混合动力变速箱进化路径分析

01、绪论

混合动力系统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。

下图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)。

动力总成电气化可能的运行模式(特性)

02、混合动力汽车的节能机理

混合动力汽车可以从以下四个方面达到节能目的:

(1)由于有辅助动力系统所以可选择较小的发动机，从而提高发动机的负荷率。

(2)通过系统控制使发动机在高效区工作，以实现燃油经济性。

(3)发动机具有取消怠速和高速断油的功能，以节省燃油消耗。

(4)可在制动、下坡时进行能量回收。

• 混合动力汽车配置有辅助动力系统因此可选用较小功率的发动机以提高发动机的负荷率，从而改善燃油经济性约15%-20%;
• 通过控制发动机工作区域在最优状态，可实现节油5%-10%;
• 再生制动能量回收节能约为5%-12%;
• 而消除停车怠速可节省燃油5%-10%。

综合分析表明，混合动力技术在特定工况下的总节能潜力可达到30%-60%。

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。

03、附加式混合动力变速箱

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，从而降低开发新产品费用，这种混合动力从自动变速器角度称之为附加式(Add-On)混合动力系统，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，开发全新的专用混合动力变速器(DHT- Dedicated HybridTransmission)以及纯电驱动系统成为一个趋势，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系统，与发动机结合形成混合动力系统。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，可以实现系统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，电动车驱动系统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。

鉴于开发全新的混合动力系统开发成本高昂，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)混合动力系统。

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，实现并联混合动力系统(P2)。

下图显示的是一款搭载在宝马X5上的并联混合动力系统。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。

基于采埃孚8AT形成并联混合动力系统(来源：BMW)

下图显示的则是一款搭载在大众汽车上的混合动力系统，在6档DCT基础上加装电机和切换离合器。

基于大众6DCT形成并联混合动力系统(来源：Volkswagen)

现在国外主要汽车厂家基本上都开发了这种附加式的混合动力系统，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系统，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。

04、专用混合动力变速箱

混合动力系统的市场继续扩大，发展趋势是纯粹燃油发动机汽车将逐步全部混合动力化，目前开发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开发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年就开发了应用在普锐斯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系统，加上发动机输入后即可实现混合动力驱动的功能。

一般概念的混合动力系统为了实现全部功能，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。与此形成对比的是在现有的自动变速器上附加电动机形成的附加式(Add-On)混合动力系统。

传统自动变速器为了获得更好的油耗特性，必须充分利用发动机的最佳工作点，变速器挡位越多，发动机工作效率高的区域可以更多的利用;目前先进自动变速器已经达到8挡到10挡，这使得自动变速器变得非常复杂，技术门槛高，开发费用高昂，并且只有达到一定的产量才有好的经济效益。

05、专用混合动力变速箱的空间优势

在混合动力系统中由于电动机驱动可以帮助发动机工作在比较好的区域，导致混合动力系统的挡位数可以适当减少，对整车的油耗影响很小。

一般来说混合动力系统从节油方面讲，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开发的发动机，则挡位数量可以进一步减少到3挡左右;在配备双电动机系统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。

下图比较了一个传统8AT的空间和一个5AT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提供了好的前提。

图4 传统8AT和一个专用混合动力变速器所需空间的比较

06、专用混合动力变速箱的成本和规模效益分析

由于开发一个新系统费用高昂，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系统成本高。

只有达到一定量产时，一次性开发费用分摊到单件产品的比例就低，开发专用混合动力变速器才有经济性。

下图比较了传统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，其额外的开发成本计入5AT-DHT后每台成本时也开始低于8AT大批量的每台成本，表明可以考虑重新开发5AT-DHT用于专用混合动力汽车。

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开发专用混合动力变速器了。