國內(nèi)外混合動力技術(shù)盤點及深度解析

國內(nèi)外混合動力技術(shù)盤點及深度解析動力總成的電氣化產(chǎn)品表現(xiàn)：一方面是基于現(xiàn)有傳統(tǒng)發(fā)動機動力總成，把電動機安裝到動力傳輸線路的合適位置，構(gòu)成混合動力實現(xiàn)動力總成的總體效率提高以及排放的減少。這種混合動力從自動變速器角度稱之為附加式（Add-On）混合動力系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，適合小批量混合動力或者高端汽車。另外一方面，隨著混合動力及電動汽車的規(guī)模加大，開發(fā)全新的專用混合動力變速器（DHT-DedicatedHybridTransmission）以及純電驅(qū)動系統(tǒng)成為一個趨勢，這主要表現(xiàn)為兩個方向：電動機與自動變速器集成為一個統(tǒng)一功能系統(tǒng)，與發(fā)動機結(jié)合形成混合動力系統(tǒng)。在產(chǎn)量規(guī)模達到一定程度時，減少變速器擋數(shù)，在節(jié)油的同時，可以實現(xiàn)系統(tǒng)的成本及空間的優(yōu)化。（2）電動汽車的變速器，由于電動機的輸出特性，電動車驅(qū)動系統(tǒng)一般只要單級或者雙級變速即可，機械結(jié)構(gòu)大大簡化，但當(dāng)單機轉(zhuǎn)速很高時，NVH要做很好的優(yōu)化；另外要提高集成度，實現(xiàn)模塊化產(chǎn)品。本次針對專用混合動力變速器（DHT）做重點分析?；旌蟿恿ο到y(tǒng)綜述混合動力系統(tǒng)是指在傳統(tǒng)發(fā)動機動力總成中增加電力驅(qū)動的電動機作為補充。目前根據(jù)電動機的位置混合動力系統(tǒng)相應(yīng)分為P1、P2、P3、P4混合動力拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)（配置），圖1顯示了各種混合動力拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。其中如果發(fā)動機動力和電動機動力可以同時驅(qū)動車輪，也稱之為并聯(lián)混合動力系統(tǒng)；如果汽車只是由電動機驅(qū)動，發(fā)動機主要是給電池充電，則稱之為串聯(lián)混合動力系統(tǒng)；混合動力系統(tǒng)根據(jù)其電動機提供動力的特性以及電池獲得能量方式及大小還分為弱混合動力，強混合動力和插電混合動力。圖1各種混合動力拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)混合動力系統(tǒng)的電動機動力可以以不同形式參與到動力總成輸出之中，形成混合動力的各種新型動力組合及功能，一般稱為混合動力的運行模式或特性，如：啟停模式（Start/Stop）、啟?；心Ｊ剑╟ut-offcoasting/sailing），能量回收模式（recuperation），轉(zhuǎn)矩增強模式(助力)（boost），混合動力驅(qū)動模式（hybriddriving），純電驅(qū)動模式（electricdriving）等。圖2列舉了不同電氣化程度的混合動力總成可能的運行模式（特性）。圖2動力總成電氣化可能的運行模式（特性）混合動力系統(tǒng)可以通過以下措施改善傳統(tǒng)發(fā)動機汽車的油耗以及提高駕駛性能：（1）回收汽車制動的能量。（2）避免或者減少發(fā)動機工作在不利的運行模式，如怠速、交通燈停車、低速爬行等。（3）利用電動機調(diào)整發(fā)動機工作點。（4）電動機峰值功率的助力作用提高汽車加速性能。（5）改善自動變速器換擋性能。（6）擁堵時電驅(qū)動爬行。（7）短途純電驅(qū)動。鑒于開發(fā)全新的混合動力系統(tǒng)開發(fā)成本高昂，在混合動力市場有限的情況下，汽車廠以及變速器公司選擇在已有的自動變速器批量產(chǎn)品上做盡量少的改動，加入電動機實現(xiàn)附加式（Add-On）混合動力系統(tǒng)。目前比較多的是將電動機加裝在變速器輸入軸上，電動機與發(fā)動機之間加入一個切換離合器，實現(xiàn)并聯(lián)混合動力系統(tǒng)（P2）。圖3a顯示的是一款搭載在寶馬上的并聯(lián)混合動力系統(tǒng)。