电驱动无级变速器ECVT前景分析

一、E-CVT的概念、结构和工作原理

乍一看E-CVT，可能大家都会很自然的想到CVT，也就是无级变速器。从功能上来讲，E-CVT确实有无级变速的作用，但是从结构上来讲的话，它们之间的差异太大了。甚至可以这样说：变速器分两类，一类是E-CVT，一类是其他变速器。

图1 E-CVT并不是CVT

自1997年日本丰田汽车公司推出第一代双电机混合动力系统的普锐斯以后，其新颖的构思、不俗的动力、超低的油耗、优越的驾驶感受引起了世界同行的关注， 同时也掀起了汽车行业开发双电机混合动力汽车的浪潮。之后，通用 Volt、本田 i-MMD、上汽 EDU 等双电机混动系统相继问世， 本文就市场上几款主流E-CVT动力分流（Power-Split）混动系统做简要的统计对比及优缺点分析。

图2 CVT无极变速器

目前全球范围内乘用车最主流的混动系统主要有：单电机并联、双电机串并联（混联）、以及动力分流三种混动结构。

欧洲厂商相对更倾向使用单电机并联的混动结构。按照电机在整个传动系中不同的布置位置，又可以分为P0/P1/P2/P3/P4等结构。例如德国大众GOLF GTE(DQ400E)将电机和电机离合器布置于发动机与变速器之间，称为 P2的结构，国内车企长安汽车目前大力发展的也是类似结构，即DCT+P2电机的结构；另外国内市场热销的比亚迪秦将电机布置在差速器前，称为P3结构；比亚迪唐在秦的基础上，在后桥上又增加了一个电机，形成了P3+P4的双电机并联结构，同时可以实现电四驱功能， P4结构需要说明除了在混动车型中可以使用，纯电车型也是同样的设计，通过P4结构实现纯电EV的电四驱功能。

此外，热门的48V弱混系统大都是将单电机布置在原来发电机的位置，即为P0结构。

上海汽车的荣威E550，三菱欧蓝德PHEV以及本田的I-MMD混动系统采用的都是双电机混联结构，可以实现串联、并联、发动机直驱等混动模式。

在美日混动乘用车市场占据绝对主力的混动结构则是以丰田 THS（TOYOTA Hybrid System）以及通用Voltech为代表的E-CVT动力分流（Power-Split）混动系统。

图3  单电机并联结构

单电机并联结构简介如下：

 P0=Belt drive Starter Generator (BSG)皮带驱动BSG电机

 P1=Crankshaft mounted E-machine (CSG/ISG)与发动机曲轴相联，K0离合器前

 P2=E-machine on the gear input变速器的输入端，K0离合器后

 P3=E-machine on the gear output变速器的输出端

 P4=Alxe Drive后轴驱动

 K0=Clutch (separation)

 K1=Clutch (start-up)

二、目前市场上各ECVT设计构型及结构特点

2.1 THS（TOYOTA Hybrid System）混动系统

THS 1/2代混动系统的结构组成如图4所示，由一台阿特金森发动机（ICE）、两个电机（EM1，EM2）以及一个简单行星轮组成。ICE与行星架（C）连接，EM1与太阳轮（S）连接，EM2与齿圈（R）连接并与差速器连接以输出动力。该系统可以实现纯电（EV Mode）及动力分流（Power-Split Mode）两种行驶模式。

纯电模式（EV Mode）

纯电模式下，ICE处于停机状态（锁止），EM2 通过齿圈直接驱动车辆行驶，此时EM1由于简单行星轮的运动关系处于反向空转的状态。

动力分流模式（Power-Split Mode）

动力分流模式下，ICE处于运行状态将功率通过行星架输入到行星轮系中，EM1处于负功率的发电状态，EM2处于输出功率的状态。

图4 THS（TOYOTA Hybrid System）结构原理图

为了弥补纯电模式下的最高车速较低这一系统限值，丰田在新一代的 THS系统中增加了一组简单行星轮作为减速机构，第2组简单行星轮的加入一方面可以解决EM1在纯电模式下空转转速高的问题，对于PHEV的意义更大，另一方面可以降低系统对于EM2的功率扭矩要求。

优缺点分析：丰田THS 1/2代混动系统由一个简单行星轮组成，无需离合器，机械结构极其简单，因此材料和制造成本方面优势明显。但其硬件结构决定了只能实现单分流混动模式。

