功率分流與多模式混動專用變速器的對比分析

王坤城 朱新明

（比亞迪汽車工業有限公司產品規劃及汽車新技術研究院）

隨著經濟的發展，能源問題逐漸成為一個戰略問題，石油等能源供應緊張已成為制約我國經濟社會發展的一個重要因素[1]。基于內燃機自身的特性，進一步降低內燃機油耗的困難越來越大，所以近年來各國汽車企業紛紛開始布局混合動力汽車。混合動力汽車耦合發動機和電動機的動力，使其既可以保持發動機驅動汽車的特點和優點，又可以通過電機驅動來實現燃油經濟性和降低排放，其被業界以及政策制定部門視為中短期內解決節能減排問題的最佳選擇。混合動力發展至今已經達到了一定的深度并呈現不同的技術路線，混合動力的核心——混動變速器的技術狀態，決定汽車的油耗、經濟性、NVH 等性能，文章主要對市場上的2種混動專用變速器架構進行對比分析。

1 混動專用變速器介紹

混動專用變速器（DHT）是針對混合動力而專門開發的變速器，是專門針對發動機和電機的功率和扭矩特性而重新系統地開發的新型結構的混動變速器，特別適用于混合動力車輛。統計數據顯示，2016年全球搭載DHT的車輛占所有混動車輛銷量的73.01%，2017年占比為72.17%。目前，此類產品也已大規模投放市場，例如日本的“THS”“i-MMD”、美國的“VoltecGen2”、中國的“EDU”“CHS”“F3DM”等。基于技術路線的不同，DHT 可以分為功率分流混動專用變速器（PS-DHT）和多模式混動專用變速器（MMT-DHT）。

1.1 PS-DHT

功率分流混動專用變速器，采用行星齒輪機構耦合發動機和電機動力進行無級調節，通過電機對發動機的運行范圍進行調節和優化，減少瞬態工況，使其總是運行在高效區，從而降低排放和油耗。PS-DHT 主要由行星齒輪耦合機構、發電機、驅動電機、減速齒輪機構等組成。圖1示出某典型PS-DHT的結構原理圖[2]。

圖1 某PS-DHT 混動變速器結構原理圖

1.2 MMT-DHT

多模式混動專用變速器，采用固定單速比齒輪或多速比齒輪與離合器或制動器耦合發動機和電機動力，通過發電機、驅動電機和發動機及離合器的綜合運用，將車輛運行模式作具有顯著特征的區分，從而確保發動機處于高效區，減少瞬態工況，進而降低排放和油耗。PS-DHT 主要由離合器、發電機、驅動電機、減速齒輪機構等組成，圖2 示出某典型MMT-DHT的結構原理圖[3]。

圖2 某MMT-DHT 混動變速器結構原理圖

2 PS-DHT與 MMT-DHT 對比

2.1 原理對比分析

通過圖1與圖2的比較得出：1）外部發動機動力輸入PS-DHT 之后，經行星齒輪機構到齒圈輸出，再經中間齒輪到主減差速器輸出，外部發動機動力與輪端機械連接，發動機動力連接到行星齒輪機構的行星架，發電機動力連接到行星齒輪機構的太陽輪，行星齒輪機構耦合發動機與發電機的動力，發電機對發動機的工作范圍進行調節；2） 外部發動機動力輸入MMT-DHT 之后，經過離合器再經過中間齒輪到主減差速器后輸出，外部發動機動力不直接進行機械連接，發動機動力直接連接到離合器主動端及發電機，發電機與發動機通過增速齒輪固定連接，發電機對發動機的工作進行調節。

2.2 效率對比分析

對搭載MMT-DHT 變速器的車輛進行WLTC 工況測試，主要的驅動模式有純電模式、串聯（增程）模式及發動機直驅模式。

2.2.1 純電模式

在純電模式下，搭載MMT-DHT 變速器的車輛與搭載PS-DHT 變速器的車輛從驅動電機端到輪端均為兩級平行軸減速，兩者傳動效率基本一致。

2.2.2 串聯模式

MMT-DHT 設計為中低速電驅驅動/中高速巡航發動機驅動，中低速工況時發動機速比無法直接驅動而必須采用串聯驅動，此時的效率計算，如式（1）所示。

式中：Te——發動機扭矩，N·m；

ne——發動機轉速，r/min；

ηg1——發動機到發電機的齒輪傳遞效率；

ηGM——發電機及電機電控效率；

ηTM——驅動電機及電機電控效率；

ηg2——驅動電機一級減速效率；

ηg3——驅動電機二級減速效率；

ηDI——差速器效率；

ηMMT——MMT 系統總效率。

文獻[4]的研究和試驗中，斜齒輪傳遞效率為98.5%，實際測試的發電機及電控平均效率為90%，驅動電機及電控平均效率為90%；文獻[5]的研究中，差速器效率為97%～98%，該MMT-DHT 在此模式下的動力傳遞效率為75.087 1%。

PS-DHT 由于無離合器，發動機動力經行星齒輪機構耦合之后，一部分通過齒圈進入輪端，另一部分通過太陽輪發電進入驅動電機或者低壓附件設備，效率計算，如式（2）和式（3）所示。

式中：α——齒圈齒數與太陽輪齒數比；

nr——齒圈轉速，r/min；

ηPG——行星機構傳遞效率；

ηg4——齒圈到中間齒輪的傳遞效率；

nGM——發電機轉速，r/min；

ηPS——PS 系統總效率。

文章設定 ne=1 500 r/min，nGM=700 r/min，α=2.6，則nr=1 808 r/min；ηPG取96%；Te取80 N·m；該PS-DHT 在串聯模式下的動力傳遞效率為88.122 1%，比MMT-DHT高13%左右。

