概述

　　近年來(lái)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。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(jì)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4L。HEV(Hybrid Electric Vehicle)即混合動(dòng)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(guò)燃油和電力兩種能源互補(bǔ)，實(shí)現(xiàn)整車節(jié)油的目的，據(jù)統(tǒng)計(jì)HEV車型最大節(jié)油可達(dá)30%。為達(dá)成燃油排放的合規(guī)性，國(guó)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(guó)內(nèi)的長(zhǎng)城、比亞迪等車企均實(shí)現(xiàn)車型量產(chǎn)。

　　混動(dòng)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(dòng)力性等性能指標(biāo)。集成雙電機(jī)的變速箱，可實(shí)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(shì)更加突出，已成為混合動(dòng)力變速箱的一大趨勢(shì)。本文以國(guó)內(nèi)外主流雙電機(jī)混動(dòng)變速箱為研究對(duì)象，分析其設(shè)計(jì)架構(gòu)及工作原理及模式，進(jìn)而對(duì)比分析其優(yōu)劣勢(shì)。本研究對(duì)有意向開發(fā)雙電機(jī)混動(dòng)產(chǎn)品的企業(yè)具有一定的借鑒意義。

　　1、 混合動(dòng)力技術(shù)分類

　　混合動(dòng)力技術(shù)按照電機(jī)個(gè)數(shù)、位置、及可實(shí)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(dòng)，只有一個(gè)電機(jī)，按照電機(jī)與內(nèi)燃機(jī)、變速箱及離合的相對(duì)位置，可分為P0-P4五種架構(gòu)，如下圖所示。

　　兩個(gè)或多個(gè)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(shí)現(xiàn)直驅(qū)行駛，業(yè)內(nèi)多將此類車輛歸類于純電動(dòng)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(zhǎng)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(dòng)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(dòng)車輪。內(nèi)燃機(jī)與電機(jī)轉(zhuǎn)矩相互獨(dú)立，通過(guò)整車控制器計(jì)算分配。兩者轉(zhuǎn)速與車輛速度成比例關(guān)系，轉(zhuǎn)矩耦合簡(jiǎn)圖如下：

　　2.2 P1+P3 架構(gòu)

　　2.2.1

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

該圖表示為純電模式　　

該圖表示為串聯(lián)模式　　

該圖表示為并聯(lián)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X 向尺寸較小，更有利于平臺(tái)化設(shè)計(jì)。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(jiǎn)單。本田I-MMD具體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如下圖所示。

　　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(wú)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。上汽EDU系統(tǒng)具體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如下圖所示。

　　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(dòng)，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(shí)，EDU系統(tǒng)P1電機(jī)無(wú)增速齒輪，不利于P1電機(jī)的小型化設(shè)計(jì)，但可簡(jiǎn)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(huì)增加整車X 向長(zhǎng)度，不利于整車平臺(tái)化設(shè)計(jì)。該類型優(yōu)點(diǎn)是電機(jī)可獨(dú)立于變速箱設(shè)計(jì)，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(zhǎng)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(jiǎn)單。比亞迪DM-I具體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如下圖所示。

　　長(zhǎng)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)有一擋增速齒輪。內(nèi)燃機(jī)直驅(qū)端有一組離合器K0。長(zhǎng)城檸檬系統(tǒng)具體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如下圖所示。

　　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(duì)較低時(shí)亦可以內(nèi)燃機(jī)直驅(qū)，實(shí)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(dòng)系統(tǒng)。

　　該類架構(gòu)的系統(tǒng)兩個(gè)電機(jī)可不集成在變速箱內(nèi)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更為簡(jiǎn)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(dòng)系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)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(gè)電機(jī)相連。

　　3.2 PS架構(gòu)

　　3.2.1 工作模式

　　功率分流架構(gòu)的混合動(dòng)力系統(tǒng)中，MG1為發(fā)電機(jī)，MG2為驅(qū)動(dòng)電機(jī)。當(dāng)車速較低或者車輛起步時(shí)，整車需求功率較少，純電驅(qū)動(dòng)車輛，MG2電機(jī)利用高壓電池電量直接驅(qū)動(dòng)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(dòng)力電池的功率不足以驅(qū)動(dòng)車輛，此時(shí)內(nèi)燃機(jī)啟動(dòng)，利用行星排實(shí)現(xiàn)功率分流。PS架構(gòu)通過(guò)合理分配內(nèi)燃機(jī)和電機(jī)的動(dòng)力輸出，實(shí)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。PS架構(gòu)具體示意圖如下圖所示。

該圖表示為功率分流模式

　　3.2.2 典型PS架構(gòu)

　　國(guó)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)示意如下圖所示。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(yáng)輪，電機(jī)MG2通過(guò)減速行星排與外齒圈相連。下圖表示為豐田第三代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(gè)離合器、雙電機(jī)和雙行星排集成化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)內(nèi)燃機(jī)高效的動(dòng)力輸出，這也增加了控制上的復(fù)雜度。下圖表示為通用第二代Voltec結(jié)構(gòu)示意圖。

　　4 、總結(jié)

　　(1)雙電機(jī)混動(dòng)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(zhǎng)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(dòng)變速箱具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，動(dòng)力性強(qiáng)，控制簡(jiǎn)單等優(yōu)勢(shì)，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(dòng)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(diǎn)。

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