一、E-CVT的概念、結(jié)構(gòu)和工作原理

乍一看E-CVT，可能大家都會(huì)很自然的想到CVT，也就是無級(jí)變速器。從功能上來講，E-CVT確實(shí)有無級(jí)變速的作用，但是從結(jié)構(gòu)上來講的話，它們之間的差異太大了。甚至可以這樣說：變速器分兩類，一類是E-CVT，一類是其他變速器。

圖1 E-CVT并不是CVT

自1997年日本豐田汽車公司推出第一代雙電機(jī)混合動(dòng)力系統(tǒng)的普銳斯以后，其新穎的構(gòu)思、不俗的動(dòng)力、超低的油耗、優(yōu)越的駕駛感受引起了世界同行的關(guān)注， 同時(shí)也掀起了汽車行業(yè)開發(fā)雙電機(jī)混合動(dòng)力汽車的浪潮。之后，通用 Volt、本田 i-MMD、上汽 EDU 等雙電機(jī)混動(dòng)系統(tǒng)相繼問世， 本文就市場(chǎng)上幾款主流E-CVT動(dòng)力分流（Power-Split）混動(dòng)系統(tǒng)做簡(jiǎn)要的統(tǒng)計(jì)對(duì)比及優(yōu)缺點(diǎn)分析。

圖2 CVT無極變速器

目前全球范圍內(nèi)乘用車最主流的混動(dòng)系統(tǒng)主要有：?jiǎn)坞姍C(jī)并聯(lián)、雙電機(jī)串并聯(lián)（混聯(lián)）、以及動(dòng)力分流三種混動(dòng)結(jié)構(gòu)。

歐洲廠商相對(duì)更傾向使用單電機(jī)并聯(lián)的混動(dòng)結(jié)構(gòu)。按照電機(jī)在整個(gè)傳動(dòng)系中不同的布置位置，又可以分為P0/P1/P2/P3/P4等結(jié)構(gòu)。例如德國(guó)大眾GOLF GTE(DQ400E)將電機(jī)和電機(jī)離合器布置于發(fā)動(dòng)機(jī)與變速器之間，稱為 P2的結(jié)構(gòu)，國(guó)內(nèi)車企長(zhǎng)安汽車目前大力發(fā)展的也是類似結(jié)構(gòu)，即DCT+P2電機(jī)的結(jié)構(gòu)；另外國(guó)內(nèi)市場(chǎng)熱銷的比亞迪秦將電機(jī)布置在差速器前，稱為P3結(jié)構(gòu)；比亞迪唐在秦的基礎(chǔ)上，在后橋上又增加了一個(gè)電機(jī)，形成了P3+P4的雙電機(jī)并聯(lián)結(jié)構(gòu)，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)電四驅(qū)功能， P4結(jié)構(gòu)需要說明除了在混動(dòng)車型中可以使用，純電車型也是同樣的設(shè)計(jì)，通過P4結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)純電EV的電四驅(qū)功能。

此外，熱門的48V弱混系統(tǒng)大都是將單電機(jī)布置在原來發(fā)電機(jī)的位置，即為P0結(jié)構(gòu)。

上海汽車的榮威E550，三菱歐藍(lán)德PHEV以及本田的I-MMD混動(dòng)系統(tǒng)采用的都是雙電機(jī)混聯(lián)結(jié)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)串聯(lián)、并聯(lián)、發(fā)動(dòng)機(jī)直驅(qū)等混動(dòng)模式。

在美日混動(dòng)乘用車市場(chǎng)占據(jù)絕對(duì)主力的混動(dòng)結(jié)構(gòu)則是以豐田 THS（TOYOTA Hybrid System）以及通用Voltech為代表的E-CVT動(dòng)力分流（Power-Split）混動(dòng)系統(tǒng)。

圖3  單電機(jī)并聯(lián)結(jié)構(gòu)

單電機(jī)并聯(lián)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介如下：

 P0=Belt drive Starter Generator (BSG)皮帶驅(qū)動(dòng)BSG電機(jī)

 P1=Crankshaft mounted E-machine (CSG/ISG)與發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸相聯(lián)，K0離合器前

 P2=E-machine on the gear input變速器的輸入端，K0離合器后

 P3=E-machine on the gear output變速器的輸出端

 P4=Alxe Drive后軸驅(qū)動(dòng)

 K0=Clutch (separation)

 K1=Clutch (start-up)

二、目前市場(chǎng)上各ECVT設(shè)計(jì)構(gòu)型及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

