功率分流与多模式混动专用变速器的对比分析
文章来源：EDC电驱未来
发布时间：2020-08-18
混合动力发展至今已经达到了一定的深度并呈现不同的技术路线，混合动力的核心——混动变速器的技术状态，决定汽车的油耗、经济性、NVH 等性能，文章主要对市场上的2种混动专用变速器架构进行对比分析。
混合动力发展至今已经达到了一定的深度并呈现不同的技术路线，混合动力的核心——混动变速器的技术状态，决定汽车的油耗、经济性、NVH 等性能，文章主要对市场上的2种混动专用变速器架构进行对比分析。
1 混动专用变速器介绍
混动专用变速器（DHT）是针对混合动力而专门开发的变速器，是专门针对发动机和电机的功率和扭矩特性而重新系统地开发的新型结构的混动变速器，特别适用于混合动力车辆。统计数据显示，2016年全球搭载DHT的车辆占所有混动车辆销量的73.01%，2017年占比为72.17%。目前，此类产品也已大规模投放市场，例如日本的“THS”“i-MMD”、美国的“VoltecGen2”、中国的“EDU”“CHS”“F3DM”等。基于技术路线的不同，DHT 可以分为功率分流混动专用变速器（PS-DHT）和多模式混动专用变速器（MMT-DHT）。
1.1 PS-DHT
功率分流混动专用变速器，采用行星齿轮机构耦合发动机和电机动力进行无级调节，通过电机对发动机的运行范围进行调节和优化，减少瞬态工况，使其总是运行在高效区，从而降低排放和油耗。PS-DHT 主要由行星齿轮耦合机构、发电机、驱动电机、减速齿轮机构等组成。图1示出某典型PS-DHT的结构原理图。
1.2 MMT-DHT
多模式混动专用变速器，采用固定单速比齿轮或多速比齿轮与离合器或制动器耦合发动机和电机动力，通过发电机、驱动电机和发动机及离合器的综合运用，将车辆运行模式作具有显著特征的区分，从而确保发动机处于高效区，减少瞬态工况，进而降低排放和油耗。PS-DHT 主要由离合器、发电机、驱动电机、减速齿轮机构等组成，图2 示出某典型MMT-DHT的结构原理图[3]。
2 PS-DHT与 MMT-DHT 对比
2.1 原理对比分析
通过图1与图2的比较得出：1）外部发动机动力输入PS-DHT 之后，经行星齿轮机构到齿圈输出，再经中间齿轮到主减差速器输出，外部发动机动力与轮端机械连接，发动机动力连接到行星齿轮机构的行星架，发电机动力连接到行星齿轮机构的太阳轮，行星齿轮机构耦合发动机与发电机的动力，发电机对发动机的工作范围进行调节；2） 外部发动机动力输入MMT-DHT 之后，经过离合器再经过中间齿轮到主减差速器后输出，外部发动机动力不直接进行机械连接，发动机动力直接连接到离合器主动端及发电机，发电机与发动机通过增速齿轮固定连接，发电机对发动机的工作进行调节。
2.2 效率对比分析
对搭载MMT-DHT 变速器的车辆进行WLTC 工况测试，主要的驱动模式有纯电模式、串联（增程）模式及发动机直驱模式。
在纯电模式下，搭载MMT-DHT 变速器的车辆与搭载PS-DHT 变速器的车辆从驱动电机端到轮端均为两级平行轴减速，两者传动效率基本一致。
MMT-DHT 设计为中低速电驱驱动/中高速巡航发动机驱动，中低速工况时发动机速比无法直接驱动而必须采用串联驱动，此时的效率计算，如式（1）所示。
文献[4]的研究和试验中，斜齿轮传递效率为98.5%，实际测试的发电机及电控平均效率为90%，驱动电机及电控平均效率为90%；文献[5]的研究中，差速器效率为97%～98%，该MMT-DHT 在此模式下的动力传递效率为75.087 1%。
PS-DHT 由于无离合器，发动机动力经行星齿轮机构耦合之后，一部分通过齿圈进入轮端，另一部分通过太阳轮发电进入驱动电机或者低压附件设备，效率计算，如式（2）和式（3）所示。
文章设定 ne=1 500 r/min，nGM=700 r/min，α=2.6，则nr=1 808 r/min；ηPG取96%；Te取80 N·m；该PS-DHT 在串联模式下的动力传递效率为88.122 1%，比MMT-DHT高13%左右。
搭载MMT-DHT 变速器的车辆在发动机直驱模式下由发动机直接驱动，此时的效率计算，如式（4）所示。
此时 ne=2 500 r/min，Te取80 N·m；Wc取300 W；该MMT-DHT 在此模式下的动力传递效率为92.679 3%。
