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混動構(gòu)型概念及混動專用變速箱

2019-04-26 18:29:02·  來源：驅(qū)動視界  
　
新能源汽車技術(shù)近年來發(fā)展迅速，技術(shù)路線也是百花齊放。但是鑒于各種技術(shù)路線的各自優(yōu)劣與技術(shù)瓶頸的制約以及基礎(chǔ)設(shè)施、制造成本等因素的影響。也使得內(nèi)燃機憑借
新能源汽車技術(shù)近年來發(fā)展迅速，技術(shù)路線也是百花齊放。但是鑒于各種技術(shù)路線的各自優(yōu)劣與技術(shù)瓶頸的制約以及基礎(chǔ)設(shè)施、制造成本等因素的影響。也使得內(nèi)燃機憑借其自身的優(yōu)勢在汽車上的應(yīng)用較長時間內(nèi)不會消失。
 
但是由于其在能耗、排放等方面無法維持在理想的水平上，使得單存依靠內(nèi)燃機動力的傳統(tǒng)汽車將會徹底消亡。
 
1、概述
 
混動汽車，顧名思義就是不以單一能源類型作為動力的汽車。確切的說，混合動力汽車是具有至少兩個不同的能量轉(zhuǎn)換器（例如電機和汽油機）和兩個不同的能量儲存系統(tǒng)（例如鋰電池組和油箱）的汽車。
 
混合動力汽車的燃油經(jīng)濟性能高，而且行駛性能優(yōu)越，混合動力汽車的發(fā)動機要使用燃油，而且在起步、加速時，由于有電動馬達的輔助，所以可以降低油耗，簡單地說，就是與同樣大小的汽車相比，燃油費用更低。
世界上第一輛混動汽車是1900年由保時捷公司的創(chuàng)始人斐迪南?保時捷發(fā)明的，是一輛由汽油發(fā)動機和兩個輪轂電機共同驅(qū)動的所謂的混動汽車。
混動汽車按照混合程度可以分為：
  • 弱混合動力
  • 輕度混合動力（輕混）
  • 強混合動力
  • 插電式混動
下表是不同程度的混動汽車的功能。
中國汽車界和科技界曾對電動車的開發(fā)情有獨鐘，主要出于如下考慮：傳統(tǒng)汽車中國比發(fā)達國家晚了幾十年；而電動車全世界還沒有大突破，我們現(xiàn)在開始研究，與發(fā)達國家站在同一起跑線上，完全可能后來者居上。
但是這種“抄近道兒”的傻聰明是否會隨著美國日本汽車業(yè)宣布放棄電動車的研發(fā)而走進死胡同，也未可知。
混合動力技術(shù)很好地將內(nèi)燃機與電機的各自優(yōu)勢進行融合，即有效地改善了傳統(tǒng)燃油車的能耗與尾氣排放，同時又解決當(dāng)前純電動汽車的續(xù)航里程、充電時間、電池壽命等問題?；旌蟿恿ζ噷㈤L期成為市場主流，混合動力化是傳統(tǒng)車目前發(fā)展的最優(yōu)選擇。
 
2、混動構(gòu)型的分類
 
2.1弱混
 
弱混汽車依然是以12V的電源電壓來來驅(qū)動6千瓦功率的電機，并不能實現(xiàn)純電駕駛，其電動機提供的電壓主要用于啟動發(fā)動機。
弱混汽車可以通過額外的電機來進行動能回收。弱混雖然在降低油耗和改善排放能力方面有限，但是其對傳統(tǒng)內(nèi)燃機汽車的改造成本最低。
弱混常用BSG皮帶傳送啟動/發(fā)電技術(shù)，例如奇瑞A5的BSG款（電機10KW），通常節(jié)油10%以下，電機不直接參與驅(qū)動，主要用于啟動和回收制動能量。
弱混汽車可以節(jié)約大約3% - 6%的燃油，其作為改造成本最低的混動汽車，被廣大汽車廠商廣泛應(yīng)用，也成為很多汽車公司宣傳的噱頭，比如國內(nèi)剛剛上市的2019款奧迪A6,就是全系至少配備12V弱混系統(tǒng)的汽車。
 
