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强混合动力和插电混合动力

时间:2020-05-08 11:49:28 来源:互联网 编辑:小狐 阅读人数:134

核心提示

目前汽车行业的一个重大趋势是汽车电气化的快速发展以及电动车的市场份额逐步提高。这种趋势对自动变速器行业的影响也越来越大。动力总成的电气化产品表现为:一方面是基于现有传统发动机动力总成,把电动机安装到动

目前汽车行业的一个重大趋势是汽车电气化的快速发展以及电动车的市场份额逐步提高。这种趋势对自动变速器行业的影响也越来越大。

动力总成的电气化产品表现为:

一方面是基于现有传统发动机动力总成,把电动机安装到动力传输线路的合适位置,构成混合动力实现动力总成的总体效率提高以及排放的减少。这种结构要尽量减少对原动力总成的改变,利用现有的批量变速器产品,从而降低新产品费用,这种混合动力从自动变速器角度称之为附加式(Add-On)混合动力,其结构比较复杂,适合小批量混合动力或者高端汽车。由于自动变速器变化较少,这类变速器产品可以归纳在传统自动变速器分析里。

另外一方面,随着混合动力及电动汽车的规模加大,全新的专用混合动力变速器(DHT- Dedicated HybridTransmission)以及纯电驱动成为一个趋势,这主要表现为两个方向:

1电动机与自动变速器集成为一个统一功能,与发动机结合形成混合动力。在产量规模达到一定程度时,减少变速器挡数,在节油的同时,可以实现的成本及空间的优化。

2电动汽车的变速器,由于电动机的输出特性,电动车驱动一般只要单级或者双级变速即可,机械结构大大简化,但当单机转速很高时,NVH要做很好的优化;另外要提高集成度,实现模块化产品。

本次针对专用混合动力变速器(DHT)做重点分析。

混合动力综述

混合动力是指在传统发动机动力总成中增加电力驱动的电动机作为补充。目前根据电动机的位置混合动力相应分为P1、P2、P3、P4混合动力拓扑结构(配置)图1显示了各种混合动力拓扑结构。其中如果发动机动力和电动机动力可以同时驱动车轮,也称之为并联混合动力;如果汽车只是由电动机驱动,发动机主要是给电池充电,则称之为串联混合动力;混合动力根据其电动机动力的特性以及电池获得能量方式及大小还分为弱混合动力,强混合动力和插电混合动力。

强混合动力和插电混合动力(图1)

图1 各种混合动力拓扑结构

混合动力的电动机动力可以以不同形式参与到动力总成输出之中,形成混合动力的各种新型动力组合及功能,一般称为混合动力的运行模式或特性,如:启停模式Start/Stop启停滑行模式cut-off coasting/sailing能量回收模式recuperation转矩增强模式助力boost混合动力驱动模式hybrid driving纯电驱动模式electric driving等。图2列举了不同电气化程度的混合动力总成可能的运行模式特性

强混合动力和插电混合动力(图2)

图2 动力总成电气化可能的运行模式(特性)

混合动力可以通过以下措施改善传统发动机汽车的油耗以及提高驾驶性能:

1回收汽车制动的能量。

2避免或者减少发动机工作在不利的运行模式,如怠速、交通灯停车、低速爬行等。

3利用电动机调整发动机工作点。

4电动机峰值功率的助力作用提高汽车加速性能。

5改善自动变速器换挡性能。

6拥堵时电驱动爬行。

7短途纯电驱动。

鉴于全新的混合动力成本高昂,在混合动力市场有限的情况下,汽车厂以及变速器公司选择在已有的自动变速器批量产品上做尽量少的改动,加入电动机实现附加式(Add-On)混合动力。

目前比较多的是将电动机加装在变速器输入轴上,电动机与发动机之间加入一个切换离合器,实现并联混合动力(P2)

强混合动力和插电混合动力(图3)

X5(参数图片)上的并联混合动力。利用传统采埃孚的8AT,用电动机替换液力变扭器,并加装切换离合器,实现混合电力驱动。图3b显示的则是一款搭载在大众汽车上的混合动力,在6档DCT基础上加装电机和切换离合器。

强混合动力和插电混合动力(图4)

强混合动力和插电混合动力(图5)

现在国外主要汽车厂家基本上都了这种附加式的混合动力,尽管利用了现有的量产自动变速器作为基础,但由于加了一整套电驱动,动力总成比较复杂且整车的价格还是提高很多,普及率还有限。