2.1 THS（TOYOTA Hybrid System）混動(dòng)系統(tǒng)

THS 1/2代混動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成如圖4所示，由一臺(tái)阿特金森發(fā)動(dòng)機(jī)（ICE）、兩個(gè)電機(jī)（EM1，EM2）以及一個(gè)簡(jiǎn)單行星輪組成。ICE與行星架（C）連接，EM1與太陽輪（S）連接，EM2與齒圈（R）連接并與差速器連接以輸出動(dòng)力。該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)純電（EV Mode）及動(dòng)力分流（Power-Split Mode）兩種行駛模式。

純電模式（EV Mode）

純電模式下，ICE處于停機(jī)狀態(tài)（鎖止），EM2 通過齒圈直接驅(qū)動(dòng)車輛行駛，此時(shí)EM1由于簡(jiǎn)單行星輪的運(yùn)動(dòng)關(guān)系處于反向空轉(zhuǎn)的狀態(tài)。

動(dòng)力分流模式（Power-Split Mode）

動(dòng)力分流模式下，ICE處于運(yùn)行狀態(tài)將功率通過行星架輸入到行星輪系中，EM1處于負(fù)功率的發(fā)電狀態(tài)，EM2處于輸出功率的狀態(tài)。

圖4 THS（TOYOTA Hybrid System）結(jié)構(gòu)原理圖

為了彌補(bǔ)純電模式下的最高車速較低這一系統(tǒng)限值，豐田在新一代的 THS系統(tǒng)中增加了一組簡(jiǎn)單行星輪作為減速機(jī)構(gòu)，第2組簡(jiǎn)單行星輪的加入一方面可以解決EM1在純電模式下空轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速高的問題，對(duì)于PHEV的意義更大，另一方面可以降低系統(tǒng)對(duì)于EM2的功率扭矩要求。

優(yōu)缺點(diǎn)分析：豐田THS 1/2代混動(dòng)系統(tǒng)由一個(gè)簡(jiǎn)單行星輪組成，無需離合器，機(jī)械結(jié)構(gòu)極其簡(jiǎn)單，因此材料和制造成本方面優(yōu)勢(shì)明顯。但其硬件結(jié)構(gòu)決定了只能實(shí)現(xiàn)單分流混動(dòng)模式。

2.2 本田I-MMD系統(tǒng)

本田雅閣i-MMD（Intelligent Multi-Mode Drive）系統(tǒng)技術(shù)方案結(jié)構(gòu)如圖5所示，其動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)主要包括2.0L發(fā)動(dòng)機(jī)、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、發(fā)電機(jī)、離合器以及傳動(dòng)機(jī)構(gòu)等。其中，驅(qū)動(dòng)電機(jī)、發(fā)電機(jī)以及離合器集成形成了電動(dòng)耦合 e-CVT，取代了傳統(tǒng)的變速箱，發(fā)電機(jī)始終與發(fā)動(dòng)機(jī)相連，主要用于發(fā)電，驅(qū)動(dòng)電機(jī)與驅(qū)動(dòng)車輪相連，主要用于驅(qū)動(dòng)車輛行駛，在制動(dòng)的時(shí)候，電機(jī)可以回收能量對(duì)電池進(jìn)行充電。本田 i-MMD 系統(tǒng)雖然結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但可實(shí)現(xiàn)“怠速發(fā)電、EV行駛、串聯(lián)驅(qū)動(dòng)、并聯(lián)驅(qū)動(dòng)、發(fā)動(dòng)機(jī)直驅(qū)、制動(dòng)能量回收”等混合動(dòng)力系統(tǒng)的所有功能模式。

圖5 I-MMD系統(tǒng)技術(shù)方案結(jié)構(gòu)圖示

純電動(dòng)模式驅(qū)動(dòng)

在這種模式下，發(fā)動(dòng)機(jī)不工作，動(dòng)力分離裝置離合器斷開，驅(qū)動(dòng)車輛行駛的能量直接來源于動(dòng)力電池，動(dòng)力電池儲(chǔ)存的電能經(jīng)由逆變器提供給驅(qū)動(dòng)電機(jī)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)車輛前進(jìn)或者后退。在車輛制動(dòng)時(shí)，所產(chǎn)生的能量將被回收充入動(dòng)力電池內(nèi)進(jìn)行儲(chǔ)存。

混合動(dòng)力模式驅(qū)動(dòng)