利用傳統(tǒng)采埃孚的8AT，用電動機替換液力變扭器，并加裝切換離合器，實現(xiàn)混合電力驅(qū)動。圖3b顯示的則是一款搭載在大眾汽車上的混合動力系統(tǒng)，在6檔DCT基礎(chǔ)上加裝電機和切換離合器。基于采埃孚8AT形成并聯(lián)混合動力系統(tǒng)（來源：BMW）基于大眾6DCT形成并聯(lián)混合動力系統(tǒng)(來源：Volkswagen)圖3現(xiàn)在國外主要汽車廠家基本上都開發(fā)了這種附加式的混合動力系統(tǒng)，盡管利用了現(xiàn)有的量產(chǎn)自動變速器作為基礎(chǔ)，但由于加了一整套電驅(qū)動系統(tǒng)，動力總成比較復(fù)雜且整車的價格還是提高很多，普及率還有限。專用混合動力變速器DHT1專用混合動力變速器定義和特點混合動力系統(tǒng)的市場繼續(xù)擴大，發(fā)展趨勢是純粹燃油發(fā)動機汽車將逐步全部混合動力化，目前開發(fā)新型專用混合動力變速器從性價比角度考慮就是一個好的途徑和時機，目前眾多主流汽車企業(yè)大力開發(fā)多種專用混合動力變速器也證明了這種趨勢。實際上豐田公司從1997年就開發(fā)了應(yīng)用在普銳斯(參數(shù)|圖片)汽車上的專用混合動力變速器，隨著混合動力的需求提高，普銳斯混合動力目前獲得很好的市場成功。專用混合動力變速器（DHT：DedicatedHybridTransmission）的定義是：通過集成一個或多個電動機到變速器中形成帶電動機的自動變速器系統(tǒng)，加上發(fā)動機輸入后即可實現(xiàn)混合動力驅(qū)動的功能。一般形成的混合動力系統(tǒng)為了實現(xiàn)全部功能不可缺少電動機，即去掉電動機后變速器本身將不能正常工作。與此形成對比的是在現(xiàn)有的自動變速器上附加電動機形成的附加式（Add-On）混合動力系統(tǒng)。關(guān)于專用混合動力變速器DHT，有以下幾點說明：一是專用混合動力變速器的擋位數(shù)和空間。傳統(tǒng)自動變速器為了獲得更好的油耗特性，必須充分利用發(fā)動機的最佳工作點，變速器擋位越多，發(fā)動機工作效率高的區(qū)域可以更多的利用；目前先進自動變速器已經(jīng)達到8擋到10擋，這使得自動變速器變得非常復(fù)雜，技術(shù)門檻高，開發(fā)費用高昂，并且只有達到一定的產(chǎn)量才有好的經(jīng)濟效益。在混合動力系統(tǒng)中由于電動機驅(qū)動可以幫助發(fā)動機工作在比較好的區(qū)域，導(dǎo)致混合動力系統(tǒng)的擋位數(shù)可以適當(dāng)減少，對整車的油耗影響很小。一般來說混合動力系統(tǒng)從節(jié)油方面講，變速器的擋位不需要超過6擋即可；如果配置針對專用混合動力變速器開發(fā)的發(fā)動機，則擋位數(shù)量可以進一步減少到3擋左右；在配備雙電動機系統(tǒng)中甚至沒有換擋單元，傳動比是在某一車速情況下通過轉(zhuǎn)矩平衡控制發(fā)動機和電動機的速度，實現(xiàn)所謂的電無級變速（eCVT）功能。專用混合動力變速器擋位數(shù)比附加式混合動力擋位數(shù)少，其結(jié)構(gòu)也就相對簡單，需要空間也比較少。圖4比較了一個傳統(tǒng)8速AT的空間和一個5速AT專用混合動力變速器所需空間?？臻g和質(zhì)量的優(yōu)勢也給專用混合動力變速器的應(yīng)用提供了好的前提。圖4傳統(tǒng)8AT和一個專用混合動力變速器所需空間的比較二是專用混合動力變速器的成本分析。由于開發(fā)一個新系統(tǒng)費用高昂，雖然專用混合動力變速器相對可以簡單，但是如果產(chǎn)量不能達到一定水平時，一次性投入的研發(fā)成本導(dǎo)致最終成本比利用現(xiàn)有的自動變速器實現(xiàn)附加式混合動力系統(tǒng)成本高。只有達到一定量產(chǎn)時，一次性開發(fā)費用分?jǐn)偟絾渭a(chǎn)品的比例就低，開發(fā)專用混合動力變速器才有經(jīng)濟性。圖5比較了傳統(tǒng)8速自動變速器8AT的成本與用于專用混合動力的5AT-DHT成本比較。以8AT年產(chǎn)20萬臺為100%基準(zhǔn)，只有當(dāng)5AT-DHT產(chǎn)量超過8.1萬臺時，其價格才能開始到達8AT大批量的成本的臨界點，也就是說，5AT-DHT混合動力變速器銷量超過8.1萬臺時，其額外的開發(fā)成本計入5AT-DHT后每臺成本時也開始低于8AT大批量的每臺成本，表明可以考慮重新開發(fā)5AT-DHT用于專用混合動力汽車。