为落实节能减排目标与“双碳”政策，国家近年来大力推动新能源汽车发展，该类车型实现了快速增长。我国新能源汽车主要包括纯电动汽车、插电式混合动力汽车及增程式混合动力汽车。据乘联会数据，近三年乘用车累计批发量均超2300万辆；2022－2024年，新能源车渗透率从28%提升至45%，2024年销量突破1200万辆。其中，插电式混合动力汽车增长更为迅猛，乘用车市场占有率由4%攀升至15%；增程式混合动力汽车同样保持快速增长，乘用车市场占有率由1%提升至 4%。

混合动力汽车的动力来源有发动机和电动机两种，其基本架构通常分为三类：串联式混合动力、并联式混合动力及混联式混合动力^[1]。 

1）串联式混合动力汽车工作时，发动机直接驱动发电机发电，电能经电机控制器输送至驱动电机，电机再通过减速器驱动车轮。 

2）并联式混合动力汽车配备两套驱动系统，即传统发动机驱动系统与电机驱动系统；两套系统既可协同工作，也可独立运行以驱动车辆。 

3）混联式混合动力系统同样搭载发动机系统与电机驱动系统，电机通常包含发电机和驱动电机；发动机既可实现串联工作模式，也可与驱动电机协同实现并联工作模式^[2]。串联式混合动力汽车就是目前市场上增程式混合动力汽车。插电式混动汽车大部分采用串并联式的混合动力变速器，可实现串联、直驱、并联等多种工作模式。 

插电式混合动力汽车配备混动专用变速器，可实现发动机直接驱动，其燃油经济性优于增程式混合动力汽车。发动机直接驱动的传递效率可达98%，而发动机通过发电机发电、再将电能传输至驱动电机的传递效率仅为 77.4%^[3]，可见发动机直接驱动的效率显著优于串联模式。通过提升电机槽满率、增大有效铜面积、降低直流电阻及功率模块开关损耗，可有效提升电驱效率^[4]。当前市场上的混动变速器分为单挡、2挡、3挡，通过不同挡位设置可实现不同直驱车速，进而提高燃油经济性，但挡位增加会导致变速器结构与控制复杂度上升、成本提高。 

增程式混合动力汽车结构最为简单，其配有发电机和驱动电机，无直驱挡位；混动专用变速器可通过控制策略锁定串联模式，使发动机不进入直驱状态，从而发挥增程器的等效功能。 

2.1 单挡混动变速器  

单挡混动变速器的主要构成部件包括发电机、驱动电机、离合器及 G1 齿轮组（见图 1）。 该变速器可实现纯电、直驱（并联）、串联三种工作模式^[5]。直驱模式的实现方式为：离合器 C1接合，发动机动力经 G1 齿轮组输出，完成发动机直驱；若此时驱动电机同步参与驱动，即可实现并联驱动。单挡混动变速器具有结构简单、控制便捷、成本低廉的特点。

图 1 单挡混动变速器结构图

2.2 2 挡混动变速器  

2 挡混动变速器主要分为行星齿轮结构与同步器结构两类。行星齿轮式2挡混动变速器的主要构成部件包括发电机、驱动电机、1个离合器、1个制动器及行星齿轮组 G1（见图 2）。该变速器可实现纯电、直驱（并联）1 挡、直驱（并联）2 挡、串联四种工作模式。直驱模式的实现方式如下：1）离合器分离，制动器接合并锁定太阳轮，动力经外齿圈传递至行星架输出，完成直驱1挡； 2）离合器接合，制动器解锁太阳轮，太阳轮与外齿圈形成刚性连接，动力由行星架输出，实现直驱 2 挡。 

发动机直驱过程中，若驱动电机同步参与驱动，即可实现并联1挡或并联2挡。同步器式2挡混动变速器相较于图3所示的3挡混动变速器，减少了同步器S2与齿轮组G3。

图 2 2 挡混动变速器结构图

2.3 3 挡混动变速器  

3 挡混动专用变速器的主要构成零件包括发电机、驱动电机、离合器C1、同步器 S1、同步器S2、齿轮组 G1、齿轮组G2、齿轮组G3（见图 3）。该变速器可实现纯电、直驱（并联）1 挡、直驱（并 联）2 挡、直驱（并联）3 挡、串联五种工作模式。

直驱挡位的实现方式如下：1）离合器C1接合，同步器S1接合齿轮组G1输出动力，实现直驱1挡；2）离合器C1接合，同步器S1接合齿轮组G2输出动力，实现直驱2挡；3）离合器C1接合，同步器S2接合齿轮组G3输出动力，实现直驱 3 挡。 

发动机直驱过程中，若驱动电机同步参与驱动，即可实现并联1挡、2挡或3挡。

图 3 3 挡混动变速器结构图

从燃油经济性、动力性、成本及发动机噪声、振动、声振粗糙度（Noise, Vibration, Harshness,  NVH）维度进行对比。根据表 1 计算串联和直驱模式下，各车速在匀速时需求的发动机功率，计算含3kW 的负载功率。串联模式的传递效率比直驱模式低20%；在30～140km/h 等速行驶工况下，串联模式的发动机需求功率比直驱模式高出1～11 kW，如图4所示。

