一文详解混合动力汽车技术下篇-八仙过海各显神通
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更新时间: 2023/02/04

2020年10月国务院颁布的《新能源汽车产业发展规划(2021-2035年)》中提出,“强化整车集成技术创新,以纯电动汽车、插电式混合动力(含增程式)汽车、燃料电池汽车为“【三纵】,布局整车技术创新链,研发新一代模块化性能整车平台,攻关纯电动汽车底盘一体化设计、多能量源动力系统集成技术,突破整车智能能量管理控制、轻量化、低摩阻等共性节能技术,提升电池管理、充电链接、结构设计等安全技术水平,提高新能源汽车整车综合性能。”


“多能量源动力系统集成技术,突破整车智能能量管理控制”此处指明了混动技术将是未来10几年内主流的技术趋势,非而视作过度技术。


在上篇中,我们大篇幅的介绍了各种混合动力系统构型,说明了不同的电机在不同的位置会发挥怎样的作用,不同电机位置总结为P0~P4电机,Px电机的作用大致为:


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其实各大混动系统之间并无明显的优劣势差异,有的只是技术路线和取向性的不同罢了。在下篇中,我们将对丰田THS、本田I-MMD、比亚迪DM-i、吉利DHT等技术分别进行说明。



日系

一、丰田THS混动技术


混动技术经历了20多年的发展,典型的代表是以欧洲P0、P2为主的单电机混动架构和以日本PS+P3、P1+P3为主的双电机架构。双电机混动可实现发动机与轮端完全解耦,因此节能潜力更大。下表列举了典型双电机混动车型的最新技术参数。


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从丰田研发出第一台混动车型开始,丰田THS混动技术就成为了全球车界的焦点。时至今日,丰田已经卖出了1800万台搭载THS混动系统的车型,在全球混动汽车领域中一直占据C位。更有人说过:“世界上只有两种混动,一种是丰田THS混动,另一种是其它混动”。


丰田采用的功率分流系统具备良好的舒适性和成本优势。功率分流方案的较大优势在于可无极调节速比及可自由选择发动机的工作点。驱动系统可不带传统的变速器,尤其是不带换挡和离合单元,这样可在牵引力不中断和节省机械组件的情况下达到较高的行驶舒适性。同时,由于发动机可不中断地向轮端输出扭矩,降低了发电机和驱动电机的功率要求,电机电控成本相比其他系统有优势。


丰田THS系统结构简单,没有离合器和电液模块,系统可靠性好。图为THS的原理图,行星架C连接发动机,太阳轮S连接P1电机,齿圈R输出动力与P3驱动电机一起驱动车轮连接。


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发动机的功率分布在两个路径上,一个是机械路径,可通过齿轮啮合直接将作用力传递到车轮;另一个是电动路径,发动机通过行星排输出一部分功率给P1,而P1发出的电能,一部分根据需要供给整车电器和给电池补充电能,另一部分通过逆变器转换为交流电供 P3电机驱动车轮使用。

1.在混动巡航工况下,过程不考虑整车系统供电需求,此时P1电机转速很低,发动机绝大部分功率经过齿圈输出到车轮。当中等车速巡航时,轮端功率小于齿圈输出功率,P3驱动电机处于发电状态。


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2.在纯电行驶工况下,由P3电机驱动,带动齿圈R转动,由于发动机转速为0,此时P1电机处于反向随转状态。


3.在行驶中启动发动机工况下,在纯电工况下,P1电机处于随动状态,图所示为工况1。当需要启动发动机时,P1电机输出正扭矩,P1转速往正方向变化,由于整车的惯量远大于发动机的惯量,杠杆可近似于以齿圈R为支点沿正时针方向旋转,发动机被拖动,转速达到阈值时点火,随后动力由P3驱动电机输出过渡到发动机输出,即由工况1过渡到工况2。


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4.超越加速工况:在巡航模式下加速,由当前工况1加速到目标工况2,P3驱动电机与P1电机根据目标需求同时增加扭矩,此时由于整车的惯量远大于发动机的惯量,杠杆以齿圈为支点沿顺时针方向旋转,发动机转速迅速从发动机转速1拉升至发动机转速2。由于发动机以100%经济油耗线为目标条件,扭矩线上升较小,因此发动机通过增速增加的功率大部分输出给P1电机,P1电机发电并经过逆变器输出给供P3电机其加速使用,当油门功率需求较大时需要由电池补充功率。