专用混合动力变速器DHT

专用混合动力变速器定义和特点

混合动力的市场继续扩大,发展趋势是纯粹燃油发动机汽车将逐步全部混合动力化,目前新型专用混合动力变速器从性价比角度考虑就是一个好的途径和时机,目前众多主流汽车企业大力多种专用混合动力变速器也证明了这种趋势。

实际上丰田公司从1997年就了应用在

强混合动力和插电混合动力(图6)

普锐斯(参数图片)汽车上的专用混合动力变速器,随着混合动力的需求提高,普锐斯混合动力目前获得很好的市场成功。

专用混合动力变速器(DHT:Dedicated Hybrid Transmission)的定义是:通过集成一个或多个电动机到变速器中形成带电动机的自动变速器,加上发动机输入后即可实现混合动力驱动的功能。一般形成的混合动力为了实现全部功能不可缺少电动机,即去掉电动机后变速器本身将不能正常工作。

与此形成对是在现有的自动变速器上附加电动机形成的附加式(Add-On)混合动力。

关于专用混合动力变速器DHT,有以下几点说明:

一是专用混合动力变速器的挡位数和空间。

在混合动力中由于电动机驱动可以帮助发动机工作在比较好的区域,导致混合动力的挡位数可以适当减少,对整车的油耗影响很小。一般来说混合动力从节油方面讲,变速器的挡位不需要超过6挡即可;如果配置针对专用混合动力变速器的发动机,则挡位数量可以进一步减少到3挡左右;在配备双电动机中甚至没有换挡单元,传动比是在某一车速情况下通过转矩平衡控制发动机和电动机的速度,实现所谓的电无级变速(eCVT)功能。

专用混合动力变速器挡位数比附加式混合动力挡位数少,其结构也就相对简单,需要空间也比较少。图4比较了一个传统8速AT的空间和一个5速AT专用混合动力变速器所需空间。空间和质量的优势也给专用混合动力变速器的应用了好的前提。

强混合动力和插电混合动力(图7)

图4 传统8AT和一个专用混合动力变速器所需空间的比较

二是专用混合动力变速器的成本分析。

由于一个新费用高昂,虽然专用混合动力变速器相对可以简单,但是如果产量不能达到一定水平时,一次性投入的研发成本导致最终成本比利用现有的自动变速器实现附加式混合动力成本高。只有达到一定量产时,一次性费用分摊到单件产品的比例就低,专用混合动力变速器才有经济性。图5比较了传统8速自动变速器8AT的成本与用于专用混合动力的5AT-DHT成本比较。以8AT年产20万台为100%基准,只有当5AT-DHT产量超过8.1万台时,其价格才能开始到达8AT大批量的成本的临界点,也就是说,5AT-DHT混合动力变速器销量超过8.1万台时,其额外的成本计入5AT-DHT后每台成本时也开始低于8AT大批量的每台成本,表明可以考虑重新5AT-DHT用于专用混合动力汽车。

强混合动力和插电混合动力(图8)

图5 8AT和专用混合动力的5AT-DHT成本比较

今后市场对混合动力需求提高,占有率达到一定的水平时,从成本角度就可以考虑专用混合动力变速器了。

目前一些专用混合动力变速器介绍

专用混合动力变速器也可以在自动化手动变速器AMT、双离合器变速器DCT、传统自动变速器AT和无级变速器上集成单电动机构成。下面介绍其中一些典型例子,目前这方面的DHT还没有形成量产规模,主要大公司还在方案评估以产品阶段,估计逐步会有多种型号产品进入市场。

1丰田普锐斯专用混合动力变速器。

最有名的专用混合动力变速器是丰田从1997年推出的普锐斯车上所用的混合动力THS(Toyota Hybrid System)图6是2009年推出的第三代THS。其中的Power Split Device (PSD)为一个行星齿轮组,实现功率、转矩和转速的分配。根据驾驶工况的不同可以实现纯电驱动和混合驱动等等模式。电动机

强混合动力和插电混合动力(图9)

M2(参数图片)纯电行驶时,发动机通过电动机MG1给电池充电,实现串联混合动力模式;发动机也可以与电动机MG2(或者MG1)同时驱动汽车,形成并联混合动力驱动模式;所以普锐斯THS可以称为串并联混合动力或者功率分流混合动力(Power Split Hybrid)