2.2、輕（中）混
 
當(dāng)電動機在42至144V電源電壓下提供的功率在6 - 20千瓦之間時，就可以稱為輕混汽車。
 
區(qū)別于微混汽車，輕混汽車除了自動啟停和動能回收外，電機還可以在汽車啟動和加速期間輔助內(nèi)燃機，并且可以為汽車的其他用電設(shè)備供電，比如空調(diào)。然而由于受限于電機的功率，輕混汽車還是不能實現(xiàn)純電駕駛。
中混常用ISG內(nèi)置安裝曲軸啟動/發(fā)電技術(shù)，例如別克君越EcoHybrid（電機15KW），通常節(jié)油20%左右。
 
輕混汽車可以實現(xiàn)10%-20%的燃油經(jīng)濟性，正是由于他較高的燃油經(jīng)濟性以及不算高的改造成本，現(xiàn)在越來越受到各大汽車廠商的青睞，比如目前很火的48V輕混和即將在美國推出的90V輕混。
 
2.3、強混和插混
 
當(dāng)混動汽車的電機的功率達到40千瓦以上并且電源電壓在250V時，就要被稱為強混了。強混合動力代表產(chǎn)品為TOYOTA PRIUS（電機50KW），可節(jié)油40%。
 
插電混合動力，將提供更好的節(jié)油比例，但將消耗一定的電能，例如大眾高爾夫TwinDrive（電機130KW）的測試數(shù)據(jù)，每百公里8度電和2.5的油耗。
強混汽車的電機不僅可以保證并且配合內(nèi)燃機的扭矩輸出，還可以實現(xiàn)純電駕駛。而插電式混合又在強混的基礎(chǔ)上實現(xiàn)了從電網(wǎng)來給汽車的電池充電。其燃油經(jīng)濟性可以高達30%-40%。
 
2.4小結(jié)
以上幾種形式的混合動力，強混合動力可以說是真正意義的創(chuàng)新，它結(jié)合了發(fā)動機和電動機，既發(fā)揮了汽油發(fā)動機在高速行駛下提供動力和從根本上優(yōu)化燃油提供的能量這兩大優(yōu)勢，也發(fā)揮了電動機在低速狀態(tài)下輸出強勁扭矩、降低燃油消耗、凈化排放、靜音以及將原先都被轉(zhuǎn)化成熱能而浪費掉的剎車能量加以回收，循環(huán)利用等優(yōu)勢。
 
3、新能源汽車驅(qū)動電機
從行業(yè)配套來看，新能源乘用車主要使用的是交流感應(yīng)電機和永磁同步電機。其中，永磁同步電機使用較多，因其轉(zhuǎn)速區(qū)間和效率都相對較高，但是需要使用昂貴的系統(tǒng)永磁材料釹鐵硼；部分歐美車系采用交流感應(yīng)電機，主要因為稀土資源匱乏，同時出于降低電機成本考慮，其劣勢主要是轉(zhuǎn)速區(qū)間小，效率低，需要性能更高的調(diào)速器以匹配性能。
▲ 國內(nèi)外驅(qū)動電機企業(yè)的永磁同步電機參數(shù)比較
根據(jù)混動等級的不同，所需電機的功能也就不同，因此混動汽車的電機又可以分為：
  • 變速箱一體化電機（GEM: Gearbox integrated E-machine）
  • 牽引電機（TEM: Traction E-machine）
變速箱一體化電機（GEM）可以支持內(nèi)燃機，主要作為混動汽車低速行駛時的主驅(qū)動器；而牽引電機（TEM）則可以獨自提供完整的驅(qū)動性能。
變速箱一體化電機普遍存在于沒有純電行駛的混動汽車中，用于支持內(nèi)燃機，或者存在于有純電行駛功能但是只能支持低速和低續(xù)航里程的混動汽車。換句話說，這種電機提供的扭矩比較小，不足以獨自支持整個純電行駛所需的扭矩。
這種電機通常通過一種特殊的離合器或者直接與內(nèi)燃機連接（通常是輕混汽車），或者通過一個可以分配功率的變速箱與內(nèi)燃機連接（通常是強混汽車）。
這種電機的扭矩特性必須滿足內(nèi)燃機的要求，換句話說，他必須在7000轉(zhuǎn)以內(nèi)可以持續(xù)穩(wěn)定的進行扭矩輸出。
相反的，牽引電機就像他的名字一樣，主要設(shè)計用于在內(nèi)燃機沒有啟動的情況下獨立提供扭矩或牽引力。他主要用于強混，插電式混合，或者純電汽車。
就像傳統(tǒng)的永磁同步電機一樣，牽引電機的輸出扭矩在一定范圍內(nèi)是恒定的，但是當(dāng)汽車的速度或者說電機的轉(zhuǎn)速超過一定的范圍，這時由于電機的弱磁作用，電機輸出的扭矩會以1/n的速度降低。
 
