主流雙電機混動變速箱技術方案分析

張喜州，于東海，劉慶鵬，劉永明，苗 芮

主流雙電機混動變速箱技術方案分析

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開發部，吉林 長春 130013）

雙電機混動變速箱已成為混合動力車型的主流系統構型，論文通過分析混動變速箱的分類，延伸出串并聯和功率分流兩種技術分支。通過對本田-I-MMD、上汽EDU、比亞迪DM-I、豐田THS等幾款主流雙電機混動系統作對比分析，闡述兩種構型的模式原理及技術優劣勢。文章重點分析不同廠家串并聯構型雙電機變速箱技術方案及發展趨勢，得出雙電機布置位置、內燃機/驅動電機兩擋或多擋將成構型的布局點的結論，給有意向開發雙電機混動產品的企業提供參考和建議。

混合動力；變速箱；雙電機

概述

近年來汽車產業的高速發展造成了能源危機和環境污染兩大危機，大力發展節能與新能源汽車已成為解決兩大危機的必由之路[1-2]。2020年10月，工信部發布《節能與新能源汽車技術路線圖2.0》，預計2035年節能與新能源汽車銷量各占50%，其中傳統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，介于傳統能源與新能源汽車之間，是一種傳統能源節能汽車。HEV車型通過燃油和電力兩種能源互補，實現整車節油的目的，據統計HEV車型最大節油可達30%[4]。為達成燃油排放的合規性，國內外各大主機廠紛紛在HEV車型開發中加大投入，日系的豐田、本田，國內的長城、比亞迪等車企均實現車型量產。

混動變速箱是HEV車型的核心部件，其性能直接關系到整車油耗及動力性等性能指標。集成雙電機的變速箱，可實現純電、串聯、并聯、混聯等多種工作模式，策略匹配更加靈活，在節油方面優勢更加突出，已成為混合動力變速箱的一大趨勢。本文以國內外主流雙電機混動變速箱為研究對象，分析其設計架構及工作原理及模式，進而對比分析其優劣勢。本研究對有意向開發雙電機混動產品的企業具有一定的借鑒意義。

圖1 混合動力技術分類

1 混合動力技術分類

混合動力技術按照電機個數、位置、及可實現的工作模式可分為并聯、串聯、混聯，如圖1所示。其中，并聯式混動，只有一個電機，按照電機與內燃機、變速箱及離合的相對位置，可分為P0—P4五種架構，如圖2所示。

圖2 并聯式混動分類

兩個或多個電機的不同組合可衍生出串聯和混聯兩種模式。其中，串聯式又稱為增程式，此類型內燃機不能實現直驅行駛，業內多將此類車輛歸類于純電動車輛，在此不作討論。

混聯式分為轉矩耦合式和功率耦合式兩種。轉矩耦合式的組合多為P1+P3架構，如本田I-MMD、上汽EDU、比亞迪DM-I、長城檸檬等，P0+P3/P4也是轉矩耦合形式，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 轉矩耦合式雙電機變速箱

2.1 轉矩耦合

在混聯式驅動架構中，轉矩耦合系統可將內燃機與電機的轉矩耦合疊加，傳遞給驅動車輪。內燃機與電機轉矩相互獨立，通過整車控制器計算分配[5]。兩者轉速與車輛速度成比例關系，轉矩耦合簡圖如下：

圖3 動力耦合示意圖

2.2 P1+P3架構

2.2.1工作模式

P1+P3架構的混合動力系統中，P1為發電機、P3為驅動電機。當車輛起步或速較低時，整車功率需求較少，純電驅動車輛。P3電機利用高壓電池電量直接驅動車輛，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動車輛，此時內燃機帶動P1發電機發電，與高壓電池一起串聯驅動車輛，實現串聯模式；高速工況，內燃機直驅車輛燃油經濟性更佳，此時K0離合器閉合，內燃機直驅車輛。P3電機可通過驅動或發電等模式調節內燃機工況點，使其工作在最佳油耗區域，實現并聯模式。具體工作模式見圖4。

