EVH日报|双电机四挡串并联混合动力系统

段志辉

国创中心混合动力首席专家

我们按照路线图2.0，到2035年的时候一半新能源一半节能车。节能车那个时候是纯油车要消灭掉，要有很大一批是HEV的东西。另外一个就是EV里面，新能源里面有插电式、增程式、纯电动。我们感兴趣的地方，因为我们在座的混合动力，就是说是属于对于油耗比较敏感的这部分，就是我们知道HEV和PHEV，特别是油车和HEV，他这个友好是决定性的，为什么我要搞HEV，就是因为他可能节油。PHEV比较敏感，等到增程式的时候就可能不太敏感，因为绝大多数里程都是由电驱动，只是极偶然的用一下油，这样来说省油这个事就不是很敏感了，对纯电动的干脆就是无感的了。

我们从这个上面来看，到目前为止，今年上半年燃油车和HEV总共合起来正好是三分之二，我们到2035年的时候要减成零。很多人认为比2035年早一点，燃油车的65%左右要在今后的几年内完全替代掉。HEV肯定要占这么一部分，插电式、增程式、电动可能都要从燃油车上面抢去一部分市场。

HEV国产品牌非常少，主要是国外的像丰田、本田这些，这实际上就是说有一个非常巨大的市场空间等着有能力的人占领。总体来说，为什么国产的HEV很少呢？我自己这么认为，性能、驾驶舒服性、油耗、成本问题。成本问题我们是知道的，国内的自动变速箱是最后成熟的一种技术，现在把它和电集中等一块的时候，技术质量不太支撑，所以国内HEV发展比较慢。

这两年的混合动力还是取得了非常大的进步，插电式的混合动力取得了进步，而插电式混合动力和HEV这个之间是一张纸不是一个很大的技术障碍。如果我们说两年前或者三年前的时候，中国的汽车行业在插电式混合动力上面取得了突破，我估计HEV的技术突破应该也就是这两三年的事了。

前一段时间我自己统计了北美市场的成本、油耗这些，现在实际上已经可以做到混合动力车节的油折算成钱，然后节省的钱要比投入的钱多出来不少了，也就是说实际上现在HEV的全寿命成本已经比油车要好了，这就不但油耗会少，而且使用成本全寿命成本也是好的。

所以这个地方也就是说，如果纯电动需要有政策鼓励，他就相当于要有一个水泵往上扬。现在油车和HEV可能就是这样，但是中间有一个把，一旦这个把捅破之后，流速可能会很快。

然后我们看一下未来这几种车的发展趋势，我们看最后发展市场份额增程式涨得最快，插电式也大于EV，也就是说实际上这就是我们看到的，一般的混合动力突破性的进展或者爆发性的发展，这个是不太奇怪的。

我个人认为插电式和增程式的份额会继续扩大，比起纯电动，为什么呢？第一个里程焦虑，这个是很简单的事。另外一个就是安全性的影响，因为插电式和增程式可能比纯电动的电池要小一半或者是小三分之二的级别。小这么多有这么多意义呢？我把封装在车里面的时候，我出现碰撞的时候把这个电池碰着火的概率就会降低，这个一是安全性，另外一个还有一旦着火了停在车那的时候，如果一个电动车着火了会不会引燃隔壁的车。如果我们电池小的话我们就更好包装在一个靠近中间的地方，和外面尽量远。

实际上我们现在看到不少插电式的电池就在驾驶员的这个地方，他离边缘就比较远，碰着的可能性和他着了之后把隔壁的引燃的概率就会低多了。所以这又是他的一个优势。

另外一个就是说油耗对于插电式的以后条件好的话，可能95%、90%的时间都是用的电，相当于一年汽车消耗一亿吨油，等我降到这的时候直接就打掉了一个零，实际上效果还是很好的，当然还有一个成本的优势。

这几种车不同的东西，电池系统的改进，电池效率的改进，功率密度之类的，他们的影响就是说对于增程式在电机、电池这些方面的改进，对增程式的影响最大，对HEV的影响最少。相反传统技术的提高，对于HEV的影响最大，最插电式次之。

国内这两年混合动力发展很快，国内以串并联为主，这个是比亚迪今年年销量可能过百万的大关了。

然后有一个新的趋势，多档化开始的单档的，现在来说我们发现了有长城的两个档位的串并联，吉利和奇瑞都是各自开发出来的三档的，皓瀚刚出来，开卖没开卖还不知道，但是刚公布四档的。

多档化是一个趋势，为什么会是一个这么趋势，我们简单看一下。这是一个发动机的外用特性图，我们把它最大的扭矩和中间绿色的是高效率区域。我们看一下如果我们经过传动把它映射横轴是3车速，重轴是推力，他就表现出来这么一种情况。也就是说第一个发动机能够输出的扭矩推力就是上面那条线，绿色的面积里面高效率区域，这是他一个档位是这样的。如果需要有更大扭矩的时候，就需要电机提供很大的动力。

