比亞迪DM-i超級混動系統(tǒng)技術(shù)解析

江蘇省水文水資源勘測局辦公室 楊 俊

2020年6月，比亞迪發(fā)布了DM（Dual Mode，雙模：如果將純電動汽車簡稱為EV，混合動力汽車簡稱為HEV，則比亞迪DM電動汽車是EV+HEV）技術(shù)雙平臺戰(zhàn)略，即DM-p平臺和DM-i平臺。DM-p平臺的p即powerful，是指動力強(qiáng)勁、極速，滿足“追求更好駕駛樂趣”的用戶，DM-p是對比亞迪DM3強(qiáng)勁動力的延續(xù)。DM-i的i即intelligent，指智慧、節(jié)能、高效，滿足“追求極致的行車能耗”的用戶，比亞迪DM-i則是對比亞迪DM1的傳承。

1 比亞迪DM-i超級混動系統(tǒng)的架構(gòu)和工作模式

比亞迪DM1的設(shè)計(jì)理念完全以節(jié)能為技術(shù)導(dǎo)向，通過雙電機(jī)（M1為25 kW，M2為50 kW，M2是主電動機(jī)，M1在需要時變成發(fā)電機(jī)）與單速減速器的結(jié)構(gòu)（圖1）搭配1臺1.0 L自然吸氣汽油發(fā)動機(jī)（50 kW），實(shí)現(xiàn)了純電、增程、混動（包括直驅(qū)）三種驅(qū)動方式。如圖2所示，在DM1系統(tǒng)中，發(fā)動機(jī)與M1發(fā)電機(jī)（P1）直連，通過離合器與主減速器相連，M1發(fā)電機(jī)通過離合器與主減速器相連，使得M1發(fā)電機(jī)也同時具有驅(qū)動電機(jī)的動能。同時，與主減速器相連的M2驅(qū)動電機(jī)（P2）也同時具有發(fā)電機(jī)的功能。整個DM1系統(tǒng)的驅(qū)動模式有純電模式（發(fā)動機(jī)不起動，離合器分離，M2電機(jī)單獨(dú)驅(qū)動車輛行駛）、增程模式（發(fā)動機(jī)起動，M1發(fā)電，離合器分離，M2驅(qū)動車輛）和混動模式，其中混動模式還可以細(xì)分為巡行模式（發(fā)動機(jī)起動，M1不發(fā)電，離合器結(jié)合驅(qū)動車輛，M2不做功）、巡行發(fā)電模式（發(fā)動機(jī)起動，M1發(fā)電給電池充電，離合器結(jié)合驅(qū)動車輛，M2不做功）、加速模式（發(fā)動機(jī)起動，離合器結(jié)合，M1和M2電機(jī)都做功，共同驅(qū)動車輛行駛）和能量回收模式（離合器斷開，M2驅(qū)動電機(jī)回收動能）。

圖1 DM1系統(tǒng)雙電機(jī)與單速減速器的結(jié)構(gòu)

圖2 DM1系統(tǒng)的雙電機(jī)串并聯(lián)架構(gòu)

全新比亞迪DM-i超級混動系統(tǒng)由驍云-插混專用1.5 L/1.5Ti高效發(fā)動機(jī)、EHS電混系統(tǒng)、DM-i超級混動專用刀片電池、交直流車載充電器（17 kW快充，電量30%～80%充電需要30 min）等核心部件組成。比亞迪DM-i超級混動系統(tǒng)將DM1的1臺1.0 L自然吸氣汽油發(fā)動機(jī)（50 kW）+2臺電動機(jī)升級為熱效率超過43%的1.5 L/1.5Ti米勒循環(huán)（比亞迪對外宣稱是阿特金森循環(huán)）發(fā)動機(jī)+串并聯(lián)架構(gòu)的雙電機(jī)（2個功率提升超過200%的電動發(fā)電機(jī)）EHS電混系統(tǒng)（圖3），創(chuàng)造性地定義了以電為主的混動技術(shù)，也就是圍繞著大功率電機(jī)驅(qū)動和大容量動力電池供能為主，發(fā)動機(jī)為輔的電混架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了超低油耗、靜謐平順、卓越動力的整車表現(xiàn)。DM-i的核心是以電為主的混動技術(shù)。車輛在大部分使用場景中都可以只用大功率驅(qū)動電機(jī)來驅(qū)動車輛工作，電機(jī)的轉(zhuǎn)速可以在0 r/min～16 000 r/min自由調(diào)節(jié)，由此為整個系統(tǒng)省去了多擋變速器，提高了傳動效率。為此，比亞迪研發(fā)了高效的汽油機(jī)、高效且高功的電機(jī)、高效的電控及高效的電池。

