二代Voltec采用兩個離合器、雙電機(jī)和雙行星排集成化設(shè)計，實現(xiàn)內(nèi)燃機(jī)高效的動力輸出，這也增加了控制上的復(fù)雜度[9]。

圖11 通用第二代Voltec結(jié)構(gòu)示意圖

4 總結(jié)

（1）雙電機(jī)混動變速箱可分為轉(zhuǎn)矩耦合和功率耦合兩種類型。轉(zhuǎn)矩耦合以本田、比亞迪、長城為代表，功率耦合以豐田、通用為代表。

（2）轉(zhuǎn)矩耦合中P1+P3架構(gòu)的混動變速箱具有結(jié)構(gòu)簡單，動力性強(qiáng)，控制簡單等優(yōu)勢，已成為行業(yè)主流構(gòu)型。

（3）雙電機(jī)布置位置、內(nèi)燃機(jī)/驅(qū)動電機(jī)兩擋或多擋將成各大主機(jī)廠或供應(yīng)商為專利及構(gòu)型的布局點。

（4）為實現(xiàn)系統(tǒng)更高的功率密度和效率，本文預(yù)測電機(jī)高電壓化、SCI逆變等先進(jìn)技術(shù)即將被應(yīng)用。

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Analysis of Hybrid Gearbox of Mainstream Dual Motor

ZHANG Xizhou, YU Donghai, LIU Qingpeng, LIU Yongming, MIAO Rui

( TE, FAW-VW, Jilin Changchun 130013 )

The dual E-motor hybrid gearbox has become the mainstream system for hybrid vehicles. This article analyzes the classification of hybrid gearboxes and extends the two technical branches of series-parallel and power split. Analysis of several mainstream systems, such as Honda-I-MMD, SAIC EDU, BYD DM-I, Toyota THS, etc., the principle, advantages and disadvantages of the two branches are explained. This article focuses on analyzing the technical solutions and development trends of dual-motor gearboxes of different manufacturers in series-parallel configurations, and concludes that the layout of two E-motors and ICE/E-motor with two or more gears will become mainstreams. This paper could provide references and suggestions for enterprises interested in developing hybrid gearbox.

Hybrid; Gearbox; Dual e-motor

B

1671-7988(2022)01-69-05

U463.2

B

1671-7988(2022)01-69-05

CLC NO.: U463.2

張喜州，就職于一汽-大眾汽車有限公司技術(shù)開發(fā)部。劉慶鵬（1989—），男，碩士，工程師，就職于一汽-大眾汽車有限公司技術(shù)開發(fā)部，研究方向：車輛電驅(qū)驅(qū)動系統(tǒng)。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2022.001.016