特别是像这个一般来说，比如说有一款发动机的总的数比只有2.7，相当于一般车的六档或者五档多的速度，这样说在低速加速的时候，电机提供的驱动力就比较小，就需要有一个很大的电机。

这是我们把他四个档位的时候，我们就会看到这样，横着是车速，纵轴是推力，这样来说可以通过换挡，可以取得比刚才最底下的大的多的扭矩，另外一个我想到高速的时候可能跑出来更好的高速。再就是绿的面积（高效率的面积）扩大了很多，这就是为什么要多档化的原理。

我们现在介绍，这么一款混合动力变速箱，他是双电机平衡轴，然后控制器件只有两个同步器，但是是可以取得四个档位，对于电机来说纯电驱动的是两个档位，然后混合驱动的时候电机也是两个档位，这样来说上午董老师介绍了发动机多少档位，电机有多少档位，有多少好处。上午给董老师说了，您拿出给分析分析比较比较，我说的这是真话。

因为我们这为什么会出现这样呢？这是我们已经做的一些设计，轴长是375毫米左右，这个表格是说两个同步器不同的组合设计能够实现什么样的工况或者是模式。我们可以看到HEV的有四个档位，EV的时候是两个档位，可以启动发动机，还可以串联式的驱动。

实际上正好是9个，如果我们讲一下一个同步器有3位置，两个同步器所有的组合是3×3，9，我们相当于把作为的可能性基本上用上了。还有一个和很多串并联不太一样的地方，我们的两个电机一个可以认为是P3电机，另外一个电机不是P1电机而是P2或者是P2.5电机。有什么差别？这两个电机都是可以和发动机解耦的，换句话说，我们两个电机在EV驱动状态下两个电机都可以参与驱动。

右下角的2是两个电机，这两个电机看绿线在纯电驱动上面的同步器挂空和电机解耦，电机闲在那里不转，电机3可以通过绿色的线驱动，电机线通过土黄色的线驱动。这是低速档的，高速档电机2可以通过右边的齿轮传动，有了两个不同的速比。

从EV到HEV的切换，启动发动机。在这个过程中电机3保持了驱动，电机2是通过先卸载再摘掉当时挂的档位，调同步之后和上面的同步器挂上，这样电机2和发动机连在一起，电机2再驱动，把发动机的速度带起来，从而把发动机点着。

发动机点着可以驱动，通过上面的同步器、红色的箭头给电机2提供动力，电机2发电给电机3提供动力，相当于串联式驱动或者增程的模式。

并联的时候挂固定档位的形式，左边档位1，同步器挂1，两个都是挂左边，发动机的驱动红色的沿着这条路走，这是扭矩传动路线。绿色是电机3传动路线，土黄色是电机2的传动路线。它有一个速比，A1和A3决定速比。把上面的同步器挂到另外一边，发动机的动力通过红色的线相当于拐弯，由三对齿轮决定速比，中间有一个弱化了，实际相当于跳过一个齿轮，不管怎么说是一个不同的速比。现在是档位3，红色是发动机传动路线，通过A3、A1和A3'传递过来，最后一个是4档，相当于从B1到B3的传动速比。

总共有4个速比，对于发动机来说有4个档位，对于电机2有两个档位，电机3因为是所谓的P3没换档位。虽然没有把两个电机都换档位，但是即便这样来说我们可以得到很多好处。

上面谈了怎么换档，换档的时候P3电机要保持驱动，发动机和P2电机要卸载，卸载的同时P3电机补偿扭矩，保持驱动力不变。卸载之后把同步器摘掉，摘掉之后电机2带着齿轮去和发动机轴调同步，调好同步挂上S1，挂左边或者右边，看下一步选的哪个档位，挂上之后电机带着发动机去调输出轴上的同步。

我在这个过程中电机3，也就是P3电机一直在驱动，对于车来说驱动力没有变化，而在这个过程中都是由电机去调同步，我们知道电机的速度控制精度比较高，所以现在这样是完全可以，电机调好同步同步器直接挂档是没有问题的。风神也是这样的，电机调同步或者电机带着发动机调同步，同步器直接挂档，这个技术有企业已经在用了，不是一种假设。

刚才说的好处扭矩大的多了，有什么好处待会说。高效率区域面积大多了，高速的状态也好了。另外，我们一个电机有两个档位，相当于中间如果是一档投影，二档扭矩大了很多，高效率区域大了很多。另外，转速要求降低不少，这样可以降低成本。

我们做了一个对照，有一个B级的对标车，对标的是参数。我们做设计的时候按照一样的标准，对标车按照什么设计，我这边也按照什么设计，相当于基本上车轮子一直在，一直够的时候车轮子处于打滑的边缘。我们找的这个也是行业内标杆的车。

这是一种设计，电机速比，我们看绿色的是我们4个档位，红色是对表的档位，红色如果想进入比较好的区是60多公里时速，我们这个是20公里。在十二三公里时速的时候就可以挂上档，这个要到四十多、五十公里的时候勉强挂上档。速比只有2.7级一个，我们可以有8.5、5点几等等。