圖3 EHS電混系統(tǒng)

在純電模式下，DM-i超級混動專用功率型刀片電池負(fù)責(zé)給驅(qū)動電機(jī)供電；在大部分混動模式下，由發(fā)動機(jī)帶動一臺高功率發(fā)電機(jī)給驅(qū)動電機(jī)供電，中高速行駛工況中，發(fā)動機(jī)適時直驅(qū)或和驅(qū)動電機(jī)一起并聯(lián)輸出動力。在DM-i系統(tǒng)中，起步或低速工況（或虧電狀態(tài)）下，發(fā)動機(jī)高轉(zhuǎn)速、高效率、低油耗運(yùn)轉(zhuǎn)，驅(qū)動發(fā)電機(jī)發(fā)電，在中高速行駛工況時，發(fā)動機(jī)依然處于高轉(zhuǎn)速、高效率、低油耗的工況下工作，輔助電機(jī)驅(qū)動車輛。兩種工況下發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速均可固定在一個高轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)。

比亞迪DM-i超級混動系統(tǒng)架構(gòu)如圖4所示，以比亞迪宋PLUS DM-i為例，該系統(tǒng)具有純電模式、HEV串聯(lián)模式（就等同于增程式，發(fā)動機(jī)負(fù)責(zé)發(fā)電而不參與驅(qū)動）、發(fā)動機(jī)直驅(qū)模式（發(fā)動機(jī)在最經(jīng)濟(jì)的高速巡行工況工作，直接驅(qū)動車輛行駛，畢竟發(fā)電不如直驅(qū)的效率高）、HEV并聯(lián)模式（在高速工況中以發(fā)動機(jī)直驅(qū)為主，此時的并聯(lián)混動是電助油，而不是通常的油助電，而在低速工況中，開啟HEV模式與SPORT模式的最強(qiáng)動力組合，發(fā)動機(jī)也不會介入）等4種驅(qū)動模式。具體到DM-i系統(tǒng)的工作邏輯上，如圖4所示，在離合器分離時，發(fā)動機(jī)帶動發(fā)電機(jī)（G）產(chǎn)生電能，為驅(qū)動電機(jī)（MG）供電，車輪上的動力全部來自驅(qū)動電機(jī)，此時，系統(tǒng)處于串聯(lián)狀態(tài)，工作邏輯類似增程式純電動車，如果有多余的電量可以保存至電池中。這種工作模式主要適合在車速較慢的城市工況，避免了發(fā)動機(jī)高負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)，而是讓其高效發(fā)電。而在高速工況，如果再用增程式邏輯就會造成能量兩級浪費(fèi)，因?yàn)楦咚傺残惺前l(fā)動機(jī)效率較高的工作區(qū)間。因此，DM-i系統(tǒng)中離合器此時會結(jié)合，發(fā)動機(jī)可以直接向車輪輸出動力，工作邏輯變?yōu)榘l(fā)動機(jī)直驅(qū)模式。如果此時需要急加速、超車，驅(qū)動電機(jī)可以與發(fā)動機(jī)并聯(lián)，共同參與驅(qū)動。如果系統(tǒng)有多余電量，發(fā)動機(jī)則帶動驅(qū)動電機(jī)產(chǎn)生電能，存儲到電池中。也就是說，在擁堵工況下，發(fā)動機(jī)發(fā)電，在高速HEV工況下，發(fā)動機(jī)參與驅(qū)動。EHS電混系統(tǒng)的變速器只有一個適用于高速工況齒比，擁堵工況中發(fā)動機(jī)無法實(shí)現(xiàn)低速的強(qiáng)勁低扭，因此在DM-i進(jìn)入高速工況之前發(fā)動機(jī)不參與直驅(qū)，從而保證發(fā)動機(jī)始終保持在經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)速。低速工況的純電或增程式模式+高速工況的發(fā)動機(jī)直驅(qū)或HEV并聯(lián)模式，是DM-i的節(jié)能秘訣。如果有時間充電且能充到便宜的電，該車就一直可以用EV純電模式行駛；如果跑長途沒時間充電，該車就用HEV模式。由此可見，比亞迪DM-i的運(yùn)行模式非常類似本田的i-MMD混動系統(tǒng)，系統(tǒng)邏輯完全圍繞著“盡可能用電驅(qū)動，發(fā)動機(jī)只工作在高效區(qū)間”的展開。二者的區(qū)別主要有2點(diǎn)：本田i-MMD的雙電機(jī)是同軸的，而比亞迪前后橋各一個；另外，本田i-MMD較少用到并聯(lián)模式，而比亞迪驅(qū)動電機(jī)并聯(lián)更為積極，發(fā)動機(jī)可以更多地工作在高效區(qū)間。