圖58AT和專用混合動力的5AT-DHT成本比較今后市場對混合動力需求提高，占有率達到一定的水平時，從成本角度就可以考慮開發(fā)專用混合動力變速器了。2目前一些專用混合動力變速器介紹專用混合動力變速器也可以在自動化手動變速器AMT、雙離合器變速器DCT、傳統(tǒng)自動變速器AT和無級變速器上集成單電動機構(gòu)成。下面介紹其中一些典型例子，目前這方面的DHT還沒有形成量產(chǎn)規(guī)模，主要大公司還在方案評估以產(chǎn)品開發(fā)階段，估計逐步會有多種型號產(chǎn)品進入市場。（1）豐田普銳斯專用混合動力變速器。最有名的專用混合動力變速器是豐田從1997年推出的普銳斯車上所用的混合動力系統(tǒng)THS（ToyotaHybridSystem），圖6是2009年推出的第三代THS系統(tǒng)。其中的PowerSplitDevice（PSD）為一個行星齒輪組，實現(xiàn)功率、轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的分配。根據(jù)駕駛工況的不同可以實現(xiàn)純電驅(qū)動和混合驅(qū)動等等模式。電動機純電行駛時，發(fā)動機通過電動機MG1給電池充電，實現(xiàn)串聯(lián)混合動力模式；發(fā)動機也可以與電動機MG2（或者MG1）同時驅(qū)動汽車，形成并聯(lián)混合動力驅(qū)動模式；所以普銳斯THS可以稱為串并聯(lián)混合動力系統(tǒng)或者功率分流混合動力（PowerSplitHybrid）。由于行星齒輪副的雙速度控制特點，不同于一般行星齒輪副鎖止某個零件（靜止或固定速度）獲得特定傳動比，普銳斯混合動力當(dāng)然可以不鎖止零件，而是通過電動機或發(fā)動機控制其轉(zhuǎn)矩比例，從而無級調(diào)節(jié)傳動比，所以也通常被稱為eCVT（電動無級變速器）。圖62009年推出的第三代THS系統(tǒng)可以看出，THS的變速器機構(gòu)相當(dāng)簡單，但是通過與電動機的集成形成很好的混合動力系統(tǒng)，NEDC工況下油耗可以降到百公里3.4L以下；雖然其控制系統(tǒng)比較復(fù)雜，但隨著電子控制系統(tǒng)的發(fā)展，整車可以在保證油耗性下也能實現(xiàn)很好的駕駛性能。隨著排放要求的高要求，混合動力也越來越普及。圖7顯示了豐田混合動力的銷售情況，可以看到，每年銷售已經(jīng)超過百萬輛的規(guī)模。圖7豐田混合動力的銷售情況基于豐田普THS雙電動機專用混合動力變速器為基礎(chǔ)，通過一些變化豐田也為高端品牌Lexus配置了的混合動力系統(tǒng)，圖8顯示通過增加一套行星齒輪副構(gòu)成凌志汽車的混合動力總成，可以采用功率更大的驅(qū)動電動機等，行星齒輪副可以更有效的分配轉(zhuǎn)矩到車輪上。圖8豐田THS專用混合動力變速器（DHT）隨著各國對環(huán)境保護及能源利用的重視，很多國家已經(jīng)開始表達意向甚至給出時間表禁止純?nèi)加推嚨匿N售；電動汽車由于電池的瓶頸，普及和盈利還需要很大突破，混合動力系統(tǒng)會在未來的汽車銷售中占據(jù)很大的比例，混合動力技術(shù)必將會得到極大的發(fā)展。結(jié)合專用混合動力變速器的上述特點和豐田普銳斯成功先例，很多公司也開始開發(fā)自己的專用混合動力變速器。（2）本田iMMD智能多模式混合動力系統(tǒng)。圖9顯示了其構(gòu)成形式和工作模式：本田iMMD（IntelligentMulti-ModeDrive）的變速器部分也非常簡單，只是通過幾副減速齒輪和一個鎖止離合器實現(xiàn)電動機驅(qū)動和發(fā)動機的動力輸出控制，如純電驅(qū)動、混合動力、發(fā)動機驅(qū)動、駐車充電。圖9本田iMMD智能多模式混合動力系統(tǒng)構(gòu)成和工作模式（3）大眾TwinDrive。大眾正在開發(fā)的專用混合動力變速器TwinDrive采用與本田iMMD近似的結(jié)構(gòu)。其結(jié)構(gòu)和工作模式如圖10所示。圖10大眾TwinDrive結(jié)構(gòu)和工作模式（4）上汽榮威電驅(qū)動變速器EDU。