某混动专用箱方案设计及动力性仿真

1、结构方案简介

混动专用箱DHT近年来一直是业内讨论的热门话题，尤其随着近来比亚迪销量的节节攀升，国产混动多年坚持终结硕果。

本文所述某混动专用变速箱，其概念外形图如下：

图1 某DHT概念外形图

该箱采用两个简单行星排，组合成典型的CR-CR结构。所谓CR-CR结构是指两个NGW行星排，其齿圈和行星架相互连接，具体如下剖视图：

图2 某混动专用箱剖面图

两个NGW行星排的太阳轮分别连接两个电机，齿圈作为输出，通过三个外啮合斜齿圆柱齿轮传递到减速行星排的太阳轮，差速器和减速行星排集成为一体。

图3 某DHT的传动链

其中差速器上集成了一个NGW行星排减速器，如图4：

图4 差速器集成减速行星排

上述三个行星排的速比参数如表1：

表1 行星排特性参数

为便于分析，给出图2的结构简图，如下：

图5 某混动专用箱结构简图

2、工作原理分析

2.1、工作模式和动力参数

该DHT有3种纯电前进模式，5种混动模式和一种纯电倒挡模式，具体的换挡逻辑见下表：

表2 DHT模式切换逻辑

注：上表中○表示离合器或制动器打开，●表示离合器或制动器闭合

发动机和电机、电池的性能参数如表3：

表3 动力部件性能参数

2.2、工作模式分析

2.2.1、EV1

EV1模式下，E1和E2共同驱动车辆前进，如图8所示：

图8 EV1模式杠杆模型

根据表3参数，EV1模式下，限于电机转速极限，最高车速仅可达107kph，两电机允许的最大输出扭矩为1065Nm，此时B1所需锁止扭矩为910Nm，最大扭矩对应的最高车速为32kph。

2.2.2、EV2

EV2模式下，由表2模式切换矩阵图，此时B2闭合，其余离合器、制动器打开，E2单独驱动车辆前进，如图9所示：

图9 EV2模式杠杆模型

该模式下，根据电机E2的最高转速，其允许的最高车速为215kph，E2允许的由齿圈输出的最大扭矩为382.5Nm，此时制动器B2需提供的锁止扭矩为127.5Nm，根据该箱选换挡元件的设计，B2的扭矩容量为260Nm，因此能够满足要求。最大扭矩对应的最高车速为60kph，且电池最大放电功率能够满足E2电机的满功率运行。

2.2.3、EV3

EV3模式，所有制动器离合器都打开，该模式下的杠杆模型如图10：

图10 EV3模式杠杆模型

EV3模式下，考虑电机极限转速，此时允许的最高车速为330kph，电机允许的最大扭矩为300Nm，最大扭矩下对应的车速为135kph，电池的最大放电功率不足以支撑两个电机满功率运行。

2.2.4、EV-R

EV-R模式是倒挡，该模式和EV1十分相像，所不同的仅是E1和E2的转速相反，如图11所示：

图11 EV-R模式杠杆模型

该模式下，根据表3计算的最高车速、最大扭矩和EV1一样，不再赘述。

2.2.5、HEV1

当车速达到纯电模式下的上限时，发动机开始介入，车辆进入混动驱动工况。根据表2此时C1和B1闭合，如图12：

图12 HEV1模式杠杆模型

该工况下，B1闭合将R2锁止提供支点，发动机能量通过闭合的C1传递到太阳轮S2上，从而驱动行星架PC2将动力输出。E1空转，E2可以和发动机一起共同驱动车辆，发动机也可以通过S2驱动E2进行充电（电池SOC较低时）。

2.2.6、HEV2

HEV2模式的切换逻辑是B2和C1闭合，其杠杆模型见图13：

图13 HEV2模式杠杆模型

该工况下发动机转速允许的最高车速为130kph，最低车速为24kph，发动机和电机E2所能输出的最大扭矩为772.5Nm，B2所需提供的最大锁止力矩为257.5Nm，C1需提供的最大锁止力矩为260Nm。

2.2.7、HEV3

图14 HEV3模式杠杆模型

HEV3工况时，在PG1行星排上，制动器B2闭合提供支点，发动机能量通过闭合的C0传递到R1输出，同时在PG2行星排上，发动机和E2能量通过R2和S2共同作用在PC2上最终输出，该模式可以看成并联驱动。此时最高车速可达215kph， B2需提供最大80Nm锁止力矩，C0需提供最大260Nm的结合扭矩。

2.2.8、HEV4

HEV4是个直接档，可以认为是发动机直驱（此时E1、E2空转），电机E1和E2也可以辅助助力，如图15：

图15 图13 HEV4模式杠杆模型

该工况下，考虑发动机高效区间，其允许的最高车速为197kph，发动机和电机允许的最大扭矩为615Nm，C0和C1所需提供的结合扭矩均为260Nm。

2.2.9、HEV5

随着车速进一步增高，离合器C1打开，系统进入HEV5模式，如图16：

图16 HEV5模式杠杆模型

该工况是功率分流模式，发动机能量一部分通过行星架PC1直接驱动R1，实现机械路径的能量输出；另一部分驱动太阳轮S1，通过电机E1对电池进行充电，该部分能量用于驱动电机E2，而电机E2又通过太阳轮S2将能量传递到行星架PC2，进而输出到车轮。HEV5模式下发动机和电机转速允许的最高车速到达240kph，C0所需提供的最大结合扭矩同样为260Nm。

2.2.10、各工作模式下转速扭矩图

考虑动力部件的转速以及扭矩极限后，将以上各节讨论的转速和扭矩绘制成图，如下：

图17 转速扭矩特性曲线

3、仿真计算

用于仿真的整车参数如表4:

表4 整车参数

发动机最高转速5500rpm，最大扭矩260Nm，其外特性如下图:

图18 发动机外特性

电机E1的最高转速9500rpm，最大扭矩100Nm，其外特性如图19所示

图19 电机E1外特性

电机E2的最高转速9000rpm，最大扭矩255Nm，其外特性如图20:

图20 电机E2外特性

根据上述动力源外特性，在相关软件中搭建模型，其动力性仿真结果如表5:

表5 车辆动力性仿真结果

4、总结

混合动力变速箱由最初的油改电add-on到现在的混动专用箱DHT，技术在不断的进步，消费者的认知也在不断提高。从技术角度讲，混合动力不应当被仅仅认为是过渡产品，混动的逻辑甚至比纯电更为复杂，就动力模块而言它至少要考虑5大部分，发动机、大电机、小电机、电池、整车需求扭矩。因此混动如果做的很好，那纯电应该是水到渠成的事情。