THS混动系统的优点,1.由于THS混动车型没有离合器,其变矩系统无法解耦,所以不存在内部的磨损,也能实现终身免维护,其传动系统可靠性远高于普通车型。2.THS混动车型由于采用镍氢电池,其安全性和稳定性高于普遍采用的大容量电池;并且,丰田针对THS混动车型进行了电池管理系统的优化,由于电池容量不高(负荷比例),再加上控制充放电,确保电池稳定安全。其缺点是技术方案设计的再好,本质上还是一台燃油车,天生的基因缺陷,导致了技术方案的上限都不会太高。


二、本田i-MMD混动技术技术


本田i-MMD混动系统前身为1999年推出的IMA系统(Integrated motor Assist),该系统以发动机提供动力为主,盘式永磁驱动电机(小电机)既是驱动电机也是启动电机。IMA集成在发动机舱中,共有五种工作模式,车辆起步加速阶段、急加速以及高速行驶阶段发动机与驱动电机共同提供动力,低速行驶时,发动机气缸关闭,驱动电机提供驱动力,发动机动力溢出时,驱动电机退出工作,驱动电机转变成发电机为电池充电(猜测为P2电机构型)。


第一代i-MMD混动系统于2010年亮相,采用2.0L自吸发动机+双电机驱动;第二代i-MMD混动系统于2014年正式推出,在三电系统的输出与储能等指标有了大幅提升;第三代搭载在北美市场上市的第十代雅阁于2017年推出,并于2018年引入国内。


本田i-MMD混动系统是典型的串并联构型(P1P3构型),该混动系统主要由阿特金森循环发动机、采用双电机的电动化无级变速器E-CVT、动力电池系统等组成,本田优化的阿特金循环森发动机压缩比达13.5:1,发热效率从38.9%提升到40.6%


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本田IMMD系统采用了超越离合器,超越离合器为液压驱动的离合器(湿式多片式),位于输入轴的末端。通过超越离合器改变动力传递路径,从而实现在驱动发电机和驱动车轮之间切换发动机的动力。当超越离合器不工作(分离),若发动机运行时,发动机动力将通过扭转减振器→输入轴→输入轴齿轮→发电机轴齿轮→发电机轴→发电机,实现发动机驱动发电机发电。当超越离合器工作(接合),发动机运行时,发动机动力将通过扭转减振器→输入轴→超越离合器→超越齿轮→副轴齿轮→副轴→主减速器驱动齿轮→主减速器从动齿轮→差速器→半轴→前轮,实现将发动机动力传递给前轮(驱动轮)。另外,当超越离合器工作(接合)且发动机运行时,发动机还将同时驱动发电机转动(空转)。下图为本田i-MMD使用的无级变速器器的E-CVT结构图,


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本田i-MMD混动系统主要有三种工作模式,1.纯电驱动,2.串联混动模式,3.并联混动模式,4.发动机驱动模式;


1.纯电模式下,本田i-MMD混动系统中由电池驱动P3电机带动车轮,工作工况为静止起步及低速负荷状态的情况,此模式下离合器断开,发动机不运转,P1电机也不运转;运行时候电池提供动力驱动P3电机,制动能量回收时P3电机作为驱动电机回收能量充电给电池。


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2.串联混动模式下,发动机工作,P1电机与发动机刚性连接,P1电机作为发电机发电并通过逆变器输送给P3驱动电机驱动车辆行驶。此状态下离合器打开,发动机不直接参与驱动,主要通过发动机驱动发电机给驱动电机驱动车辆,此时IMMD混合动力系统是串联工作模式,类似于增程式混合动力汽车。该工况下通过调整发动机的转速和扭矩,可以让发动机工作在高效工况获得更高的燃油经济性,发动机和发电机此时主要功能是发电,发出的电能既可以提供给驱动电机产生驱动力,也可以给电池充电。这种模式在正常行驶过程中使用频度非常高,特别是城市工况。


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3.并联混动模式下,发动机工作,P1发电机发电,离合器结合,P3驱动电机和发动机共同驱动车辆行驶,该工况下发动机和驱动电机共同提供驱动力,在驱动轮上可以获得更大的驱动力,从而使得车辆提速更快,满足用户对更高动力性能的需求。


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4.发动机驱动模式下,离合器结合,发动机工作,发动机独自提供驱动力,因为离合器直接连输出轴,发动机直接驱动的转速受速比限制只能在高速稳定工况工作,多用于高速巡航。此时也可以通过与驱动电机进行扭矩协调来提高系统效率,因为使用条件比较苛刻,只在特殊工况下才会使用。