由于行星齿轮副的双速度控制特点,不同于一般行星齿轮副锁止某个零件(静止或固定速度)获得特定传动比,普锐斯混合动力当然可以不锁止零件,而是通过电动机或发动机控制其转矩比例,从而无级调节传动比,所以也通常被称为eCVT(电动无级变速器)

强混合动力和插电混合动力(图10)

图6 2009年推出的第三代THS

可以看出,THS的变速器机构相当简单,但是通过与电动机的集成形成很好的混合动力,NEDC工况下油耗可以降到百公里3.4L以下;虽然其控制比较复杂,但随着电子控制的发展,整车可以在保证油耗性下也能实现很好的驾驶性能。随着排放要求的高要求,混合动力也越来越普及。图7显示了丰田混合动力的情况,可以看到,每年已经超过百万辆的规模。

强混合动力和插电混合动力(图11)

图7 丰田混合动力的情况

基于丰田普THS双电动机专用混合动力变速器为基础,通过一些变化丰田也为高端品牌Lexus配置了的混合动力,图8显示通过增加一套行星齿轮副构成凌志汽车的混合动力总成,可以采用功率更大的驱动电动机等,行星齿轮副可以更有效的分配转矩到车轮上。

强混合动力和插电混合动力(图12)

图8 丰田THS专用混合动力变速器(DHT)

随着各国对环境保护及能源利用的重视,很多国家已经开始表达意向甚至给出时间表禁止纯燃油汽车的;电动汽车由于电池的瓶颈,普及和盈利还需要很大突破,混合动力会在未来的汽车中占据很大的比例,混合动力技术必将会得到极大的发展。结合专用混合动力变速器的上述特点和丰田普锐斯成功先例,很多公司也开始自己的专用混合动力变速器。

2本田iMMD智能多模式混合动力。

图9显示了其构成形式和工作模式:本田iMMD(Intelligent Multi-Mode Drive)的变速器部分也非常简单,只是通过几副减速齿轮和一个锁止离合器实现电动机驱动和发动机的动力输出控制,如纯电驱动、混合动力、发动机驱动、驻车充电。

强混合动力和插电混合动力(图13)

强混合动力和插电混合动力(图14)

图9 本田iMMD智能多模式混合动力构成和工作模式

3大众TwinDrive。

大众正在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10所示。

强混合动力和插电混合动力(图15)

强混合动力和插电混合动力(图16)

图10 大众TwinDrive结构和工作模式

4上汽荣威电驱动变速器EDU。

双电动机结构的专用混合动力变速器(DHT)国内代表产品是上汽搭载在插电强混的量产车型荣威

强混合动力和插电混合动力(图17)

e550(参数图片)和

强混合动力和插电混合动力(图18)

e950(参数图片)之上的电驱变速器EDU(Electric Drive Unit)如图11所示,上汽电驱动变速器NEDC综合能耗据资料可以达到百公里1.7L,纯电行驶60km。

强混合动力和插电混合动力(图19)

强混合动力和插电混合动力(图20)

图11 上汽电驱动变速器原理和实物图

5上汽精进电动公司的双电动机EDU。

上海精进电动公司提出其DHT方案,利用双电动机实现串并联混合驱动,如图12所示。

强混合动力和插电混合动力(图21)

图12 精进公司DHT方案

除上面介绍的双电动机结构的专用混合动力变速器(DHT)之外,采用双电动机DHT的产品还有通用Voltec,爱信2-Motor Hybrid,吉凯恩(GKN)的Multimode eTransmission等。

配双电动机的专用混合动力变速器的特点是机械结构相对简单,一般不需要换挡单元,要求发动机在特点的工作区高效工作。

6大陆公司成本优化DHT。

大陆公司做了一个简单专用混合动力变速器的结构、功能和成本分析,给定发动机和电动机不同的挡位数,对比功能和成本,选出大陆公司的优先方案。图13是相应的结构,前面数字表示发动机(ICE)和电动机(ED)的挡位数,电动机数字0表示电动机与汽车驱动轴以一个传动比固定相连,1表示电动机有一个传动比,但可以挂空挡。

大陆最后选出自己的优化方案是发动机4挡,电动机固定挡4ICE+0ED,另外要配置一个高压的启动发电动机HV-SG

7AVL公司八模式混合动力8mode-DHT。

另外一个单电动机专用混合动力变速器比较有代表性的是AVL的第二代DHT,即Future Hybrid 8-Mode 未来八模式混合动力。图14显示其原理结构特点。

