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作者：王坤城丨比亞迪汽車工業(yè)有限公司 混合動力發(fā)展至今已經(jīng)達到了一定的深度并呈現(xiàn)不同的技術(shù)路線，混合動力的核心——混動變速器的技術(shù)狀態(tài)，決定汽車的油耗、經(jīng)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(gòu)進行對比分析。  混動專用變速器（DHT）是針對混合動力而專門開發(fā)的變速器，是專門針對發(fā)動機和電機的功率和扭矩特性而重新系統(tǒng)地開發(fā)的新型結(jié)構(gòu)的混動變速器，特別適用于混合動力車輛。目前，此類產(chǎn)品也已大規(guī)模投放市場，例如日本的“THS”“i-MMD”、美國的“VoltecGen2”、中國的“EDU”“CHS”“F3DM”等?；诩夹g(shù)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）。 ▲豐田THS動力分配機構(gòu) ▲本田 i-MMD ▲VoltecGen2 ▲EDU系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 ▲CHS混合動力系統(tǒng) ▲比亞迪F3DM混動  功率分流混動專用變速器，采用行星齒輪機構(gòu)耦合發(fā)動機和電機動力進行無級調(diào)節(jié)，通過電機對發(fā)動機的運行范圍進行調(diào)節(jié)和優(yōu)化，減少瞬態(tài)工況，使其總是運行在高效區(qū)，從而降低排放和油耗。PS-DHT 主要由行星齒輪耦合機構(gòu)、發(fā)電機、驅(qū)動電機、減速齒輪機構(gòu)等組成。圖1示出某典型PS-DHT的結(jié)構(gòu)原理圖[2]。 圖1 某PS-DHT 混動變速器結(jié)構(gòu)原理圖 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(fā)動機和電機動力，通過發(fā)電機、驅(qū)動電機和發(fā)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(qū)分，從而確保發(fā)動機處于高效區(qū)，減少瞬態(tài)工況，進而降低排放和油耗。PS-DHT 主要由離合器、發(fā)電機、驅(qū)動電機、減速齒輪機構(gòu)等組成，圖2 示出某典型MMT-DHT的結(jié)構(gòu)原理圖[3]。
圖2 某MMT-DHT 混動變速器結(jié)構(gòu)原理圖
通過圖1與圖2的比較得出：1）外部發(fā)動機動力輸入PS-DHT 之后，經(jīng)行星齒輪機構(gòu)到齒圈輸出，再經(jīng)中間齒輪到主減差速器輸出，外部發(fā)動機動力與輪端機械連接，發(fā)動機動力連接到行星齒輪機構(gòu)的行星架，發(fā)電機動力連接到行星齒輪機構(gòu)的太陽輪，行星齒輪機構(gòu)耦合發(fā)動機與發(fā)電機的動力，發(fā)電機對發(fā)動機的工作范圍進行調(diào)節(jié)；2） 外部發(fā)動機動力輸入MMT-DHT 之后，經(jīng)過離合器再經(jīng)過中間齒輪到主減差速器后輸出，外部發(fā)動機動力不直接進行機械連接，發(fā)動機動力直接連接到離合器主動端及發(fā)電機，發(fā)電機與發(fā)動機通過增速齒輪固定連接，發(fā)電機對發(fā)動機的工作進行調(diào)節(jié)。  對搭載MMT-DHT 變速器的車輛進行WLTC 工況測試，主要的驅(qū)動模式有純電模式、串聯(lián)（增程）模式及發(fā)動機直驅(qū)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(qū)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(lián)模式 MMT-DHT 設(shè)計為中低速電驅(qū)驅(qū)動/中高速巡航發(fā)動機驅(qū)動，中低速工況時發(fā)動機速比無法直接驅(qū)動而必須采用串聯(lián)驅(qū)動，此時的效率計算，如式（1）所示。
式中：Te——發(fā)動機扭矩，N·m； ne——發(fā)動機轉(zhuǎn)速，r/min； ηg1——發(fā)動機到發(fā)電機的齒輪傳遞效率； ηGM——發(fā)電機及電機電控效率； ηTM——驅(qū)動電機及電機電控效率； ηg2——驅(qū)動電機一級減速效率； ηg3——驅(qū)動電機二級減速效率； ηDI——差速器效率； ηMMT——MMT 系統(tǒng)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(fā)電機及電控平均效率為90%，驅(qū)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(fā)動機動力經(jīng)行星齒輪機構(gòu)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(fā)電進入驅(qū)動電機或者低壓附件設(shè)備，效率計算，如式（2）和式（3）所示。