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本田IMMD系统的优点:1) 有更强劲的驱动力,提速迅猛、直接、响应快,并且十分线性;2) 具有串联、并联两种混合驱动模式,既能在城市工况具有较好的油耗表现,又能在高速工况下获得较好的燃油经济性;3) 具有较强的扩展性,既能扩展成插电式混合动力系统(PHEV),又能演变为增程式混合动力系统(REEV)。


本田IMMD系统的缺点:1) 结构相对复杂,需要离合器及驱动离合器的电磁阀等系统;2) 需要控制离合器的结合及断开,控制更复杂精细;3) 驱动电机的功率需求更大,驱动电机及电池系统的成本更高;



国产

三、比亚迪DM-i混动技术


比亚迪早从2003年就开始对混动系统技术的布局,2008年在F3DM推出了第一代DM混动系统,将插电式混动系统带入了混动汽车的主流市场,经过十几年的打磨锻造在2021亮出了大宝剑,完成了阶段性的战略目标,市场口碑获得了双赢。


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第一代的DM混动系统设计理念主要以节能为技术导向,通过双电机与单减速器的结构搭配1.0L自吸三缸发动机,实现了纯电、增程、混动三种驱动方式,属于典型的P1P3构型,动力系统中发动机与P1电机直接连接,而P3驱动电机位于离合器后,通过离合器控制P1电机与P3电机耦合,所有功率流通过减速器传递到输出轴驱动车轮。
第二代混动系统是比亚迪唐DM搭载的DCT+P3+P4构型,由于前一代动力性的不被接受,设计理念变更为性能取向,由原来的P1P3电机构型改变成了P3P4构型的组成,该套混动系统是P3+P4+发动机,15款唐DM配有2.0t缸内直喷发动机(最大功率151kw/320N·m),6速湿式双离合器,两颗峰值110kw的P3P4电机。但是动力行强了,由于馈电能力太弱、P3电机利用不到位被吐槽有点一条龙,没电毛毛虫。

第三代DM混动系统在2018年发布,第三代DM系统继承了第二代DM系统大部分特点的同时,带来一项比较大的改进,即在发动机前端增设了P0电机,且P0电机与传统BSG电机不同,该P0电机最大功率为25KW,且电机电压嵌在了360V-518V高压范围,通过实现小功率范围内的串联P0电机,弥补了第二代混动系统馈电能力弱的缺点,除此之外,P4电机最大功率110kw/250N·m,提升至180kw/380N·m。(双擎四驱-P0+P4电机,双擎前驱-P0+P3电机,三擎四驱-P0+P3+P4电机)

DM-p,DualMode powerful -双模混合动力系统性能版本,在该版本中将7速双离合变速器取代原有的6速,缩小了速比差,提升了平顺性,同时该变速器采用更多的球轴承替换原先的锥轴承,减小摩擦面积,提升减少噪音;并对1.5t或2.0t进排气系统等部件都进行了优化升级,比如1.5T发动机对轴瓦进行优化,减小间隙,降低摩擦。同时优化链条,减小发动机带动BSG电机的噪声,又比如将CRV阀外置,降低增压器泄压发出的噪声。

DM-i,DualMode intelligent -双模混合动力系统经济性版本,延续了第一代DM混动系统的理念节能省油,通过增大电机功率和大容量的电池,使发动机成为动力辅助部件,达到多用电少用油效果。


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DM-i混动系统的最大优势,并非复杂的结构,而是自主研发了发动机控制系统、电机控制系统和电池管理系统等核心控制系统,同时主打经济性的1.5L和1.5Ti两款插混专用发动机-骁云发动机,继承第一代DM混动系统设计理念的混动专用变速器系统-EHS系统,高放电倍率、可灵活搭配的混动专用功率型刀片电池-刀片电池等世界先进性产品。


以三擎四驱构型P0+P3+P4电机为例有5种工作模式,


1.在纯电模式下,发动停止工作,P0电机停止工作,动力电池直接供电,提供给P3和P4电机进行驱动车辆


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2.在串联模式下,发动机带动P0电机发电,当功率请求高时,P0电机将电能通过逆变器传输给P3电机,动力电池给P4供电的同时给P3电机供电,动力电池供给P3电机功率为,需求功率扣除P0电机分配功率。


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3.在并联模式下,P0电机不工作,发动机通过双离合变速器与接受来自动力电池电能的P3一起驱动前轮,同时后轮由动力电池供给能量的P4电机驱动。


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4.在巡航模式下,P3、P4电机不工作,发动机稳定运行在高效率区,通过离合器直接驱动车轮,同时若产生的功率由盈余则将剩余能量通过P0电机转换为电能通往动力电池。