因為牽引電機可以獨自驅(qū)動汽車行駛，所以牽引電機的功率要顯著高于GEM，通常在50-150 kW之間。
 
4、新能源汽車電控
 
新能源汽車作為傳統(tǒng)燃油汽車的替代品，其主要電氣系統(tǒng)即為在傳統(tǒng)汽車“三小電”(空調(diào)、轉(zhuǎn)向、制動)基礎(chǔ)上延伸產(chǎn)生的電動動力總成系統(tǒng)“三大電”——電池、電機、電控。
 
其中，電機、電控系統(tǒng)作為傳統(tǒng)發(fā)動機(變速箱)功能的替代，其性能直接決定了電動汽車的爬坡、加速、最高速度等主要性能指標。
同時，新能源汽車電機、電控系統(tǒng)面臨的工況相對復(fù)雜：需要能夠頻繁起停、加減速，低速/爬坡時要求高轉(zhuǎn)矩，高速行駛時要求低轉(zhuǎn)矩，具有大變速范圍；混合動力車還需要處理電機啟動、電機發(fā)電、制動能量回饋等特殊功能。
電機電控系統(tǒng)作為新能源汽車產(chǎn)業(yè)鏈的重要一環(huán)，其技術(shù)、制造水平直接影響整車的性能和成本。
 
目前，國內(nèi)在電機、電控領(lǐng)域的自主化程度仍遠落后于電池，部分電機電控核心組件如IGBT 芯片等仍不具備完全自主生產(chǎn)能力，具備系統(tǒng)完整知識產(chǎn)權(quán)的整車企業(yè)和零部件企業(yè)仍是少數(shù)。
 
隨著國內(nèi)電機電控系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)鏈的逐步完善，電機電控系統(tǒng)的國產(chǎn)化率逐步提高，電機電控市場具有的增速有望超過新能源汽車整車市場的增速。
傳統(tǒng)汽車的電控系統(tǒng)主要由ECU（Engine control unit）組成。混動汽車與傳統(tǒng)汽車電控系統(tǒng)的最大的區(qū)別就是，混動汽車電控多了HCU（Hybrid control unit）這個部件。
 
HCU作為混動汽車的大腦，是混動汽車的最核心部件。HCU可以根據(jù)駕駛員的操作，比如踩油門或者剎車踏板、變換擋位或者駕駛模式變更等輸入信號，來計算出如發(fā)動機輸出功率，電機和發(fā)電機扭矩等輸入信號。
 