在這種模式下，仍由驅(qū)動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)車輪，雖然發(fā)動(dòng)機(jī)工作但動(dòng)力分離裝置離合器斷開，發(fā)動(dòng)機(jī)只負(fù)責(zé)發(fā)電，不直接參與驅(qū)動(dòng)，發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行在能發(fā)揮最高效率的轉(zhuǎn)速區(qū)間內(nèi)，通過發(fā)電機(jī)向驅(qū)動(dòng)電機(jī)輸送電能，產(chǎn)生足夠多的電能可以為動(dòng)力電池充電。車輛需要急加速時(shí)，動(dòng)力電池可以輸出額外的電能給驅(qū)動(dòng)電機(jī)，使驅(qū)動(dòng)電機(jī)瞬時(shí)產(chǎn)生大扭矩輸出。在車輛減速制動(dòng)時(shí)，可為動(dòng)力電池提供額外的能量回收。

發(fā)動(dòng)機(jī)直驅(qū)模式驅(qū)動(dòng)

在此模式下，發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)動(dòng)力分離裝置離合器處于閉合狀態(tài)，駕駛員直接控制油門，發(fā)動(dòng)機(jī)輸出扭矩，并通過傳動(dòng)機(jī)構(gòu)將動(dòng)力直接傳遞給車輪。動(dòng)力電池一般情況下處于待機(jī)狀態(tài)，為了在加速時(shí)候提供更大的動(dòng)力，在需要大扭矩輸出的時(shí)候可提供電能給驅(qū)動(dòng)電機(jī)，讓驅(qū)動(dòng)電機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)共同驅(qū)動(dòng)車輛。

優(yōu)缺點(diǎn)分析：從整個(gè)系統(tǒng)的燃油經(jīng)濟(jì)性上來講，在不同的工況下，采用合適的模式控制，使得發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行在最小有效燃油消耗率曲線上，通過三種模式之間的合理切換，可提高從發(fā)動(dòng)機(jī)到驅(qū)動(dòng)軸之間的能量傳輸效率。在整車性能需求（動(dòng)力性、最高車速）不變的情況下，兩擋變速器與一擋變速器相比，可降低整車性能對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的最大扭矩和最高轉(zhuǎn)速的需求，收窄電機(jī)工作區(qū)域，使其更大程度的工作在高效區(qū)，本田 i-MMD 驅(qū)動(dòng)電機(jī)只有一擋，在能效發(fā)揮上會(huì)受到一定限制。另外，在動(dòng)力中斷方面，本田 i-MMD 發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)各只有一擋，只要控制好純電行駛和發(fā)動(dòng)機(jī)介入的模式切換過程，就不會(huì)有換擋頓挫。

2.3 通用沃蘭達(dá)Voltech 2代混動(dòng)系統(tǒng)

通用汽車在全新一代沃蘭達(dá)Volt上使用了Voltech 2代混動(dòng)變速器。其結(jié)構(gòu)如圖6所示，由一臺(tái)75KW發(fā)動(dòng)機(jī)、兩個(gè)電機(jī)（EM1，EM2）、一個(gè)單向離合器、兩組多片式離合器組成?？梢詫?shí)現(xiàn)以下5種行駛模式，其中模式3為單分流模式，模式5為復(fù)合分流模式：

單電機(jī)純電模式(Single-EM EV Mode）；

雙電機(jī)純電模式（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）。

圖6 通用沃蘭達(dá)Voltech 2代混動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖

單電機(jī)純電模式（Single-EM EV Mode）：

單電機(jī)純電模式下，ICE處于熄火狀態(tài)，離合器2接合使得簡(jiǎn)單行星輪2的齒圈固定，EM2輸出動(dòng)力到行星輪2的太陽輪，最終由行星輪2的行星架將動(dòng)力輸出至差速器驅(qū)動(dòng)車輛。

雙電機(jī)純電模式（Twin-EM EV Mode）：

在單電機(jī)純電模式的基礎(chǔ)上，雙電機(jī)模式下EM1也同時(shí)參與驅(qū)動(dòng)，其與行星輪1的太陽輪連接，行星輪1的齒圈由于單向離合器的作用而被固定，EM1的動(dòng)力由行星輪1的行星架輸出到差速器共同參與驅(qū)動(dòng)車輛。