2.2.3 發動機直驅模式

搭載MMT-DHT 變速器的車輛在發動機直驅模式下由發動機直接驅動，此時的效率計算，如式（4）所示。

式中：Wc——離合器及液壓系統損失，W。

此時 ne=2 500 r/min，Te取80 N·m；Wc取300 W；該MMT-DHT 在此模式下的動力傳遞效率為92.679 3%。

搭載PS-DHT 車輛的動力傳遞效率參照式（2）及式（3）。此時 ne=2 500 r/min，Te取80 N·m。該 PS-DHT在此模式下的動力傳遞效率為89.011 2%。此種模式下，PS-DHT 效率要比MMT-DHT 低3.6%左右。綜合比較來看，PS-DHT的傳動效率要優于MMT-DHT，特別是在中低車速工況。

2.3 能耗臺架對比分析

對搭載MMT-DHT 和PS-DHT的車輛進行基于WLTC 工況的臺架測試及分析，包括模式測試分析、行駛阻力及油耗測試分析。

基于WLTC 工況的全循環總里程為23.27 km，持續時間為1 800 s，最高行駛速度達131.3 km/h，分成低速段、中速段、高速段和超高速段4個速度區間。各速度區間的持續時間分別為589，433，455，323 s，如圖3所示[6]。

圖3 汽車WLTC 工況循環曲線圖

2.3.1 WLTC 工況下模式和效率的臺架測試及分析

對搭載該MMT-DHT 變速器的車型進行WLTC 工況臺架測試，發動機轉速、車速等運行情況，如圖4所示。

圖4 搭載MMT-DHT的汽車WLTC 工況測試圖

根據圖4 統計得到各模式工作時間占比，如表1所示。

表1 汽車各驅動模式工作時間占比表

綜合整個WLTC 工況來看，串聯模式較發動機直驅模式的時間占比多了13.77%，串聯模式在所有的發動機參與的工況中時間占比達到65.42%。結合2.2 節提到的在中低速（串聯）模式下，MMT-DHT的效率遠低于PS-DHT；而直驅模式下，MMT-DHT的效率略高于PS-DHT。所以在整個WLTC 電平衡工況下，PS-DHT比MMT-DHT 效率更高。

2.3.2 WLTC 工況電平衡油耗仿真計算比較

分別搭建基于PS-DHT 變速器和MMT-DHT 變速器的Simulink 整車仿真計算模型，只更改變速器參數，其它參數不變。通過MATLAB與GT-POWER 聯合仿真，WLTC 工況下的電平衡油耗仿真結果，如表2所示。

表2 汽車WLTC 臺架電平衡油耗測試結果表 100 km/L

從表2可以看出，對WLTC-L 工況而言，搭載PS-DHT的車輛油耗要遠優于搭載MMT-DHT的車輛油耗；對WLTC工況而言，PS-DHT也要優于MMT-DHT。

2.4 動力性分析

對于PS-DHT，由于發電機主要是調節發動機動力而不是全部吸收發動機功率，故發電機功率扭矩可以設計得比較小。PS-DHT 在低車速急加速的驅動過程中，發動機可以通過機械連接而參與到汽車加速過程中去，故可以減少驅動電機的扭矩設計。

對于MMT-DHT，由于在離合器斷開時，發電機必須吸收發動機的全部功率，故發電機功率扭矩需要設計得較大并保持一定的額定功率輸出。

MMT-DHT 在中低速離合器接合前，其輪端扭矩計算，如式（5）所示。

式中：TTM——驅動電機扭矩，N·m；

ig2——驅動電機一級減速比；

ig3——主減速比；

TMMT——MMT 系統輪端扭矩，N·m。

由于PS-DHT 無離合器，搭載PS-DHT的車輛輪端扭矩計算，如式（6）所示。

式中：ig4——外齒圈到中間齒輪速比；

TPS——PS 系統輪端扭矩，N·m。

基于上述模型，設置兩者驅動電機參數一致，經仿真分析，搭載 MMT-DHT 和 PS-DHT的汽車 100 km 加速時間分別為8.97 s 和8.35 s。

2.5 成本對比分析

綜上，PS-DHT 所用發電機和驅動電機的扭矩較MMT-DHT 所用發電機和驅動電機的扭矩要小很多，因而PS-DHT 所用發電機和驅動電機的成本較MMT-DHT 要低很多；PS-DHT 所用發電機和驅動電機的功率較MMT-DHT 所用發電機和驅動電機的功率要小很多，因而PS-DHT 所用發電機和驅動電機的電控成本較MMT-DHT 要低很多。

此2種變速器的箱體和齒輪及軸承的成本相當，而電機和電控的成本差別較大，PS-DHT 相較于MMT-DHT 成本更低。

3 結論

文章通過計算以及仿真手段，對PS-DHT 和MMT-DHT 從動力性、燃油經濟性以及成本等方面進行了深入的分析，在同等條件下，PS-DHT 在各方面的性能都優于MMT-DHT。但從其結構本身的特點來看，PS 結構更適用于小型汽車，而MMT的覆蓋范圍更大，它可以適應更大的電機，能適用于更大的車型。未來新能源汽車的DHT的發展將更多地取決于主機廠的定位。綜合來看，小型車采用PS 架構，中大型車采用MMT 架構，或許是未來的發展趨勢。