隨著HCU的不斷發(fā)展，越來越多原來用ECU進行處理的信號將直接由HCU進行處理。因此，HCU的設(shè)計將直接影響混動汽車的動力性能，燃油經(jīng)濟性，可靠性等性能。
HCU必須滿足以下要求：
  • 能夠在混合動力汽車中使用12V / 24V電池（或者更高電壓）作為自己的電源
  • 能夠為車輛控制策略程序提供合適的平臺
  • 能夠與混合動力電動汽車的其他控制單元通信
  • 能夠正確識別駕駛意圖能夠精確控制混動汽車的執(zhí)行器（電機，發(fā)動機，電池等）
HCU采用模塊化設(shè)計，為了滿足上述要求，HCU分為幾個功能模塊。每個功能模塊都有自己的功能：
  • 電源模塊用于將12V / 24V電池電壓轉(zhuǎn)換為5V，并為控制器內(nèi)部電路提供穩(wěn)定的電源
  • 數(shù)字輸入模塊和A / D轉(zhuǎn)換模塊用于識別駕駛意圖
  • CAN總線模塊用于與混合動力車輛的其他控制單元（ECU，PCU，BCU等）通信
  • 驅(qū)動器模塊用于控制混合動力車輛的致動器
  • MCU模塊用于為車輛控制策略程序提供平臺，并連接其他模塊以形成控制器。
5、混動專用變速箱
混聯(lián)式混合動力系統(tǒng)目前已經(jīng)成為混合動力技術(shù)的主流。無論是豐田的THS系統(tǒng)還是通用的AHS系統(tǒng)或者其他構(gòu)型大都應(yīng)用行星齒輪機構(gòu)作為動力耦合裝置。來實現(xiàn)電動無極變速功能（Electric Continuously Variable Transmission, ECVT），整車在燃油經(jīng)濟性與動力性方面也實現(xiàn)理想結(jié)合。
當(dāng)前，大多數(shù)混合動力總成系統(tǒng)使用基于傳統(tǒng)變速器的混動化擴展方案，即用現(xiàn)有變速器并進行調(diào)整，讓其適用于電機驅(qū)動。這種混動化拓展方案一個很好的案例是大眾DQ400e變速器。
在這個案例中，一個模塊置于發(fā)動機和雙離合器自動變速器（DCT）之間，增強了標準DCT的功能。另外一個案例是采埃孚的8P70H變速器。這種混動化拓展方案可以減少開發(fā)工作量。
隨著混合動力總成系統(tǒng)產(chǎn)量不斷增長，功能、重量、布置和成本方面的要求驅(qū)使混合動力系統(tǒng)向?qū)Ｓ没?、更?yōu)化發(fā)展。
舍弗勒P2-DHCVT
舍弗勒的P2-PHEV-DHCVT專用混合動力無級變速器，可以實現(xiàn)純電、P2混合動力及純發(fā)動機驅(qū)動，后退擋靠電動機實現(xiàn)，在無級變速單元（Variator）之后有個犬齒式離合器實現(xiàn)駐車充電功能。
下圖顯示了舍弗勒的P2-PHEV-DHCVT的原理和設(shè)計：
▲弗勒的P2-PHEV-DHCVT的原理和設(shè)計（來源：CTI2016 Luk）
通過變速器一些設(shè)計變化，增加一套雙離合器，可以進一步實現(xiàn)P2/P3的混合電力驅(qū)動，以提高電驅(qū)動里程和混合動力駕駛性能。
下圖顯示了舍弗勒的P2/3-PHEV-DHCVT的原理和設(shè)計。
▲舍弗勒的P2/3-PHEV-DHCVT的原理和設(shè)計
AVL混合動力系統(tǒng)8mode-DHT
AVL的第二代DHT，即Future Hybrid 8-Mode 未來八模式混合動力系統(tǒng)，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)。
下圖顯示其原理結(jié)構(gòu)特點。
▲AVL的八模式混合動力DHT
其可以有八種運行模式，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。
混合動力以及純電驅(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的八模式混合動力DHT的運行模式及牽引力工作區(qū)
雷諾日產(chǎn)EOLAB ZE-Hybrid
為實現(xiàn)百公里2L油耗目標，雷諾日產(chǎn)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)動模式如下圖所示，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。
▲雷諾EOLAB1混合動力原理結(jié)構(gòu)和驅(qū)動模式
▲雷諾EOLAB2的雙電動機DHT
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（Electric Drive Unit）。
下圖所示，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。
▲上汽電驅(qū)動變速器原理和實物圖
精進電動的雙電機EDU
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，如圖所示。
▲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-Motor Hybrid，吉凱恩（GKN）的Multimode eTransmission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。
格特拉克
參考文獻：
1、《來點干貨：國內(nèi)外混合動力技術(shù)盤點及深度解析》，汽車工藝師，一點資訊。
2、《新一代混合動力傳動系統(tǒng)》，AI《汽車制造業(yè)》，弗戈工業(yè)傳媒。
3、《這些才是高效的混合動力，不要被忽悠了！》，旭派汽車電池，簡書。
4、《國內(nèi)外混合動力技術(shù)盤點及深度解析》，新聞資訊，棟霖電氣。 
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