圖4 DM-i超級混動系統(tǒng)架構(gòu)

2 比亞迪DM-i超級混動系統(tǒng)主要技術(shù)創(chuàng)新

2.1 曉云-插混專用1.5 L高效發(fā)動機(jī)

驍云插混專用的1.5 L高效發(fā)動機(jī)的熱效率高達(dá)43.04%，源于這款發(fā)動機(jī)的存在完完全全是為電服務(wù)的，對發(fā)動機(jī)做減法，專心致力于提高工況熱效率。

普通發(fā)動機(jī)的能量損失主要是不完全燃燒導(dǎo)致的熱損失、冷卻損失、排氣損失、泵氣損失（也可稱為進(jìn)氣損失）和機(jī)械損失。比亞迪為達(dá)到43.04%的熱效率，比亞迪在以下幾個方面進(jìn)行了改進(jìn)。

（1）米勒循環(huán)（比亞迪對外宣稱是阿特金森循環(huán)，其實(shí)是米勒循環(huán)）。比亞迪的驍云發(fā)動機(jī)通過延后進(jìn)氣門的關(guān)閉時間，讓活塞上升一段距離后再關(guān)閉，此時氣缸內(nèi)的氣體會從進(jìn)氣門排出去一部分，從而減少了整體進(jìn)氣量，使其實(shí)際壓縮行程變短，從而可使壓縮比變相減小，且能讓真實(shí)的壓縮比依然保持在正常范圍內(nèi)，從而減少了壓縮行程的能量消耗。由于膨脹行程保持不變，從而使得燃燒做功更加充分，提高了燃燒能量的利用率，減少了排氣損失。

（2）15.5的超高壓縮比。比亞迪宣稱的15.5的壓縮比，其實(shí)是做功行程的容積與壓縮上止點(diǎn)燃燒室容積之比是15.5，如果考慮到進(jìn)氣門遲閉減少的進(jìn)氣量，實(shí)際壓縮比應(yīng)該會在12以內(nèi)，以確保可以使用95號甚至92號的汽油。15.5的壓縮比加上效率導(dǎo)向的氣門正時，可以有效降低排氣損失和進(jìn)氣損失。

（3）高EGR率的低溫廢氣再循環(huán)裝置。廢氣再循環(huán)是有效降低燃燒溫度，降低進(jìn)氣損失及降低氮氧化合物（NOx）排放的有效手段。廢氣再循環(huán)是指把發(fā)動機(jī)排出的部分廢氣回送到進(jìn)氣歧管，并與新鮮混合氣一起再次進(jìn)入氣缸的技術(shù)。首先廢氣中的二氧化碳和水蒸氣等提高了混合氣的比熱容，同時也稀釋了氧氣的濃度，使得燃燒速度變慢，燃燒的最高溫度和平均溫度下降，極大地減少了氮氧化合物的生成，提高了環(huán)保性，也使得發(fā)動機(jī)的冷卻負(fù)荷略有下降，從而減少了在冷卻上的消耗，這是EGR最初的目的。另外，由于EGR會增加發(fā)動機(jī)的進(jìn)氣量，降低進(jìn)氣歧管的真空度，高EGR率可以有效減少發(fā)動機(jī)在中低負(fù)荷工況下的進(jìn)氣損失。由于發(fā)動機(jī)在高負(fù)荷工況下缸內(nèi)溫度過高時會通過多噴油的方式來降低缸內(nèi)溫度，而利用EGR降低發(fā)動機(jī)燃燒室溫度來替代多噴油可以大大降低燃油消耗，同時缸內(nèi)溫度降低后也可以嘗試更高的缸壓來進(jìn)一步提高壓縮比，而壓縮比越高，發(fā)動機(jī)的熱效率也越高。因此，比亞迪把EGR率提高到25%，從而可以從多個方面極大地提高熱效率。