雙電動機結(jié)構(gòu)的專用混合動力變速器（DHT）國內(nèi)代表產(chǎn)品是上汽搭載在插電強混的量產(chǎn)車型榮威e550和e950之上的電驅(qū)變速器EDU（ElectricDriveUnit），如圖11所示，上汽電驅(qū)動變速器NEDC綜合能耗據(jù)資料可以達到百公里1.7L，純電行駛60km。圖11上汽電驅(qū)動變速器原理和實物圖（5）上汽精進電動公司的雙電動機EDU。上海精進電動公司提出其DHT方案，利用雙電動機實現(xiàn)串并聯(lián)混合驅(qū)動，如圖12所示。圖12精進公司DHT方案除上面介紹的雙電動機結(jié)構(gòu)的專用混合動力變速器（DHT）之外，采用雙電動機DHT的產(chǎn)品還有通用Voltec，愛信2-MotorHybrid，吉凱恩（GKN）的MultimodeeTransmission等。配雙電動機的專用混合動力變速器的特點是機械結(jié)構(gòu)相對簡單，一般不需要換擋單元，要求發(fā)動機在特點的工作區(qū)高效工作。（6）大陸公司成本優(yōu)化DHT。大陸公司做了一個簡單專用混合動力變速器的結(jié)構(gòu)、功能和成本分析，給定發(fā)動機和電動機不同的擋位數(shù)，對比功能和成本，選出大陸公司的優(yōu)先方案。圖13是相應(yīng)的結(jié)構(gòu)，前面數(shù)字表示發(fā)動機（ICE）和電動機（ED）的擋位數(shù)，電動機數(shù)字0表示電動機與汽車驅(qū)動軸以一個傳動比固定相連，1表示電動機有一個傳動比，但可以掛空擋。圖13大陸公司DHT幾種結(jié)構(gòu)分析（來源CTI2017Conti）大陸最后選出自己的優(yōu)化方案是發(fā)動機4擋，電動機固定擋（4(ICE)+0(ED)），另外要配置一個高壓的啟動發(fā)電動機（HV-SG）。（7）AVL公司八模式混合動力系統(tǒng)8mode-DHT。另外一個單電動機專用混合動力變速器比較有代表性的是AVL的第二代DHT，即FutureHybrid8-Mode未來八模式混合動力系統(tǒng)。圖14顯示其原理結(jié)構(gòu)特點。AVL的八模式混合動力DHT基于傳統(tǒng)自動變速器AT集成電動機而成，它采用了：兩個離合器和兩個制動器、一個Ravigneaux（拉威挪式）行星齒輪結(jié)構(gòu)。圖14AVL的八模式混合動力DHT（來源：AVL）其可以有八種運行模式（見附表和圖15），即5擋混合電力驅(qū)動模式，兩擋純電驅(qū)動模式，以及eCVT（電動無級傳動）模式，駐車充電模式?；旌蟿恿σ约凹冸婒?qū)動模式可以很好的利用發(fā)動機和電動機的動力源，根據(jù)不同的汽車工況優(yōu)化其工作點，實現(xiàn)油耗和駕駛性能的改善。eCVT模式可以利用發(fā)動機和電動機轉(zhuǎn)矩控制提高汽車起步（launch）和爬行（creep）性能。駐車充電可以很好的利用發(fā)動機在駐車時給電池充電，為汽車行駛時混合動力功能的利用和優(yōu)化提供條件。AVL的八種模式模式C1C2B1B2ICE比例EM比例混合1擋GearICE/EM××8.80412.005混合2擋GearICE/EM××6.11812.005混合3擋GearICE/EM××3.9205.346混合4擋GearICE/EM××3.0252.632混合5擋GearICE/EM××0.00012.000電動1擋GearEM×0.0002.632電動2擋GearEM×eCVTE-CVT×nICE/nEM駐車充電備用充電×0.733圖15AVL的八模式混合動力DHT的運行模式及牽引力工作區(qū)（來源：AVL）（8）諾日產(chǎn)EOLABZE-Hybrid。為實現(xiàn)百公里2L油耗目標(biāo)，雷諾日產(chǎn)在2014巴黎汽車展上展示了在Eolab汽車項目上最新開發(fā)的專用混合動力變速器DHT項目即ZE-Hybrid動力總成項目，在保證油耗目標(biāo)的前提下，還要求有好的駕駛性能和低的成本。ZE-Hybrid在第一代EOLAB1是基于自動化手動變速器AMT集成電動機構(gòu)成，有3個擋位，同步器靠電動實現(xiàn)，原理結(jié)構(gòu)和驅(qū)動模式如圖16所示，可以實現(xiàn)純電、混合以及純發(fā)動機驅(qū)動，同時也可以駐車充電。雷諾在第二代EOLAB2汽車上也開始研發(fā)基于AMT的雙電動機DHT（見圖17）。圖16雷諾EOLAB1混合動力原理結(jié)構(gòu)和驅(qū)動模式（來源：雷諾N.Fremauetc.）