混合动力|混合动力变速器方案选型研究 |电池|发动机|

来源 | 电动新视界
近些年，由于全球变暖和能源消耗问题，燃油经济性法规变得更为严格。电动动力装置可有效改善燃油经济性，以此为基础开发了几种混合动力装置。然而，仅有少量的小型车辆采用了如强混合系统的电动动力装置。原因是燃油经济性的提高相对于成本增加十分有限，而且还需额外增加的电动装置的安装空间。
混合系统选择
电气化程度和功能电动力装置通常基于电气化程度和功能进行分类（图１）。考虑到未来严格的燃油经济性法规，本文侧重研究强混合动力。为选择系统类型／结构，能量效率综合了发动机效率和变速器效率，并作为改善燃油经济性的１种方法。为提高发动机效率，使发动机集中运行在高效区域（优化运行工况点）。

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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。

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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。分页标题
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。
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。如下图所示。

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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。

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