低增程模式（Low Extended Range Mode）：

低增程模式與豐田 THS的動(dòng)力分流模式類似，為一種單分流模式。此時(shí)ICE運(yùn)行輸出功率到簡(jiǎn)單行星輪1的齒圈，一部分功率驅(qū)動(dòng)EM1進(jìn)行發(fā)電，其余功率通過行星輪1的行星架輸出到差速器參與驅(qū)動(dòng)車輛；EM2輸出正功率，通過行星輪2的行星架輸出共同驅(qū)動(dòng)車輛。

定速比增程模式 （Fixed Ratio Extended Mode）：

此模式下兩個(gè)離合器都接合，電機(jī)1、行星輪1的太陽輪、行星輪2的齒圈都被固定，ICE動(dòng)力輸入到行星輪1的齒圈，通過行星架2輸出動(dòng)力到車輪，此時(shí) EM2可以輸出功率，也可以發(fā)電。但是從發(fā)動(dòng)機(jī)到車輪的速比是固定不變的。

優(yōu)缺點(diǎn)分析：通用 Voltech 2 代由兩個(gè)簡(jiǎn)單行星輪組成，同時(shí)還需要1個(gè)單向離合器和2組多片式離合器進(jìn)行控制，機(jī)械結(jié)構(gòu)上相對(duì)復(fù)雜了不少，對(duì)于變速器布置設(shè)計(jì)和制造都提出了更高的要求，因此制造成本上無疑更高，同時(shí)控制和標(biāo)定也會(huì)更加復(fù)雜。但其復(fù)雜的機(jī)械結(jié)構(gòu)帶來了單分流和復(fù)合分流兩種混動(dòng)模式，使得其速比范圍可以做得更大，同時(shí)在復(fù)合分流模式下具有更高的混動(dòng)效率。

2.4 福特HF混動(dòng)系統(tǒng)

福特混合動(dòng)力系統(tǒng)在整車中的搭載關(guān)系如下圖7所示，混動(dòng)系統(tǒng)包括MG1和MG2兩個(gè)電機(jī)，一個(gè)發(fā)電機(jī)，一個(gè)電動(dòng)機(jī)。ISC分開裝配，主要實(shí)現(xiàn)把HV電池的直流轉(zhuǎn)為交流來驅(qū)動(dòng)交流電機(jī)，同時(shí)包含動(dòng)力控制模塊功能。

兩個(gè)電機(jī)的主要結(jié)構(gòu)特點(diǎn)如下：

MG1和MG2：交流永磁同步電機(jī)（無電刷、效率高、轉(zhuǎn)速范圍寬、功率密度高）；

MG1主要用于啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)、對(duì)高壓電池充電、當(dāng)MG2工作時(shí)為其提供電力；

MG2主要用于在低速時(shí)提供牽引力、在高速時(shí)又可以補(bǔ)充動(dòng)力、制動(dòng)時(shí)能量回收儲(chǔ)存電能；

圖7 混動(dòng)系統(tǒng)主體架構(gòu)

純電驅(qū)動(dòng) Electric Drive

在動(dòng)力電池電量充足且功率需求較小 (如輕加速或穩(wěn)定車速時(shí))時(shí)，采用純電驅(qū)動(dòng)工作模式。

啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī) kick on engine

高壓電池提供電能驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)，發(fā)電機(jī)通過行星齒輪機(jī)構(gòu)拖動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，此時(shí)發(fā)電機(jī)充當(dāng)啟動(dòng)電機(jī)的功能。

混合驅(qū)動(dòng) Hybrid Drive

在功率需求較大時(shí)，采用混合驅(qū)動(dòng)工作模式。

電力助力混合驅(qū)動(dòng) Electric Boost

在混合驅(qū)動(dòng)工作模式下，當(dāng)有額外的功率需求時(shí)，高壓電池給電機(jī)提供額外的電力補(bǔ)償。

駐車充電 Idle Charging

在踩下制動(dòng)踏板或松開加速踏板時(shí)。發(fā)動(dòng)機(jī)停止噴油，電動(dòng)機(jī)MG2工作于發(fā)電機(jī)模式，將動(dòng)能轉(zhuǎn)化成電能向電池充電，以備后用。

再生制動(dòng) Regeneration

在踩下制動(dòng)踏板或松開加速踏板時(shí)。發(fā)動(dòng)機(jī)停止噴油，電動(dòng)機(jī)MG2工作于發(fā)電機(jī)模式，將動(dòng)能轉(zhuǎn)化成電能向電池充電，以備后用。