表 1 整车参数表

图 4 等速行驶需求的发动机功率输出功率

3.1 油耗  

设定车速区间：30 km/h≤车速<60km/h为低速区，60km/h≤车速<90 km/h为中速区，90km/h≤车速≤120km/h为高速区，120 km/h<车速≤140km/h为超高速区。结合发动机转速、车轮滚动半径及车速，计算不同速比下的直驱切入车速。单挡混动变速器速比为3.1，直驱切入车速为70km/h；2挡混动变速器1挡速比为3.5，直驱切入车速为50km/h；3挡混动变速器1挡速比为5.1，直驱切入车速为30km/h。

3 挡混动变速器直驱区间最宽，各速度区间等速油耗均最低。相较于3挡混动变速器，增程器在各速度区间的等速平均油耗高0.8～2.49L/100 km； 2挡混动变速器仅在低速区油耗高0.52L/100 km； 单挡混动变速器在低速、中速区油耗分别高0.8L/100km和0.28L/100 km，具体如图5所示。 实际应用中，对比多款车型在全球统一轻型车辆测试循环（Worldwide harmonized Light-duty  vehicle Test Cycle, WLTC）工况下的实际油耗水平，该工况为混合动力汽车的标准测试工况。其中，增程器构型理想L9油耗为7.6L/100 km；单 挡混动变速器构型比亚迪夏油耗为6.5L/100 km； 2 挡行星齿轮式混动变速器构型传祺向往M8油耗为6.15 L/100 km；3 挡混动变速器构型领克08油耗为5.5 L/100 km，测试结果与等速油耗理论分析结论一致。

图 5 平均等速油耗对比

3.2 动力性  

依据表2计算数据，在0－100 km/h加速时间段，3挡混动变速器较单挡快1.5s，2挡较单挡快0.4s；高速超车工况下，在80－100 km/h 加速时间段，3挡混动变速器较单挡快1.3s，2挡较单挡快0.4 s。3 挡混动变速器凭借低车速并联优势，在30 km/h车速下的最大爬坡性能最优。 

表 2 动力性对比

3.3 发动机 

NVH串联模式无换挡转速差，发动机NVH表现优良。单挡混动变速器直驱切入车速为70km/h，对应发动机转速为1535 r/min，通过控制可使串联模式切入直驱时的发动机转速保持一致，实现无 转速差，发动机 NVH 表现与增程器相当。2 挡行星齿轮式混动变速器在 70 km/h 车速下由1挡切换至2挡，发动机转速由1733 r/min 降至 1 535 r/min，换挡转速差达198r/min。单挡与行星齿轮式混动变速器可通过离合器滑摩控制，有效解决模式切换顿挫问题^[6]。3 挡混动变速器在50km/h车速下由1挡切换至2挡，发动机转速由 1840 r/min降至1238r/min，换挡转速差为566r/min；在70km/h车速下由2挡切换至3挡，换挡转速差为198r/min。 2挡、3挡混动变速器换挡时存在发动机转速差， 其NVH表现略逊于单挡混动变速器与增程器。此外，3挡混动变速器换挡过程中，同步器及结合齿均存在转速差，需在齿套接触同步环与结合齿前， 将齿套移动速度控制在合理范围，以降低换挡冲击^[7]；若控制策略不当，易产生换挡顿挫问题，控制难度最高。 

3.4 成本  

单挡混动变速器采用单离合器结构，具有结构简单、成本较低的特点；相较于增程器，其新增1个离合器C1与直驱齿轮组G1的成本，预估为500～1000元。与单挡混动变速器相比，2挡混动变速器新增1套行星齿轮组 G1的成本，预估为1000～1500元；3 挡混动变速器则新增2套挡位齿轮组 G2、G3与2个同步器S1、S2 的成本，预估为1200～1800元。

混动变速器未来将朝着高集成化、高功率密度、高转速方向发展，持续提升功率与效率，并降低成本。现有混动变速器已集成电机、减速器、电机控制器、车载充电器、配电箱及直流转换器，未来还将进一步集成电池管理系统与整车控制器。高度集成化可减小系统体积与重量，提升系统效率。当前电机转速已达20000r/min，部分车企已发布转速达30000r/min 的纯电车超高速电机，混动变速器电机转速未来将进一步提升。提升电机转速能够提高功率密度，减小电机尺寸与重量。此外，碳化硅与非晶定子铁芯技术的应用可提升电驱系统功率。非晶合金用于电机定子铁芯，能大幅降低电机损耗、提升电机效率，其损耗不足硅钢的 10%。国外学者研发的新型非晶合金电机，在 20000 r/min 额定转速、11kW 额定功率下效率可达98.3%^[8]。碳化硅材料具备高耐压、高频率、低导通电阻等优势，采用该材料制作电 机功率器件可降低功率损耗，进而提升电机系统效率与性能^[9]。 

本文通过对比增程器及单档、2档、3档混动专用变速器的结构，并针对不同档位变速器搭载于同一车型的燃油经济性、动力性能、发动机NVH及成本开展对比分析。增程器具备发动NVH表现优良、成本低廉的优势，但存在燃油经济性欠佳的短板；通过增加动力电池电量可弱化该问题，因此适合长纯电续航里程的混合动力汽车。单档混合动力汽车综合性能最为均衡，适用于不同纯 电续航里程的混合动力汽车。2档与3档混动变速 器燃油经济性表现较优，在短纯电续航里程混合动力汽车中更易发挥此优势；而在长纯电续航里程混合动力汽车中，用户以纯电行驶为主，此类变速器的优势较难体现，其成本偏高的劣势还会增加整车成本。3档变速器速比更大，并联模式下可输出更强轮端扭矩，这一点对于高性能混合动力汽车同样至关重要。后续可结合车型定位开展混动专用变速器平台规划，具有一定参考意义。