平行軸混合動力變速器方案研究

高彬

(上海汽車變速器有限公司，上海 201807)

0 引言

能源安全與氣候變化已成為國際社會關注的焦點，為實現交通領域的可持續健康發展，世界主要汽車生產國進一步加快推動節能與新能源汽車的發展，全球的節能與新能源汽車進入一個快速發展時期。

豐田自1997年10月推出量產普銳斯混合動力汽車以來，其混合動力系統(Toyota Hybrid System，THS)已推出第四代。本田也從開始的IMA、I-DCD、I-MMD混合動力系統到當前的e-HEV混合動力系統，仍在持續的更新迭代。在歐洲市場，豐田和雷克薩斯的混動車型已占其全部車型總銷量的50%以上。截止到2020年4月，豐田全球銷售混合動力汽車突破1 500萬輛。根據乘聯會統計數據，國內市場，2019年混合動力乘用車銷售28.5萬輛，同比增加33%。

中國制定的新能源汽車發展戰略，重點仍在純電動汽車和插電式混合動力汽車，2020年4月出臺的新能源汽車推廣應用財政補貼政策更是將新能源汽車的購車補貼延后至2022年。在根據式(1)核算企業平均燃料消耗量(CAFC)時，2025年及以前由電能消耗量折算的燃料消耗量按零計算，同時對純電動乘用車、燃料電池乘用車以及滿足GB/T 32694要求的可外接充電式混合動力乘用車，其生產或進口量Wi均乘以不同的倍數，2021—2025年的倍數分別為2.0、1.8、1.6、1.3、1.0[1]。

(1)

式中：CAFC為企業平均燃料消耗量，L/100 km；i為乘用車車型序號；FCi為第i個車型的燃料消耗量，L/100 km；Vi為第i個車型的年度生產或進口量；Wi為第i個車型對應的倍數。

中國的新能源汽車市場雖然起步較晚，但其發展速度及后續的巨大市場潛力是值得期待的。在當前汽車電池仍存在應用瓶頸的前提下，集傳統燃油車及純電動汽車優勢的混合動力汽車會存在一個高速發展期。具有市場競爭力的一款混合動力變速器無疑會為整車企業在本輪市場變革中提供強有力的技術保障，甚至可能起到決定性作用。

1 市場已有典型混動變速器構型

國際市場已有的知名混合動力整車平臺，采用雙電機非插電混合動力系統的豐田普銳斯、本田雅閣，可外接充電的雙電機混合動力系統通用沃蘭達，及單電機混合動力系統大眾途觀。

國內市場已量產的優秀混合動力整車平臺，采用單電機非插電混合動力系統的領克混動，可外接充電的雙電機混合動力系統上汽榮威550，及單電機混合動力系統的比亞迪秦DM等。

1.1 豐田普銳斯混合動力系統

PRILS(普銳斯)是日本豐田汽車于1997年推出的世界上第一個大規模生產的混合動力車輛，并在2001年銷往全世界40多個國家和地區，其最大的市場由日本和北美逐步擴展到歐洲和國內。

其混合動力變速器構型已更新到第3代，見圖1，主體構型為采用單行星排，主要差異為混合動力變速器的內部動力傳遞方式：第1代變速器采用鏈條傳動；第2代變速器將鏈條傳動改為齒輪傳動；第3代變速器將驅動電機的行星排減速改為常規嚙合齒輪減速，并將驅動電機與發電機的同軸布置改為平行軸布置，縮短變速器軸向長度的同時減輕質量。

圖1 豐田THS混合動力變速器

1.2 大眾途觀混合動力系統

大眾途觀的混合動力汽車基于P2構型開發，主要特點為基于傳統濕式雙離合變速器增加一個K0離合器和P2電機，并與原雙離合器組成一個三離合器模塊，集成于混合動力變速器內部(圖2)，以縮短動力總成的軸向尺寸，并共用原發動機的所有6+R個擋位。

圖2 大眾途觀DQ400e混合動力系統

1.3 領克混合動力系統

領克01混合動力變速器如圖3所示。

圖3 領克01混合動力變速器

領克01非插電混合動力系統同樣基于傳統雙離合變速器進行開發，與大眾DQ400e不同的是其電機放置于雙離合變速器的上部，通過多級嚙合的惰輪連接外輸入軸的4/6擋主動齒，形成共用的3+R個電機擋位(圖3)。

1.4 上汽榮威混合動力系統

2012年上汽推出榮威550插電混動版，其混合動力變速器的主要技術特點為采用同軸式雙電機結構(圖4)，發電機與發動機固連，并通過1個濕式離合器與輸入軸連接，驅動電機通過另一個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2個不同的擋位傳遞到差速器以驅動車輛。

圖4 上汽榮威混合動力變速器

2 混合動力變速器的選型條件

綜合當前已知的部分整車企業和零部件企業采用的混合動力構型，對其進行歸納對比，可以發現，國外廠商早期的混合動力方案多基于雙電機的行星排構型，以及之后的雙電機簡單串并聯構型，而國內的整車及零部件企業更青睞于基于已有的自動變速器(如AT或者DCT)，通過增加單電機達到混合動力化的目的。

混合動力變速器采用哪種基礎構型更有優勢，AMT、DCT、CVT還是AT，仍未有定論。而一款具有足夠市場競爭力的混合動力變速器，需同時具備以下幾個條件：

(1)具有成本優勢。插電式混合動力系統的電池容量比較大，電池充放電能力更強，選用單電機的混合動力系統成本優勢會更加明顯。非插電式混合動力系統的電池容量較小，為了更好地解決整車在行駛過程中的電平衡問題，具備雙電機的混合動力方案會是首選，整車起步和倒車則可以通過發動機串聯驅動實現。同時多擋位DCT因為本體價位較高，以此為基礎進行電機集成，不利于整個混合動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。整車采用混合動力構型變速器的最初目的，即為降低整車油耗，也是混合動力變速器是否具有市場競爭力的關鍵技術指標。多擋位AT變速器因為具有多個離合器，拖曳扭矩偏大，進而降低了整個變速器的傳遞效率，所以不建議采用。