優(yōu)缺點(diǎn)分析：福特HF混動(dòng)系統(tǒng)由一個(gè)簡(jiǎn)單的行星齒輪機(jī)構(gòu)組成，同樣也是無需離合器，機(jī)械結(jié)構(gòu)極其簡(jiǎn)單，行星齒輪機(jī)構(gòu)因?yàn)楦Ｌ乇旧砭邆銩T變速器的設(shè)計(jì)開發(fā)能力，所以行星齒輪機(jī)構(gòu)自然不在話下，材料和制造成本方面同樣也是優(yōu)勢(shì)明顯。福特一代的HF混動(dòng)變速器是二合一，即雙電機(jī)加行星齒輪機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)動(dòng)力分流，二代HF混動(dòng)系統(tǒng)則實(shí)現(xiàn)了三合一設(shè)計(jì)，即雙電機(jī)、ISC以及行星齒輪機(jī)構(gòu)公用殼體，實(shí)現(xiàn)了成本的最大化節(jié)約，具有很大的成本優(yōu)勢(shì)，目前主要搭載在蒙迪歐混動(dòng)車型以及將來量產(chǎn)的系列化以及平臺(tái)化的混動(dòng)車型中，零部件基本通用，可以最大化的實(shí)現(xiàn)成本節(jié)約。

三、E-CVT在未來市場(chǎng)中的發(fā)展趨勢(shì)和潛力分析

變速箱的出現(xiàn)就是為了應(yīng)對(duì)各種復(fù)雜的工況下的不同動(dòng)力需求而誕生的，在自動(dòng)變速箱出現(xiàn)之前，駕駛員需要自己判斷路況和車況來及時(shí)進(jìn)行加減擋。這種方式的優(yōu)點(diǎn)是駕駛操作感強(qiáng)，畢竟經(jīng)驗(yàn)豐富的車手比ECU更加懂得車子需要什么樣的動(dòng)力。另外，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單易維護(hù)體積小等優(yōu)點(diǎn)也使得手動(dòng)擋的汽車無論在何時(shí)都會(huì)擁有大批的粉絲。

圖8 常規(guī)變速器換擋曲線

圖9 E-CVT各工況下驅(qū)動(dòng)情況

自動(dòng)變速箱的出現(xiàn)其實(shí)很早，但是真正大規(guī)模的應(yīng)用是在1980年代，也是搭乘了電子技術(shù)飛速發(fā)展的便車。因?yàn)樽詣?dòng)變速不難，難在如何更加精準(zhǔn)的自動(dòng)變速。在機(jī)械時(shí)代顯然技術(shù)難以達(dá)到，但是如今越來越聰明的ECU使得自動(dòng)變速箱也變得越來越能領(lǐng)會(huì)你的駕駛意圖。但是即便是如此，自動(dòng)變速箱仍有缺陷：存在換擋間隙，即便是DCT也不能實(shí)現(xiàn)真正的“無級(jí)變速”。

至于本文的主角E-CVT可以說達(dá)到了變速箱領(lǐng)域機(jī)電技術(shù)的融合巔峰，首先它的邏輯控制系統(tǒng)十分的復(fù)雜。另外它能夠有效的彌補(bǔ)傳統(tǒng)無級(jí)變速箱的短板（傳動(dòng)功率?。狭舜蠊β?、反應(yīng)快、無級(jí)變速、傳動(dòng)效率極高等優(yōu)點(diǎn)于一身。但是它也有缺點(diǎn)：支持系統(tǒng)太復(fù)雜了，我們知道任何系統(tǒng)一旦過于復(fù)雜，出問題的概率便成倍提升。

對(duì)于E-CVT做個(gè)簡(jiǎn)單總結(jié)：很平順、極其平順、傳動(dòng)效率很高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小。

回到篇首那個(gè)關(guān)于E-CVT是不是變速器的問題，如果不是需要其他動(dòng)力源來配合使用，恐怕E-CVT技術(shù)早就一統(tǒng)變速箱領(lǐng)域了。也正是由于這個(gè)“致命”的缺陷，使得其簡(jiǎn)直是為混動(dòng)車型量身定做的。

寫這篇解析也并不是完全為了科普，更多的是希望大家能夠多多了解這種有點(diǎn)異類且不為世人所知的變速器結(jié)構(gòu)和它的思路。因?yàn)槲覉?jiān)信：在純電動(dòng)汽車價(jià)格沒有下探至平民價(jià)、在電池瓶頸沒有突破之前，在純電動(dòng)汽車?yán)锍探箲]問題沒有得到完全解決前，E-CVT將會(huì)扮演很重要的角色，未來可期！