式中：α——齒圈齒數(shù)與太陽輪齒數(shù)比； nr——齒圈轉(zhuǎn)速，r/min； ηPG——行星機構(gòu)傳遞效率； ηg4——齒圈到中間齒輪的傳遞效率； nGM——發(fā)電機轉(zhuǎn)速，r/min； ηPS——PS 系統(tǒng)總效率。 文章設(shè)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(lián)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(fā)動機直驅(qū)模式 搭載MMT-DHT 變速器的車輛在發(fā)動機直驅(qū)模式下由發(fā)動機直接驅(qū)動，此時的效率計算，如式（4）所示。
式中：Wc——離合器及液壓系統(tǒng)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(yōu)于MMT-DHT，特別是在中低車速工況。 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(huán)總里程為23.27 km，持續(xù)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(qū)間。各速度區(qū)間的持續(xù)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(huán)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(fā)動機轉(zhuǎn)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(jù)圖4 統(tǒng)計得到各模式工作時間占比，如表1所示。 表1 汽車各驅(qū)動模式工作時間占比表
綜合整個WLTC 工況來看，串聯(lián)模式較發(fā)動機直驅(qū)模式的時間占比多了13.77%，串聯(lián)模式在所有的發(fā)動機參與的工況中時間占比達到65.42%。結(jié)合2.2 節(jié)提到的在中低速（串聯(lián)）模式下，MMT-DHT的效率遠低于PS-DHT；而直驅(qū)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(shù)，其它參數(shù)不變。通過MATLAB與GT-POWER 聯(lián)合仿真，WLTC 工況下的電平衡油耗仿真結(jié)果，如表2所示。 表2 汽車WLTC 臺架電平衡油耗測試結(jié)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(yōu)于搭載MMT-DHT的車輛油耗；對WLTC工況而言，PS-DHT也要優(yōu)于MMT-DHT。 對于PS-DHT，由于發(fā)電機主要是調(diào)節(jié)發(fā)動機動力而不是全部吸收發(fā)動機功率，故發(fā)電機功率扭矩可以設(shè)計得比較小。PS-DHT 在低車速急加速的驅(qū)動過程中，發(fā)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(qū)動電機的扭矩設(shè)計。 對于MMT-DHT，由于在離合器斷開時，發(fā)電機必須吸收發(fā)動機的全部功率，故發(fā)電機功率扭矩需要設(shè)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(qū)動電機扭矩，N·m； ig2——驅(qū)動電機一級減速比； ig3——主減速比； TMMT——MMT 系統(tǒng)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(tǒng)輪端扭矩，N·m。 基于上述模型，設(shè)置兩者驅(qū)動電機參數(shù)一致，經(jīng)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。 綜上，PS-DHT 所用發(fā)電機和驅(qū)動電機的扭矩較MMT-DHT 所用發(fā)電機和驅(qū)動電機的扭矩要小很多，因而PS-DHT 所用發(fā)電機和驅(qū)動電機的成本較MMT-DHT 要低很多；PS-DHT 所用發(fā)電機和驅(qū)動電機的功率較MMT-DHT 所用發(fā)電機和驅(qū)動電機的功率要小很多，因而PS-DHT 所用發(fā)電機和驅(qū)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。 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(jīng)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(yōu)于MMT-DHT。但從其結(jié)構(gòu)本身的特點來看，PS 結(jié)構(gòu)更適用于小型汽車，而MMT的覆蓋范圍更大，它可以適應(yīng)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(fā)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(gòu)，中大型車采用MMT 架構(gòu)，或許是未來的發(fā)展趨勢。 ----------------------------------------------------------------- |
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