平行轴混合动力变速器方案研究

高彬

(上海汽车变速器有限公司，上海 201807)

0 引言

能源安全与气候变化已成为国际社会关注的焦点，为实现交通领域的可持续健康发展，世界主要汽车生产国进一步加快推动节能与新能源汽车的发展，全球的节能与新能源汽车进入一个快速发展时期。

丰田自1997年10月推出量产普锐斯混合动力汽车以来，其混合动力系统(Toyota Hybrid System，THS)已推出第四代。本田也从开始的IMA、I-DCD、I-MMD混合动力系统到当前的e-HEV混合动力系统，仍在持续的更新迭代。在欧洲市场，丰田和雷克萨斯的混动车型已占其全部车型总销量的50%以上。截止到2020年4月，丰田全球销售混合动力汽车突破1 500万辆。根据乘联会统计数据，国内市场，2019年混合动力乘用车销售28.5万辆，同比增加33%。

中国制定的新能源汽车发展战略，重点仍在纯电动汽车和插电式混合动力汽车，2020年4月出台的新能源汽车推广应用财政补贴政策更是将新能源汽车的购车补贴延后至2022年。在根据式(1)核算企业平均燃料消耗量(CAFC)时，2025年及以前由电能消耗量折算的燃料消耗量按零计算，同时对纯电动乘用车、燃料电池乘用车以及满足GB/T 32694要求的可外接充电式混合动力乘用车，其生产或进口量Wi均乘以不同的倍数，2021—2025年的倍数分别为2.0、1.8、1.6、1.3、1.0[1]。

(1)

式中：CAFC为企业平均燃料消耗量，L/100 km；i为乘用车车型序号；FCi为第i个车型的燃料消耗量，L/100 km；Vi为第i个车型的年度生产或进口量；Wi为第i个车型对应的倍数。

中国的新能源汽车市场虽然起步较晚，但其发展速度及后续的巨大市场潜力是值得期待的。在当前汽车电池仍存在应用瓶颈的前提下，集传统燃油车及纯电动汽车优势的混合动力汽车会存在一个高速发展期。具有市场竞争力的一款混合动力变速器无疑会为整车企业在本轮市场变革中提供强有力的技术保障，甚至可能起到决定性作用。

1 市场已有典型混动变速器构型

国际市场已有的知名混合动力整车平台，采用双电机非插电混合动力系统的丰田普锐斯、本田雅阁，可外接充电的双电机混合动力系统通用沃兰达，及单电机混合动力系统大众途观。

国内市场已量产的优秀混合动力整车平台，采用单电机非插电混合动力系统的领克混动，可外接充电的双电机混合动力系统上汽荣威550，及单电机混合动力系统的比亚迪秦DM等。

1.1 丰田普锐斯混合动力系统

PRILS(普锐斯)是日本丰田汽车于1997年推出的世界上第一个大规模生产的混合动力车辆，并在2001年销往全世界40多个国家和地区，其最大的市场由日本和北美逐步扩展到欧洲和国内。

其混合动力变速器构型已更新到第3代，见图1，主体构型为采用单行星排，主要差异为混合动力变速器的内部动力传递方式：第1代变速器采用链条传动；第2代变速器将链条传动改为齿轮传动；第3代变速器将驱动电机的行星排减速改为常规啮合齿轮减速，并将驱动电机与发电机的同轴布置改为平行轴布置，缩短变速器轴向长度的同时减轻质量。

图1 丰田THS混合动力变速器

1.2 大众途观混合动力系统

大众途观的混合动力汽车基于P2构型开发，主要特点为基于传统湿式双离合变速器增加一个K0离合器和P2电机，并与原双离合器组成一个三离合器模块，集成于混合动力变速器内部(图2)，以缩短动力总成的轴向尺寸，并共用原发动机的所有6+R个挡位。

图2 大众途观DQ400e混合动力系统

1.3 领克混合动力系统

领克01混合动力变速器如图3所示。

图3 领克01混合动力变速器

领克01非插电混合动力系统同样基于传统双离合变速器进行开发，与大众DQ400e不同的是其电机放置于双离合变速器的上部，通过多级啮合的惰轮连接外输入轴的4/6挡主动齿，形成共用的3+R个电机挡位(图3)。

1.4 上汽荣威混合动力系统

2012年上汽推出荣威550插电混动版，其混合动力变速器的主要技术特点为采用同轴式双电机结构(图4)，发电机与发动机固连，并通过1个湿式离合器与输入轴连接，驱动电机通过另一个湿式离合器与输入轴连接，两者的扭矩在输入轴耦合后通过2个不同的挡位传递到差速器以驱动车辆。

图4 上汽荣威混合动力变速器

2 混合动力变速器的选型条件

综合当前已知的部分整车企业和零部件企业采用的混合动力构型，对其进行归纳对比，可以发现，国外厂商早期的混合动力方案多基于双电机的行星排构型，以及之后的双电机简单串并联构型，而国内的整车及零部件企业更青睐于基于已有的自动变速器(如AT或者DCT)，通过增加单电机达到混合动力化的目的。

混合动力变速器采用哪种基础构型更有优势，AMT、DCT、CVT还是AT，仍未有定论。而一款具有足够市场竞争力的混合动力变速器，需同时具备以下几个条件：

(1)具有成本优势。插电式混合动力系统的电池容量比较大，电池充放电能力更强，选用单电机的混合动力系统成本优势会更加明显。非插电式混合动力系统的电池容量较小，为了更好地解决整车在行驶过程中的电平衡问题，具备双电机的混合动力方案会是首选，整车起步和倒车则可以通过发动机串联驱动实现。同时多挡位DCT因为本体价位较高，以此为基础进行电机集成，不利于整个混合动力变速器的成本控制，需要慎重考虑。