圖4 工作模式

2.2.2雙電機同軸式

同軸式雙電機變速箱，即P1電機和P3電機物理位置上在同一軸線上。該架構整車向尺寸較小，更有利于平臺化設計。采用該構型的系統有本田I-MMD、上汽EDU等系統。

本田I-MMD內燃機和P3電機各只有一擋平行軸減速齒輪，P1電機有一擋增速齒輪，內燃機直驅端有一組離合器K0，其結構較為簡單[6]。具體結構簡圖如圖5所示。

圖5 本田I-MMD系統結構示意圖

上汽EDU內燃機和P3電機各只有一擋平行軸減速齒輪，P1電機無增速齒輪，與內燃機直連。內燃機和P3電機端各有一組離合器K1和K2。具體結構簡圖如圖6所示[5]。

圖6 上汽EDU系統結構示意圖

EDU與I-MMD相比，內燃機直驅模式可斷開K2離合器，P3電機轉子不隨系統轉動，有效降低系統慣量與摩擦損失，提升系統效率，但也增加了系統的復雜度。同時，EDU系統P1電機無增速齒輪，不利于P1電機的小型化設計，但可簡化系統結構。

2.2.3雙電機平行軸式

平行式雙電機變速箱，即P1電機和P3電機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計。該類型優點是電機可獨立于變速箱設計，電機冷卻可靈活地采用水冷或油冷，大大降低集成難度。采用該構型的系統有比亞迪DM-I、長城檸檬等系統。

比亞迪DM-I系統內燃機和P3電機各只有一擋平行軸減速齒輪，P1電機有一擋增速齒輪，內燃機直驅端有一組離合器K0，其結構較為簡單。具體結構簡圖如圖7所示。

圖7 比亞迪 DM-I系統結構示意圖

長城檸檬系統內燃機直驅有平行軸式兩擋減速機制，P3電機有一擋平行軸減速齒輪，P1電機有一檔增速齒輪。內燃機直驅端有一組離合器K0。具體結構簡圖如圖8所示。

圖8 長城檸檬系統結構示意圖

檸檬系統與DM-I相比，內燃機直驅模式有兩擋減速機構。這有利于擴大內燃機直驅范圍，在車速相對較低時亦可以內燃機直驅，實現更優的油耗目標，但這也增加了系統復雜度和控制的難度。

2.3 其他類型架構

除了P1+P3架構外，還有P0+P3，P0+P4等架構類型，如比亞迪DM3混動系統[7]。

該類架構的系統兩個電機可不集成在變速箱內，系統結構更為簡單。但由于節油潛力、高壓系統復雜等方面存在弊端，未能成為行業主流方案。

3 功率耦合式雙電機變速箱

3.1 功率耦合

功率耦合也稱為功率分流，該系統輸出轉矩與轉速分別是內燃機、電機轉矩和轉速的線性代數和。因此，該混動系統可實現發動機的轉矩和轉速的自由控制。功率耦合式變速箱一般采用行星齒輪組與內燃機和兩個電機相連[8]。

3.2 PS架構

3.2.1工作模式

功率分流架構的混合動力系統中，MG1為發電機，MG2為驅動電機。當車速較低或者車輛起步時，整車需求功率較少，純電驅動車輛，MG2電機利用高壓電池電量直接驅動車輛，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動車輛，此時內燃機啟動，利用行星排實現功率分流。PS架構通過合理分配內燃機和電機的動力輸出，實現各種工況下車輛平順行駛，進而達到節油的目的[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

國產化的豐田第三代THS系統就是PS架構系統，結構示意圖10所示。該構型內燃機、電機MG1在功率分流行星排一側，電機MG2在另一側，三者同軸布置。其中，內燃機連接行星架，電機MG1連接太陽輪，電機MG2通過減速行星排與外齒圈相連[7]。

圖10 豐田第三代THS結構示意圖

通用第二代Voltec與豐田THS殊途同歸，同屬于功率分流PS架構。第二代Voltec采用兩個離合器、雙電機和雙行星排集成化設計，實現內燃機高效的動力輸出，這也增加了控制上的復雜度[9]。

圖11 通用第二代Voltec結構示意圖

4 總結

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

（2）轉矩耦合中P1+P3架構的混動變速箱具有結構簡單，動力性強，控制簡單等優勢，已成為行業主流構型。

（3）雙電機布置位置、內燃機/驅動電機兩擋或多擋將成各大主機廠或供應商為專利及構型的布局點。

（4）為實現系統更高的功率密度和效率，本文預測電機高電壓化、SCI逆變等先進技術即將被應用。

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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開發部。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開發部，研究方向：車輛電驅驅動系統。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2022.001.016