2.2 本田I-MMD系统

本田雅阁i-MMD（Intelligent Multi-Mode Drive）系统技术方案结构如图5所示，其动力驱动系统主要包括2.0L发动机、驱动电机、发电机、离合器以及传动机构等。其中，驱动电机、发电机以及离合器集成形成了电动耦合 e-CVT，取代了传统的变速箱，发电机始终与发动机相连，主要用于发电，驱动电机与驱动车轮相连，主要用于驱动车辆行驶，在制动的时候，电机可以回收能量对电池进行充电。本田 i-MMD 系统虽然结构简单，但可实现“怠速发电、EV行驶、串联驱动、并联驱动、发动机直驱、制动能量回收”等混合动力系统的所有功能模式。

图5 I-MMD系统技术方案结构图示

纯电动模式驱动

在这种模式下，发动机不工作，动力分离装置离合器断开，驱动车辆行驶的能量直接来源于动力电池，动力电池储存的电能经由逆变器提供给驱动电机，驱动电机驱动车辆前进或者后退。在车辆制动时，所产生的能量将被回收充入动力电池内进行储存。

混合动力模式驱动

在这种模式下，仍由驱动电机驱动车轮，虽然发动机工作但动力分离装置离合器断开，发动机只负责发电，不直接参与驱动，发动机运行在能发挥最高效率的转速区间内，通过发电机向驱动电机输送电能，产生足够多的电能可以为动力电池充电。车辆需要急加速时，动力电池可以输出额外的电能给驱动电机，使驱动电机瞬时产生大扭矩输出。在车辆减速制动时，可为动力电池提供额外的能量回收。

发动机直驱模式驱动

在此模式下，发动机工作时动力分离装置离合器处于闭合状态，驾驶员直接控制油门，发动机输出扭矩，并通过传动机构将动力直接传递给车轮。动力电池一般情况下处于待机状态，为了在加速时候提供更大的动力，在需要大扭矩输出的时候可提供电能给驱动电机，让驱动电机和发动机共同驱动车辆。

优缺点分析：从整个系统的燃油经济性上来讲，在不同的工况下，采用合适的模式控制，使得发动机运行在最小有效燃油消耗率曲线上，通过三种模式之间的合理切换，可提高从发动机到驱动轴之间的能量传输效率。在整车性能需求（动力性、最高车速）不变的情况下，两挡变速器与一挡变速器相比，可降低整车性能对驱动电机的最大扭矩和最高转速的需求，收窄电机工作区域，使其更大程度的工作在高效区，本田 i-MMD 驱动电机只有一挡，在能效发挥上会受到一定限制。另外，在动力中断方面，本田 i-MMD 发动机和电机各只有一挡，只要控制好纯电行驶和发动机介入的模式切换过程，就不会有换挡顿挫。

2.3 通用沃兰达Voltech 2代混动系统

通用汽车在全新一代沃兰达Volt上使用了Voltech 2代混动变速器。其结构如图6所示，由一台75KW发动机、两个电机（EM1，EM2）、一个单向离合器、两组多片式离合器组成。可以实现以下5种行驶模式，其中模式3为单分流模式，模式5为复合分流模式：

单电机纯电模式(Single-EM EV Mode）；

双电机纯电模式（Twin-EM EVMode）；

低增程模式（Low Extended Range Mode）；

定速比增程模式 (Fixed Ratio Extended Mode）；

高增程模式(High Extended Range Mode）。

图6 通用沃兰达Voltech 2代混动系统结构原理图

单电机纯电模式（Single-EM EV Mode）：

单电机纯电模式下，ICE处于熄火状态，离合器2接合使得简单行星轮2的齿圈固定，EM2输出动力到行星轮2的太阳轮，最终由行星轮2的行星架将动力输出至差速器驱动车辆。

双电机纯电模式（Twin-EM EV Mode）：

在单电机纯电模式的基础上，双电机模式下EM1也同时参与驱动，其与行星轮1的太阳轮连接，行星轮1的齿圈由于单向离合器的作用而被固定，EM1的动力由行星轮1的行星架输出到差速器共同参与驱动车辆。

低增程模式（Low Extended Range Mode）：

低增程模式与丰田 THS的动力分流模式类似，为一种单分流模式。此时ICE运行输出功率到简单行星轮1的齿圈，一部分功率驱动EM1进行发电，其余功率通过行星轮1的行星架输出到差速器参与驱动车辆；EM2输出正功率，通过行星轮2的行星架输出共同驱动车辆。

定速比增程模式 （Fixed Ratio Extended Mode）：

此模式下两个离合器都接合，电机1、行星轮1的太阳轮、行星轮2的齿圈都被固定，ICE动力输入到行星轮1的齿圈，通过行星架2输出动力到车轮，此时 EM2可以输出功率，也可以发电。但是从发动机到车轮的速比是固定不变的。