搭载PS-DHT 车辆的动力传递效率参照式（2）及式（3）。此时 ne=2 500 r/min，Te取80 N·m。该 PS-DHT在此模式下的动力传递效率为89.011 2%。此种模式下，PS-DHT 效率要比MMT-DHT 低3.6%左右。综合比较来看，PS-DHT的传动效率要优于MMT-DHT，特别是在中低车速工况。
2.3 能耗台架对比分析
对搭载MMT-DHT 和PS-DHT的车辆进行基于WLTC 工况的台架测试及分析，包括模式测试分析、行驶阻力及油耗测试分析。
基于WLTC 工况的全循环总里程为23.27 km，持续时间为1 800 s，最高行驶速度达131.3 km/h，分成低速段、中速段、高速段和超高速段4个速度区间。各速度区间的持续时间分别为589，433，455，323 s，如图3所示[6]。
2.3.1 WLTC 工况下模式和效率的台架测试及分析
对搭载该MMT-DHT 变速器的车型进行WLTC 工况台架测试，发动机转速、车速等运行情况，如图4所示。
图4 搭载MMT-DHT的汽车WLTC 工况测试图
根据图4 统计得到各模式工作时间占比，如表1所示。
表1 汽车各驱动模式工作时间占比表
综合整个WLTC 工况来看，串联模式较发动机直驱模式的时间占比多了13.77%，串联模式在所有的发动机参与的工况中时间占比达到65.42%。结合2.2 节提到的在中低速（串联）模式下，MMT-DHT的效率远低于PS-DHT；而直驱模式下，MMT-DHT的效率略高于PS-DHT。所以在整个WLTC 电平衡工况下，PS-DHT比MMT-DHT 效率更高。
分别搭建基于PS-DHT 变速器和MMT-DHT 变速器的Simulink 整车仿真计算模型，只更改变速器参数，其它参数不变。通过MATLAB与GT-POWER 联合仿真，WLTC 工况下的电平衡油耗仿真结果，如表2所示。
表2 汽车WLTC 台架电平衡油耗测试结果表 100 km/L
从表2可以看出，对WLTC-L 工况而言，搭载PS-DHT的车辆油耗要远优于搭载MMT-DHT的车辆油耗；对WLTC工况而言，PS-DHT也要优于MMT-DHT。
2.4 动力性分析
对于PS-DHT，由于发电机主要是调节发动机动力而不是全部吸收发动机功率，故发电机功率扭矩可以设计得比较小。PS-DHT 在低车速急加速的驱动过程中，发动机可以通过机械连接而参与到汽车加速过程中去，故可以减少驱动电机的扭矩设计。
对于MMT-DHT，由于在离合器断开时，发电机必须吸收发动机的全部功率，故发电机功率扭矩需要设计得较大并保持一定的额定功率输出。
MMT-DHT 在中低速离合器接合前，其轮端扭矩计算，如式（5）所示。
由于PS-DHT 无离合器，搭载PS-DHT的车辆轮端扭矩计算，如式（6）所示。
基于上述模型，设置两者驱动电机参数一致，经仿真分析，搭载 MMT-DHT 和 PS-DHT的汽车 100 km 加速时间分别为8.97 s 和8.35 s。
2.5 成本对比分析
综上，PS-DHT 所用发电机和驱动电机的扭矩较MMT-DHT 所用发电机和驱动电机的扭矩要小很多，因而PS-DHT 所用发电机和驱动电机的成本较MMT-DHT 要低很多；PS-DHT 所用发电机和驱动电机的功率较MMT-DHT 所用发电机和驱动电机的功率要小很多，因而PS-DHT 所用发电机和驱动电机的电控成本较MMT-DHT 要低很多。
此2种变速器的箱体和齿轮及轴承的成本相当，而电机和电控的成本差别较大，PS-DHT 相较于MMT-DHT 成本更低。
3 结论
文章通过计算以及仿真手段，对PS-DHT 和MMT-DHT 从动力性、燃油经济性以及成本等方面进行了深入的分析，在同等条件下，PS-DHT 在各方面的性能都优于MMT-DHT。但从其结构本身的特点来看，PS 结构更适用于小型汽车，而MMT的覆盖范围更大，它可以适应更大的电机，能适用于更大的车型。未来新能源汽车的DHT的发展将更多地取决于主机厂的定位。综合来看，小型车采用PS 架构，中大型车采用MMT 架构，或许是未来的发展趋势。
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图 舍弗勒的P2-PHEV-DHCVT的原理和设计（来源：CTI2016 Luk）
大众正在开发的专用混合动力变速器TwinDrive采用与本田iMMD近似的结构。其结构和工作模式如图所示。
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