（4）分體冷卻技術(shù)。氣缸蓋和氣缸體分成2個獨(dú)立的冷卻回路，配合電動冷卻液泵、電子雙節(jié)溫器，實(shí)現(xiàn)了氣缸體和氣缸蓋的分體冷卻技術(shù)。電動冷卻液泵功耗更低，電子節(jié)溫器控制更精確，分體冷卻可以讓發(fā)動機(jī)更快地進(jìn)入工作溫度，并精確保持在最佳工作溫度。

（5）無輪系設(shè)計(jì)。比亞迪DM-i超級混動系統(tǒng)以電為主的理念，充分聚焦發(fā)動機(jī)的工況熱效率，讓發(fā)動機(jī)設(shè)計(jì)時盡量給發(fā)動機(jī)做減法，為此比亞迪取消了這款發(fā)動機(jī)的輪系，不再需要傳統(tǒng)發(fā)動機(jī)的機(jī)械壓縮機(jī)、機(jī)械真空泵、機(jī)械轉(zhuǎn)向助力泵、機(jī)械冷卻液泵等，這些設(shè)備在比亞迪車上全面電動化了。

另外，比亞迪為了能讓DM-i能夠覆蓋C級車，還專門設(shè)計(jì)了增壓1.5Ti高效發(fā)動機(jī)，其熱效率也高達(dá)40%。增壓器采用了可變截面渦輪增壓器，可在更寬的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)提供增壓，特別是可以在保證低轉(zhuǎn)速增壓效果的時候不影響高轉(zhuǎn)速的排氣壓力。

2.2 DM-i系統(tǒng)的核心——EHS電混系統(tǒng)

DM-i超級混動的核心系統(tǒng)比亞迪稱之為EHS電混系統(tǒng)，是串并聯(lián)架構(gòu)的雙電機(jī)結(jié)構(gòu)，工作原理傳承自DM1，以電驅(qū)動為中心重新設(shè)計(jì)并進(jìn)行了全面的優(yōu)化，并根據(jù)驅(qū)動電機(jī)的功率分為EHS132、EHS145和EHS160三款，其中EHS132和EHS145采用驍云1.5 L高效發(fā)動機(jī)，EHS160采用驍云1.5Ti高效發(fā)動機(jī)。EHS系統(tǒng)的2個超高轉(zhuǎn)速電機(jī)為并列式設(shè)計(jì)，發(fā)電機(jī)直連發(fā)動機(jī)，通過離合器與減速器通過減速齒輪相連。驅(qū)動電機(jī)直接通過減速齒輪與減速器相連。

比亞迪DM-i超級混動系統(tǒng)采用的電機(jī)是扁線電機(jī)（圖5，也叫發(fā)卡電機(jī)），扁線電機(jī)相較于傳統(tǒng)的電機(jī)（采用圖6所示的銅線繞組，因?yàn)殂~線為圓形截面，且多股線并行纏繞，所以槽滿率，也就是固定銅線的開槽中銅線的比例，比較低，空間浪費(fèi)多；加上纏繞結(jié)構(gòu)問題，散熱較難，發(fā)熱量較大，功率密度很難進(jìn)一步提升），槽滿率高（比傳統(tǒng)電機(jī)高50%以上，可以達(dá)到70%甚至更高）、散熱性能好（一方面是表面積加大，散熱面積大；另一方面是繞組之間接觸面積大，空隙小，導(dǎo)熱能力更好）、繞組端部短（繞組兩頭接線所需要的空間更小，節(jié)省更多的空間）、體積更?。梢杂行p小電機(jī)的體積，提升功率密度）、NVH更好（因?yàn)殚_槽形狀不一樣，電磁噪音更低）。比亞迪在傳統(tǒng)的扁線電機(jī)基礎(chǔ)上又進(jìn)行了優(yōu)化和改進(jìn)，采用扁線成型繞組技術(shù)（圖7），讓電機(jī)的最高效率達(dá)到了97.5%，通過技術(shù)優(yōu)化，電機(jī)的額定功率提高32%，高效區(qū)間（效率大于90%的區(qū)間）占比高達(dá)90.3%，質(zhì)量功率密度達(dá)到了的5.8 kW/kg，升功率密度提升至44.3 kW/L。