优缺点分析：通用 Voltech 2 代由两个简单行星轮组成，同时还需要1个单向离合器和2组多片式离合器进行控制，机械结构上相对复杂了不少，对于变速器布置设计和制造都提出了更高的要求，因此制造成本上无疑更高，同时控制和标定也会更加复杂。但其复杂的机械结构带来了单分流和复合分流两种混动模式，使得其速比范围可以做得更大，同时在复合分流模式下具有更高的混动效率。

2.4 福特HF混动系统

福特混合动力系统在整车中的搭载关系如下图7所示，混动系统包括MG1和MG2两个电机，一个发电机，一个电动机。ISC分开装配，主要实现把HV电池的直流转为交流来驱动交流电机，同时包含动力控制模块功能。

两个电机的主要结构特点如下：

MG1和MG2：交流永磁同步电机（无电刷、效率高、转速范围宽、功率密度高）；

MG1主要用于启动发动机、对高压电池充电、当MG2工作时为其提供电力；

MG2主要用于在低速时提供牵引力、在高速时又可以补充动力、制动时能量回收储存电能；

图7 混动系统主体架构

纯电驱动 Electric Drive

在动力电池电量充足且功率需求较小 (如轻加速或稳定车速时)时，采用纯电驱动工作模式。

启动发动机 kick on engine

高压电池提供电能驱动发电机，发电机通过行星齿轮机构拖动发动机，此时发电机充当启动电机的功能。

混合驱动 Hybrid Drive

在功率需求较大时，采用混合驱动工作模式。

电力助力混合驱动 Electric Boost

在混合驱动工作模式下，当有额外的功率需求时，高压电池给电机提供额外的电力补偿。

驻车充电 Idle Charging

在踩下制动踏板或松开加速踏板时。发动机停止喷油，电动机MG2工作于发电机模式，将动能转化成电能向电池充电，以备后用。

再生制动 Regeneration

在踩下制动踏板或松开加速踏板时。发动机停止喷油，电动机MG2工作于发电机模式，将动能转化成电能向电池充电，以备后用。

优缺点分析：福特HF混动系统由一个简单的行星齿轮机构组成，同样也是无需离合器，机械结构极其简单，行星齿轮机构因为福特本身具备AT变速器的设计开发能力，所以行星齿轮机构自然不在话下，材料和制造成本方面同样也是优势明显。福特一代的HF混动变速器是二合一，即双电机加行星齿轮机构实现动力分流，二代HF混动系统则实现了三合一设计，即双电机、ISC以及行星齿轮机构公用壳体，实现了成本的最大化节约，具有很大的成本优势，目前主要搭载在蒙迪欧混动车型以及将来量产的系列化以及平台化的混动车型中，零部件基本通用，可以最大化的实现成本节约。

三、E-CVT在未来市场中的发展趋势和潜力分析

变速箱的出现就是为了应对各种复杂的工况下的不同动力需求而诞生的，在自动变速箱出现之前，驾驶员需要自己判断路况和车况来及时进行加减挡。这种方式的优点是驾驶操作感强，毕竟经验丰富的车手比ECU更加懂得车子需要什么样的动力。另外，结构简单易维护体积小等优点也使得手动挡的汽车无论在何时都会拥有大批的粉丝。

图8 常规变速器换挡曲线

图9 E-CVT各工况下驱动情况

自动变速箱的出现其实很早，但是真正大规模的应用是在1980年代，也是搭乘了电子技术飞速发展的便车。因为自动变速不难，难在如何更加精准的自动变速。在机械时代显然技术难以达到，但是如今越来越聪明的ECU使得自动变速箱也变得越来越能领会你的驾驶意图。但是即便是如此，自动变速箱仍有缺陷：存在换挡间隙，即便是DCT也不能实现真正的“无级变速”。

至于本文的主角E-CVT可以说达到了变速箱领域机电技术的融合巅峰，首先它的逻辑控制系统十分的复杂。另外它能够有效的弥补传统无级变速箱的短板（传动功率小），它集合了大功率、反应快、无级变速、传动效率极高等优点于一身。但是它也有缺点：支持系统太复杂了，我们知道任何系统一旦过于复杂，出问题的概率便成倍提升。

对于E-CVT做个简单总结：很平顺、极其平顺、传动效率很高、结构简单、体积小。

回到篇首那个关于E-CVT是不是变速器的问题，如果不是需要其他动力源来配合使用，恐怕E-CVT技术早就一统变速箱领域了。也正是由于这个“致命”的缺陷，使得其简直是为混动车型量身定做的。

写这篇解析也并不是完全为了科普，更多的是希望大家能够多多了解这种有点异类且不为世人所知的变速器结构和它的思路。因为我坚信：在纯电动汽车价格没有下探至平民价、在电池瓶颈没有突破之前，在纯电动汽车里程焦虑问题没有得到完全解决前，E-CVT将会扮演很重要的角色，未来可期！