(2)具有较高的传递效率。整车采用混合动力构型变速器的最初目的，即为降低整车油耗，也是混合动力变速器是否具有市场竞争力的关键技术指标。多挡位AT变速器因为具有多个离合器，拖曳扭矩偏大，进而降低了整个变速器的传递效率，所以不建议采用。

(3)无换挡缺陷。主流自动变速器的类型有DCT、AT、CVT、AMT，虽然AMT变速器具有成本优势，但因为其存在换挡动力中断，而不被广大消费者看好。因此在选用AMT变速器进行混合动力化的过程中，需要改善此缺陷。

(4)无功能缺陷。混合动力变速器相对于传统变速器，需要具备其所有的特定功能以满足整车需要。如：纯电驱动、纯发动机驱动、混合动力驱动、行驶中启动发动机、驻车充电、制动能量回收等。为考虑整车电量不足的特殊工况，单电机的插电式混合动力系统需要同时具备纯发动机倒车功能。

(5)外包络尺寸合适。在传统变速器的基础上增加电机模块后，会增大其外包络尺寸，特别是如果采用同轴式电机布置，增加的变速器轴向长度会直接体现在整车的左右纵梁空间不足，需要优化整车底盘结构。如果采用侧置式电机布置，也需要注意电机与整车真空助力泵或者冷却水箱之间的安全间隙等。

(6)优秀的整车动力性。因为电机的接入，使整车具备两种动力源，也就为提高整车动力性提供了可能。一个具备更优良的驾驶舒适性，输出动力更强劲的混合动力系统，可以作为整车的一大卖点，同时也能够更好地迎合消费升级需求。

综上所述，基于平行轴的AMT结构进行混合动力变速器的设计选型，更易找到合适的解决方案。

3 混合动力变速器的方案选择

3.1 插电式混合动力变速器的方案选择

基于AMT的插电式混动变速器构型需要具备以下约束条件：

(1)6个发动机挡位，或者5个发动机挡位。保留完整的传统发动机驱动挡位，以确保在整车馈电时，仍具备正常驾驶功能。

(2)2个纯电动挡位。为了更好地兼容整车纯电起步动力性及整车高速巡航时的电机转速，驱动电机至少需要具备2个纯电挡位。

(3)1个发动机倒挡。同样是在馈电时，确保整车仍具备正常驾驶功能。

(4)1个驻车充电挡。确保在整车馈电时，能够及时地利用发动机进行充电，以保证驾驶舒适性。

(5)4个同步器。尽可能沿用传统变速器的挡位控制机构。

(6)动力换挡。即发动机或电机挡位切换时，另一动力源仍能够持续输出，以确保轮端扭矩的平顺性，提高驾驶舒适性。

综上所述，存在10个挡位的控制需求，基于4个同步器至多控制8个挡位的条件，存在单个同步器控制多个挡位。动力换挡的需求，要求2个电机挡位分别覆盖发动机的低挡位和高挡位，发动机挡位与电机挡位间无干涉关系。

在方案布置过程中，将单输出轴构型和双输出轴构型分开讨论，可分别得到如图5所示的优化方案。

图5 优化方案

其中双输出轴方案的无动力中断挡位组合方式可由图6进行表述。分别有2家整车企业在混动变速器的开发过程中，采用相同的思路，得到类似设计方案[2]，如图7所示。

图6 混合动力变速器的挡位组合方式

图7 设计方案

3.2 非插电式混合动力变速器的方案选择

基于AMT的非插电式混动变速器构型需要具备以下约束条件：

(1)4个发动机挡位，或者3个发动机挡位。混合动力系统中具备双电机，整车采用串联起步和串联倒挡，只需保留原发动机的中高速驱动挡位即可。

(2)2个纯电动挡位。为了更好地兼容整车纯电起步动力性及整车高速巡航时的电机转速，驱动电机至少需要具备2个纯电挡位。

(3)3个同步器，或者2个同步器。采用尽可能少的同步器，以降低混合动力变速器的系统成本。

(4)动力换挡。即发动机或电机挡位切换时，另一动力源仍能够持续输出，以确保轮端扭矩的平顺性，提高驾驶舒适性。

综上所述，存在6个挡位的控制需求，至多3个同步器即可。动力换挡的需求，要求2个电机挡位分别覆盖发动机的低挡位和高挡位，发动机挡位与电机挡位间无干涉关系。在方案布置过程中，同时考虑发电机的整车驱动功能，以降低对驱动电机的功率及扭矩需求，从而降低系统成本。得到优化方案如图8所示，其无动力中断并联驱动的挡位组合方式可由图9进行表述，某整车企业的双电机混合动力变速器(见图10)也具有相同的设计思路。

图8 双电机优化方案

图9 双电机混合动力变速器的挡位组合方式

图10 双电机混动方案

通过图9可以发现，文中提到的双电机优化方案具备常规混合动力系统功能的同时，还具有如下特征：发动机与发电机共用4个驱动挡位，驱动电机具备2个驱动挡位，3个动力源可分别多挡位驱动整车，两两组合多挡位驱动整车，或者共同驱动整车，在节能的基础上通过不同的动力组合方式实现整车对不同驾驶工况扭矩的需求。

4 结束语

AMT本身具有结构简单、传递效率高、成本低、开发难度小等特点，驱动电机的加入能够很好地弥补其换挡过程动力中断的不足，因此基于AMT自动变速器进行的混合动力系统开发也将会被越来越多的整车企业所看重。相信在不久的将来，国内的整车企业会根据自身的技术优势，开发出适合自己的混合动力产品，满足国家节能减排目标的同时，迎合广大消费者的使用需求，产生一定的社会效益和经济效益。