刚才说对标的时候让它出现在打滑边缘的时候做，我们对标车做到这一点，我们比照着做。我们可以看打黄的特别是电机310多扭米，我们那个是170扭米基本到了。功率是130多千瓦，我们这里只要六七十千瓦就够了。

第二个电机还是100千瓦，我们这里是50千瓦就够了，其他的不用太说了。为什么会出现这个情况？我纯电机一定要驱动到60公里时速的时候才能挂上档，车轮要打滑是固定的推力，这是一个推力乘速度是功率，电机必须足够大。这么大的推力要到60公里时速是一个事，我们这里十五六公里时速可以挂上，一样的推力，但是速度小很多，对电机的功率需求小很多。扭矩为什么小？纯电驱动两个电机跟你一个电机对比，两个电机的扭矩和功率都是明显降低。

这是一个真实、具体的仿真，对标设计的是3档的DHT，我们用4档做了仿真对照。这是1.8吨的车，挺重的SUV，发动机是125扭米的发动机，非常小。但是因为是插电式的，电量是够的。我们这个系统的加速性能非常好，这个车只要电量够，加速性能不是问题。另外比三档快不少，快了0.9秒，油耗是降低了12%左右。体现了多档的油耗比较优的优势，另外两个电机同时作用的时候比单档有优势。

我们在做这个时候的一直在做正向设计，我希望我们这套系统有什么样的能力，在哪个方面有什么改进，我们刚才提到待会会稍微归纳一点。我们在做的时候意识到很多时候电机在高速旋转，但是它是空转。当然这相当于同时发生的事情，很多四轮驱动的电动车出现了一个永磁电机，一个感应电机。永磁电机在空转的时候消耗能量，一位专家说他们测到在纯电驱动的时候一个电机出现了消耗电量在车速高的时候到5千瓦左右，这5千瓦完全是被消耗掉的，高达5千瓦不是总这样，但是三五千瓦也是够的。通过各个方面的考虑我们P3电机可以改成感应电机，改了之后我们准备了或者说开发出来相应的控制策略使得感应电机工作时间一般情况下是几秒级的工作，非常短的时间，辅助或者说是相当于那个电机在忙的时候它来驱动或者说那个电机劲不够的时候它来驱动，剩下的时间尽量少的用它，有什么好处？相当于长着，不是说工作起来的效率不够高吗？就让你尽量少工作。

你的优势是高速旋转能量损失少，没有感应电动式。相当于弄的比较完整的设计方案，P3用于过度过程，都是按秒计算的过程。车一开起来两个红灯、绿灯之间几秒钟，比这个长得多，两个红绿灯之间走几分钟，实际上走好几个红绿灯才会停一次。

换档也好、别的切换也好都是几秒钟的事，开车持续的时候是几分钟甚至几十分钟的事，这个电机在效率稍微低一点的时间非常短，只占1%、2%的水平，剩下绝大多数在匀速、巡航状态或者稳态，稳态的设计可以让它不工作，我们可以保证他所有的性能一点不吃亏，但是我们可以把它换成感应电机。成本会降低，光磁钢是五六百块钱的水平，再加上两个电机的扭矩和功率降低不少，这两个电机有可能是一千块钱的降低。

我们大概做了一些价格的评估，我们四档串并联，另外一边是单档的串并联，如果同样的部件双方都有，我们就认为价格是一样的，不计了，我们最后只是在成本增加的地方，挣的是四档的比单档的多的那部分，富的是单档的比多的那部分。

我们对标的因为是一个14式的多篇离合器，需要高压泵、液压这些事，最后我们评估的。我们基本上是轴承都算了，滚针轴承都比较到了，我们是比它机械部分轴尺、轴长这些稍微省一点。而大的这一块儿，我们比较一下左边这个图，他是永磁的还是感应的，扭矩是多大、功率是多大，我们估计这个里面可能是能省下来一千块钱左右。

说起来不太可信，我们这个是四个档位，性能好像那么好，居然比单档的串并联还便宜，零部件一件一件比的。

还有一个扩张，我们是两个电机一个是P2、一个是P3，我们把P3的电机挪到后面去做P4，这个系统仍然是一个非常好的系统。这样来说，前面是双电机后面还有一个电机，我们的前面就是单电机，这个系统会便宜很多，而且仍然是P4电机还是感应电机，所以说这个系统和前面说的那个驱动是共平台的，所有的零部件绝大多数都是共享的。

而P4那个电机不一定单独开发，就是现有的后轮驱动的那套系统用上就好，只要和前面做适当的匹配。

动力性好，燃油经济性好，我们刚才说了换挡的时候有电机交替驱动换挡，换挡平顺性好，剩下那些都是降低成本，最后就是这个平台还是可以开发成四轮驱动的系统。

这就是我要介绍的，谢谢大家。

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