AVL的八模式混合动力DHT基于传统自动变速器AT集成电动机而成,它采用了:两个离合器和两个制动器、一个Ravigneaux(拉威挪式)行星齿轮结构。

强混合动力和插电混合动力(图22)

其可以有八种运行模式(见附表和图15)即5挡混合电力驱动模式,两挡纯电驱动模式,以及eCVT(电动无级传动)模式,驻车充电模式。

混合动力以及纯电驱动模式可以很好的利用发动机和电动机的动力源,根据不同的汽车工况优化其工作点,实现油耗和驾驶性能的改善。eCVT模式可以利用发动机和电动机转矩控制提高汽车起步(launch)和爬行(creep)性能。驻车充电可以很好的利用发动机在驻车时给电池充电,为汽车行驶时混合动力功能的利用和优化条件。

AVL的八种模式

强混合动力和插电混合动力(图23)

8诺日产EOLAB ZE-Hybrid。

为实现百公里2L油耗目标,雷诺日产在2014巴黎汽车展上展示了在Eolab汽车项目上最新的专用混合动力变速器DHT项目即ZE-Hybrid 动力总成项目,在保证油耗目标的前提下,还要求有好的驾驶性能和低的成本。

ZE-Hybrid在第一代EOLAB1是基于自动化手动变速器AMT集成电动机构成,有3个挡位,同步器靠电动实现,原理结构和驱动模式如图16所示,可以实现纯电、混合以及纯发动机驱动,同时也可以驻车充电。雷诺在第二代EOLAB2汽车上也开始研发基于AMT的双电动机DHT(见图17)

强混合动力和插电混合动力(图24)

强混合动力和插电混合动力(图25)

强混合动力和插电混合动力(图26)

9IAV混合动力变速器。

IAV基于AMT设计了一个相对简单低成本的基于AMT的模块化结构,即可成为纯电动也可以实现专用混合动力变速器DHT,3挡的纯电动或者混合动力驱动。变速器部分也可以直接用于电动车上。基于CVT的专用混合动力变速器也在研发中。

强混合动力和插电混合动力(图27)

10舍弗勒P2-DHCVT

专用混合动力无级变速器舍弗勒的P2-PHEV-DHCVT,可以实现纯电、P2混合动力及纯发动机驱动,后退挡靠电动机实现,在无级变速单元(Variator)之后有个犬齿式离合器实现驻车充电功能。图19显示了舍弗勒的P2-PHEV-DHCVT的原理和设计。

强混合动力和插电混合动力(图28)

通过变速器一些设计变化,增加一套双离合器,可以进一步实现P2/P3的混合电力驱动,以提高电驱动里程和混合动力驾驶性能。图20显示了舍弗勒的P2/3-PHEV-DHCVT的原理和设计。

强混合动力和插电混合动力(图29)

11扬混合动力无级变速器C38 P2P3。

国内变速器公司扬也在基于传统无级变速器CVT38的混合动力无级变速器CVT38 P2/P3;相对于CVT38,CVT38 P2/P3在NEDC工况下可节油22%。

本文相关词条概念解析:

动力

动力即一切力量的来源,主要分为机械类和管理类。1.使机械作功的各种作用力,如水力、风力、电力、热力等。2.比喻对工作、事业等前进和发展起促进作用力量。例句:人民是创造世界历史的动力。

变速器

变速器是能固定或分档改变输出轴和输入轴传动比的齿轮传动装置,又称变速箱。变速器由传动机构和变速机构组成,可制成单独变速机构或与传动机构合装在同一壳体内。传动机构大多用普通齿轮传动,也有的用行星齿轮传动。普通齿轮传动变速机构一般用滑移齿轮和同步器等。滑移齿轮有多联滑移齿轮和变位滑移齿轮之分。用三联滑移齿轮变速,轴向尺寸大;用变位滑移齿轮变速,结构紧凑,但传动比变化小。同步器有啮合式和摩擦式之分。用啮合式同步器时,变速应在停车或转速差很小时进行;用摩擦式同步器可在运转中任意转速差时进行变速,但承载能力小,且不能保证两轴严格同步。为克服这一缺点,在啮合式同步器上装上摩擦片,变速时先靠摩擦片把从动轮带到同步转速后再进行啮合。行星齿轮传动变速器可用制动器控制变速。变速器广泛用于机床、车辆和其他需要变速的机器上。机床主轴常装在变速器内,所以又叫主轴箱,其结构紧凑,便于集中操作。在机床上用以改变进给量的变速器称为进给箱。

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