圖5 扁線電機(jī)繞組

圖6 傳統(tǒng)的銅線繞組

圖7 比亞迪的扁線成型繞組

比亞迪雙電機(jī)采用直噴式轉(zhuǎn)子油冷技術(shù)，相較以往電機(jī)通過在外殼上設(shè)計(jì)水道降溫這種間接降溫方式，縮短了傳遞路徑，通過冷卻油直接均勻地冷卻扁線繞組，散熱能力大大加強(qiáng)。由于電機(jī)轉(zhuǎn)子的永磁鐵十分懼怕高溫，以往的散熱方式無法對轉(zhuǎn)子進(jìn)行冷卻，比亞迪的直噴式轉(zhuǎn)子油冷技術(shù)可以直接冷卻轉(zhuǎn)子，使得電機(jī)在極端工況下可以堅(jiān)持更長的時間，提供更高的性能。

比亞迪的雙電機(jī)控制器高度集成，并且采用電動與電機(jī)三相直連技術(shù)，極大地減少了連接線纜帶來的能量損耗。同時，采用比亞迪第4代IGBT技術(shù)，電控的綜合效率高達(dá)98.5%，并且使得電控高效區(qū)（即電控效率超過90%的區(qū)域）占比高達(dá)93%，極大地降低了電控?fù)p耗，提高效率。

2.3 DM-i超級混動專用功率型刀片電池

比亞迪又針對混動平臺開發(fā)出混動專用的功率型刀片電池，通過內(nèi)部串聯(lián)電芯的設(shè)計(jì)，在一節(jié)刀片電池內(nèi)串聯(lián)了6節(jié)軟包卷繞式電芯，單節(jié)20 V的設(shè)計(jì)也保證了低電池容量的混動電池包可以有足夠的電壓來保證驅(qū)動效率。電池包的刀片電池采用縱向排列方式，這比橫向排列方式更進(jìn)一步節(jié)省了電池包的空間，提高了電池包的功率密度。電芯采樣線、電線、數(shù)據(jù)線等只需要布置在車頭這一側(cè)即可。另外，電池包采用無模組設(shè)計(jì)，刀片電池和包體設(shè)計(jì)融為一體，形成穩(wěn)固的蜂窩狀結(jié)構(gòu)，大大提升了電池包的強(qiáng)度，提升了電池包的能量密度。刀片電池采用了最新的脈沖自加熱和冷媒直冷的技術(shù)。電池控制器通過控制電池高頻大功率充放電，讓電池內(nèi)部發(fā)熱，達(dá)到了加熱電池的效果，同時也滿足高安全的要求。因?yàn)槭亲泽w加熱，加熱均勻性更好，而且發(fā)出的熱量全部用于提高電池溫度，比傳統(tǒng)的加熱冷卻液再加熱電池包的方式，加熱效率提升10%以上。而冷媒直冷技術(shù)就是將冷媒直接通入位于電池包上層的冷卻板上，冷卻板直接冷卻電芯，比以前通過水冷的方式，換熱效率更高。

在充電方面，比亞迪的DM-i不僅搭載了3.3 kW和6.6 kW的交流充電，DM-i超級混動長里程版還搭載了大功率直流充電，可以實(shí)現(xiàn)30 min充電80%。同時，通過設(shè)置預(yù)約充電可實(shí)現(xiàn)峰谷用電。