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5.在动能回收模式下,发动机保持低转速带动P0电机充往动力电池,P3、P4电机作为发电机将机械能转化为电能充向动力电池。


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四、吉利、长城DHT混动技术


DHT-Dedicated Hybrid Transmission,专用混合动力变速箱,从硬件上来看,长城保持了和其他品牌的高度一致,都是选用了一台高效率的混动专用发动机、一台启发电一体机和一台牵引电机,双电机的电驱单元,以及一组机械齿轮、若干组离合器一起组成了这套混合物动力系统的核心零部件。长城DHT系统的机械驱动端为一台全球首创的双速比变速箱。


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长城的DHT混动技术和本田的i-MMD、比亚迪的DM-i一样的地方就是在绝大多数工况下也是采用电动机牵引车辆,发动机只负责用最高的效率发电,在这点上DHT、i-MMD和DM-i没有什么区别。

长城创造性地为DHT混动系统的机械直驱端上加入了一台两档的变速箱,这让DHT的混合驱动模式截然不同,也是DHT和其他混动系统最大的区别所在。我们都知道,在本田的i-MMD和比亚迪的DM-i系统上,发动机的机械直驱只有一个速比,这让发动机只能在高速区段介入运转,并不能完全发挥发动机本身的实力,例如本田的i-MMD系统上发动机得在近90kmh的车速下才介入。

在长城的DHT系统上,因为发动拥有了两个挡位,所以即便在日常的60kmh巡航,以及中低速加速阶段,DHT变速箱也能为发动机匹配出效率更高的齿轮比。DHT的这套两挡的变速箱让发动机的运用场景变得更多了,机械直驱的能量损耗是远远小于燃油发电的,这台小小的变速箱让DHT系统拥有了更高的灵活余度。


美系

五、通用Voltec混动系统


通用是第二家实现功率分流混动系统量产的汽车公司,2007年发布了第一代Voltec-1单行星排混动系统,原理如上图。行星排的太阳轮连接电机1,齿圈连接发动机,行星架为输出。由于杠杆关系不合理,设置了两个离合器和一个制动器,在很宽的工况下实施增程模式,因此通用将Voltec-1混动系统称为增程式混动系统。


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总体来讲,Voltec-1混动系统效率不佳,通用于2016年发布了第二代 Voltec-2系统,原理如上图。Voltec-2在Voltec-1行星排的基础上引入第二行星排、制动器和离合器,实现了功率分流和发动机直驱功能,大大提升了中、高速系统效率。


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上图展示了插电式混合动力汽车(PHEV)低电量模式全工况MAP图,车辆EV1起步,随着车速的增加进入HEV模式,车速较低时使用低速增程模式,中等车速时进入直驱模式,高车速时进入高速增程模式。模式的切换由制动器和离合器来实现,如表所示,


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低速增程模式适用于馈电、低速大负荷工况,制动器结合,离合器断开,发动机功率经过行星排1分流成两部分,一部分输出到输出齿轮,另一部分输出给电机1发电。电机2驱动电机经过行星排2减速后和发动机输出的动力汇合,输出到车轮。

直驱模式适用于中高速巡航模式:制动器、离合器结合,此时太阳轮1、齿圈2锁止,电机1不工作,发动机经行星排1减速后输出,电机2驱动电机经过行星排2减速后输出,根据系统功率需要进行发电或者驱动。

高速增程模式:制动器断开,离合器结合,此时双行星排太阳轮1与齿圈2连接,行星架1与行星架2连接,在平衡工况下,发动机功率分成两个部分,一部分经过行星排到车轮,另一部分经过行星排给电机2驱动电机发电,电机2驱动电机发出的电量供电器系统使用,此时电机1处于驱动或者空转状态。需要加速时,电机1、电机2驱动电机同时增加扭矩(电机2驱动电机减小负扭矩)迫使杠杆上移,提升车速和发动机转速,达到新的平衡。

双行星排一共有6个旋转部件,应用于功率分流的则有3个旋转部件分别与发动机、发电机和输出齿轮连接,剩余3个旋转部件必须形成行星排内部连接,2个行星排之间极易形成功率环—封闭功率流。这种封闭的功率流将增大摩擦功率损失, 使轮系的效率和强度降低,对传动极为不利。出现功率环就必须通过增大齿轮模数来提高行星排的强度,因此机构会非常笨重。通用Voltec-2系统在双排耦合时就存在功率环,其行星排机构十分笨重,效率和NVH性能均不及丰田THS。