(3)無換擋缺陷。主流自動變速器的類型有DCT、AT、CVT、AMT，雖然AMT變速器具有成本優勢，但因為其存在換擋動力中斷，而不被廣大消費者看好。因此在選用AMT變速器進行混合動力化的過程中，需要改善此缺陷。

(4)無功能缺陷。混合動力變速器相對于傳統變速器，需要具備其所有的特定功能以滿足整車需要。如：純電驅動、純發動機驅動、混合動力驅動、行駛中啟動發動機、駐車充電、制動能量回收等。為考慮整車電量不足的特殊工況，單電機的插電式混合動力系統需要同時具備純發動機倒車功能。

(5)外包絡尺寸合適。在傳統變速器的基礎上增加電機模塊后，會增大其外包絡尺寸，特別是如果采用同軸式電機布置，增加的變速器軸向長度會直接體現在整車的左右縱梁空間不足，需要優化整車底盤結構。如果采用側置式電機布置，也需要注意電機與整車真空助力泵或者冷卻水箱之間的安全間隙等。

(6)優秀的整車動力性。因為電機的接入，使整車具備兩種動力源，也就為提高整車動力性提供了可能。一個具備更優良的駕駛舒適性，輸出動力更強勁的混合動力系統，可以作為整車的一大賣點，同時也能夠更好地迎合消費升級需求。

綜上所述，基于平行軸的AMT結構進行混合動力變速器的設計選型，更易找到合適的解決方案。

3 混合動力變速器的方案選擇

3.1 插電式混合動力變速器的方案選擇

基于AMT的插電式混動變速器構型需要具備以下約束條件：

(1)6個發動機擋位，或者5個發動機擋位。保留完整的傳統發動機驅動擋位，以確保在整車饋電時，仍具備正常駕駛功能。

(2)2個純電動擋位。為了更好地兼容整車純電起步動力性及整車高速巡航時的電機轉速，驅動電機至少需要具備2個純電擋位。

(3)1個發動機倒擋。同樣是在饋電時，確保整車仍具備正常駕駛功能。

(4)1個駐車充電擋。確保在整車饋電時，能夠及時地利用發動機進行充電，以保證駕駛舒適性。

(5)4個同步器。盡可能沿用傳統變速器的擋位控制機構。

(6)動力換擋。即發動機或電機擋位切換時，另一動力源仍能夠持續輸出，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個擋位的控制需求，基于4個同步器至多控制8個擋位的條件，存在單個同步器控制多個擋位。動力換擋的需求，要求2個電機擋位分別覆蓋發動機的低擋位和高擋位，發動機擋位與電機擋位間無干涉關系。

在方案布置過程中，將單輸出軸構型和雙輸出軸構型分開討論，可分別得到如圖5所示的優化方案。

圖5 優化方案

其中雙輸出軸方案的無動力中斷擋位組合方式可由圖6進行表述。分別有2家整車企業在混動變速器的開發過程中，采用相同的思路，得到類似設計方案[2]，如圖7所示。

圖6 混合動力變速器的擋位組合方式

圖7 設計方案

3.2 非插電式混合動力變速器的方案選擇

基于AMT的非插電式混動變速器構型需要具備以下約束條件：

(1)4個發動機擋位，或者3個發動機擋位。混合動力系統中具備雙電機，整車采用串聯起步和串聯倒擋，只需保留原發動機的中高速驅動擋位即可。

(2)2個純電動擋位。為了更好地兼容整車純電起步動力性及整車高速巡航時的電機轉速，驅動電機至少需要具備2個純電擋位。

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

(4)動力換擋。即發動機或電機擋位切換時，另一動力源仍能夠持續輸出，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個擋位的控制需求，至多3個同步器即可。動力換擋的需求，要求2個電機擋位分別覆蓋發動機的低擋位和高擋位，發動機擋位與電機擋位間無干涉關系。在方案布置過程中，同時考慮發電機的整車驅動功能，以降低對驅動電機的功率及扭矩需求，從而降低系統成本。得到優化方案如圖8所示，其無動力中斷并聯驅動的擋位組合方式可由圖9進行表述，某整車企業的雙電機混合動力變速器(見圖10)也具有相同的設計思路。

圖8 雙電機優化方案

圖9 雙電機混合動力變速器的擋位組合方式

圖10 雙電機混動方案

通過圖9可以發現，文中提到的雙電機優化方案具備常規混合動力系統功能的同時，還具有如下特征：發動機與發電機共用4個驅動擋位，驅動電機具備2個驅動擋位，3個動力源可分別多擋位驅動整車，兩兩組合多擋位驅動整車，或者共同驅動整車，在節能的基礎上通過不同的動力組合方式實現整車對不同駕駛工況扭矩的需求。

4 結束語

AMT本身具有結構簡單、傳遞效率高、成本低、開發難度小等特點，驅動電機的加入能夠很好地彌補其換擋過程動力中斷的不足，因此基于AMT自動變速器進行的混合動力系統開發也將會被越來越多的整車企業所看重。相信在不久的將來，國內的整車企業會根據自身的技術優勢，開發出適合自己的混合動力產品，滿足國家節能減排目標的同時，迎合廣大消費者的使用需求，產生一定的社會效益和經濟效益。