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(yè)有限公司產(chǎn)品規(guī)劃及汽車新技術(shù)研究院）

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，能源問題逐漸成為一個戰(zhàn)略問題，石油等能源供應(yīng)緊張已成為制約我國經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展的一個重要因素[1]?；趦?nèi)燃機(jī)自身的特性，進(jìn)一步降低內(nèi)燃機(jī)油耗的困難越來越大，所以近年來各國汽車企業(yè)紛紛開始布局混合動力汽車?；旌蟿恿ζ囻詈习l(fā)動機(jī)和電動機(jī)的動力，使其既可以保持發(fā)動機(jī)驅(qū)動汽車的特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)，又可以通過電機(jī)驅(qū)動來實(shí)現(xiàn)燃油經(jīng)濟(jì)性和降低排放，其被業(yè)界以及政策制定部門視為中短期內(nèi)解決節(jié)能減排問題的最佳選擇?；旌蟿恿Πl(fā)展至今已經(jīng)達(dá)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(jì)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(jìn)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(fā)的變速器，是專門針對發(fā)動機(jī)和電機(jī)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。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)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(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）。

1.1 PS-DHT

功率分流混動專用變速器，采用行星齒輪機(jī)構(gòu)耦合發(fā)動機(jī)和電機(jī)動力進(jìn)行無級調(diào)節(jié)，通過電機(jī)對發(fā)動機(jī)的運(yùn)行范圍進(jìn)行調(diào)節(jié)和優(yōu)化，減少瞬態(tài)工況，使其總是運(yùn)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(jī)構(gòu)、發(fā)電機(jī)、驅(qū)動電機(jī)、減速齒輪機(jī)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

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(fā)動機(jī)和電機(jī)動力，通過發(fā)電機(jī)、驅(qū)動電機(jī)和發(fā)動機(jī)及離合器的綜合運(yùn)用，將車輛運(yùn)行模式作具有顯著特征的區(qū)分，從而確保發(fā)動機(jī)處于高效區(qū)，減少瞬態(tài)工況，進(jìn)而降低排放和油耗。PS-DHT 主要由離合器、發(fā)電機(jī)、驅(qū)動電機(jī)、減速齒輪機(jī)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

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(fā)動機(jī)動力輸入PS-DHT 之后，經(jīng)行星齒輪機(jī)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(jī)動力與輪端機(jī)械連接，發(fā)動機(jī)動力連接到行星齒輪機(jī)構(gòu)的行星架，發(fā)電機(jī)動力連接到行星齒輪機(jī)構(gòu)的太陽輪，行星齒輪機(jī)構(gòu)耦合發(fā)動機(jī)與發(fā)電機(jī)的動力，發(fā)電機(jī)對發(fā)動機(jī)的工作范圍進(jìn)行調(diào)節(jié)；2） 外部發(fā)動機(jī)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(jī)動力不直接進(jìn)行機(jī)械連接，發(fā)動機(jī)動力直接連接到離合器主動端及發(fā)電機(jī)，發(fā)電機(jī)與發(fā)動機(jī)通過增速齒輪固定連接，發(fā)電機(jī)對發(fā)動機(jī)的工作進(jìn)行調(diào)節(jié)。

2.2 效率對比分析

對搭載MMT-DHT 變速器的車輛進(jìn)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(jī)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(jī)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(jì)為中低速電驅(qū)驅(qū)動/中高速巡航發(fā)動機(jī)驅(qū)動，中低速工況時發(fā)動機(jī)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(jì)算，如式（1）所示。

式中：Te——發(fā)動機(jī)扭矩，N·m；

ne——發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速，r/min；

ηg1——發(fā)動機(jī)到發(fā)電機(jī)的齒輪傳遞效率；

ηGM——發(fā)電機(jī)及電機(jī)電控效率；

ηTM——驅(qū)動電機(jī)及電機(jī)電控效率；

ηg2——驅(qū)動電機(jī)一級減速效率；

ηg3——驅(qū)動電機(jī)二級減速效率；

ηDI——差速器效率；

ηMMT——MMT 系統(tǒng)總效率。

文獻(xiàn)[4]的研究和試驗(yàn)中，斜齒輪傳遞效率為98.5%，實(shí)際測試的發(fā)電機(jī)及電控平均效率為90%，驅(qū)動電機(jī)及電控平均效率為90%；文獻(xiàn)[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(jī)動力經(jīng)行星齒輪機(jī)構(gòu)耦合之后，一部分通過齒圈進(jìn)入輪端，另一部分通過太陽輪發(fā)電進(jìn)入驅(qū)動電機(jī)或者低壓附件設(shè)備，效率計(jì)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(jī)構(gòu)傳遞效率；

ηg4——齒圈到中間齒輪的傳遞效率；

nGM——發(fā)電機(jī)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P(yáng)S-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(jī)直驅(qū)模式

搭載MMT-DHT 變速器的車輛在發(fā)動機(jī)直驅(qū)模式下由發(fā)動機(jī)直接驅(qū)動，此時的效率計(jì)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。

2.3 能耗臺架對比分析

對搭載MMT-DHT 和PS-DHT的車輛進(jìn)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(dá)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(jìn)行WLTC 工況臺架測試，發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速、車速等運(yùn)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(jì)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(jī)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(jī)參與的工況中時間占比達(dá)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(yuǎn)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(jì)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(jì)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(yuǎn)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。

2.4 動力性分析

對于PS-DHT，由于發(fā)電機(jī)主要是調(diào)節(jié)發(fā)動機(jī)動力而不是全部吸收發(fā)動機(jī)功率，故發(fā)電機(jī)功率扭矩可以設(shè)計(jì)得比較小。PS-DHT 在低車速急加速的驅(qū)動過程中，發(fā)動機(jī)可以通過機(jī)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(jī)的扭矩設(shè)計(jì)。

對于MMT-DHT，由于在離合器斷開時，發(fā)電機(jī)必須吸收發(fā)動機(jī)的全部功率，故發(fā)電機(jī)功率扭矩需要設(shè)計(jì)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(jì)算，如式（5）所示。

式中：TTM——驅(qū)動電機(jī)扭矩，N·m；

ig2——驅(qū)動電機(jī)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(jì)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(jī)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。

2.5 成本對比分析

綜上，PS-DHT 所用發(fā)電機(jī)和驅(qū)動電機(jī)的扭矩較MMT-DHT 所用發(fā)電機(jī)和驅(qū)動電機(jī)的扭矩要小很多，因而PS-DHT 所用發(fā)電機(jī)和驅(qū)動電機(jī)的成本較MMT-DHT 要低很多；PS-DHT 所用發(fā)電機(jī)和驅(qū)動電機(jī)的功率較MMT-DHT 所用發(fā)電機(jī)和驅(qū)動電機(jī)的功率要小很多，因而PS-DHT 所用發(fā)電機(jī)和驅(qū)動電機(jī)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(dāng)，而電機(jī)和電控的成本差別較大，PS-DHT 相較于MMT-DHT 成本更低。

3 結(jié)論

文章通過計(jì)算以及仿真手段，對PS-DHT 和MMT-DHT 從動力性、燃油經(jīng)濟(jì)性以及成本等方面進(jìn)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(diǎn)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(jī)，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(jī)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。