混動技術(shù)路線解析及典型路線研究

曹亮，于忠貴，曹權(quán)佐，潘圣臨，劉玉明

混動技術(shù)路線解析及典型路線研究

曹亮，于忠貴，曹權(quán)佐，潘圣臨，劉玉明

（哈爾濱東安汽車發(fā)動機制造有限公司技術(shù)中心，黑龍江 哈爾濱 150060）

無論商用車，還是乘用車順應(yīng)市場競爭需求，滿足法律法規(guī)要求都促使車企加快對于混動技術(shù)路線的研究。文章通過對于不同混合動力技術(shù)路線進行分類比較、分析出其技術(shù)路線優(yōu)劣。一方面是為車企在選擇混動技術(shù)架構(gòu)時提供參考，另一方面是提出最為適合當(dāng)前混動需求的典型路線技術(shù)。

混合動力；混動架構(gòu)；典型路線

引言

混動形式千差萬別，國內(nèi)政策風(fēng)云變幻，個人所見，多數(shù)的整車廠對混動的產(chǎn)業(yè)化，沒有電動那么堅決，都在觀望，一是看國家政策的方向，二是看混動架構(gòu)孰優(yōu)孰劣。

1 混合動力

混合動力汽車（Hybrid Electrical Vehicle，簡稱HEV）是指同時裝備兩種動力源—熱動力源（由傳統(tǒng)的汽油機和柴油機產(chǎn)生）與電動力源（電池與電機）的汽車。因此混合動力系統(tǒng)組合內(nèi)燃機與電動機兩種動力源并發(fā)揮各自的優(yōu)點，互補各自缺點，由此提高整車效率。

混合動力系統(tǒng)主要有以下特點：

（1）停止內(nèi)燃機的怠速或低速低負荷運行工況，有效降低燃料消耗。

（2）能量再生：在減速或制動時作為熱能而散發(fā)的能量可轉(zhuǎn)化為電能而回收，并將該電能作為起動電機或驅(qū)動電機的電能來再利用。

（3）電動機輔助：加速時可通過電機輔助發(fā)動機的驅(qū)動力，由此改善車輛的加速性能和最大能力點。

（4）更好的駕駛體驗，如48 V起停比傳統(tǒng)12 V起停更快速且噪音振動更小。

（5）高效率駕駛控制：在發(fā)動機效率低時，只用電動機驅(qū)動，在發(fā)動機效率高的工況則帶動發(fā)電機發(fā)電，從而使整車綜合效率達到最佳。

1.1 混動架構(gòu)分析

通常，我們把混合動力分為普通混合動力、插電式混合動力以及增程式混合動力三種。其實，混合動力的結(jié)構(gòu)形式也能分為三種，分別是串聯(lián)結(jié)構(gòu)、并聯(lián)結(jié)構(gòu)以及混聯(lián)結(jié)構(gòu)。其中增程式混合動力只能是串聯(lián)結(jié)構(gòu)，而并聯(lián)結(jié)構(gòu)和混聯(lián)結(jié)構(gòu)既可以應(yīng)用于普通混合動力，也可以應(yīng)用于插電式混合動力。

1.1.1串聯(lián)式混合動力

串聯(lián)式混動系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示，由發(fā)動機、發(fā)電機、電動機組成。發(fā)動機帶動發(fā)電機發(fā)電，當(dāng)發(fā)電機的輸出功率大于電動機的功率時候，控制器控制發(fā)電機向電池充電，當(dāng)發(fā)電機的輸出功率低于電動機的功率時候，電池向電動機提供額外的動力，不同的行駛狀態(tài)，不同工作模式?？傊?，發(fā)電機不夠時用電池，發(fā)電機太多時存電池，電機控制車輪運動，串聯(lián)混動系統(tǒng)的動力來源于電動機，發(fā)動機只能驅(qū)動發(fā)動機發(fā)電，并不能直接驅(qū)動車輛行駛。因此，串聯(lián)結(jié)構(gòu)中電動機功率通常要大于發(fā)動機功率。

圖1 串聯(lián)式混合動力架構(gòu)

采用串聯(lián)混合動力布置方式的車型較少，國內(nèi)有傳祺GA5，國外有NISSAN E-POWER，寶馬i3等。寶馬i3增程式與NISSAN E-POWER整車信息如圖2所示，兩者盡管架構(gòu)相似，但是在控制策略上還略有不同，寶馬i3動力電池SOC閥值設(shè)置低于50%發(fā)動機啟動，一般在30%左右，而NISSAN E-POWER的動力電池SOC閥值設(shè)置在50%以上。且寶馬i3的純電續(xù)航里程要大于郵箱的燃油續(xù)航里程。

圖2 串聯(lián)式混合動力架構(gòu)實車案例

1.1.2并聯(lián)式混合動力

并聯(lián)式混合動力架構(gòu)如圖3所示，并聯(lián)結(jié)構(gòu)就是在普通汽車的基礎(chǔ)上加裝一套電能驅(qū)動系統(tǒng)（電動機和動力電池），發(fā)動機和電動機都能單獨驅(qū)動車輪，也可以同時工作，共同驅(qū)動車輛行駛。當(dāng)動力電池電量不足時，發(fā)動機還能帶動電動機反轉(zhuǎn)為動力電池充電。

并聯(lián)結(jié)構(gòu)的混動車型一般有三種模式可以選擇：純電模式：發(fā)動機關(guān)閉，電池為電動機供電，驅(qū)動車輛行駛，該模式多用于中低速行駛，也有部分車型可以實現(xiàn)高速巡航純油模式：發(fā)動機啟動，驅(qū)動車輛行駛，同時能夠帶動電動機反轉(zhuǎn)為動力電池充電混合模式：發(fā)動機和電動機同時啟動，驅(qū)動車輛行駛，該模式多用于爬坡、急加速以及其他高負荷工作的情況。

圖3 并聯(lián)式混合動力架構(gòu)

并聯(lián)式混合動力根據(jù)電機布置位置的不同，細分為P0- P4架構(gòu)，如圖4并聯(lián)式混合動力拓撲結(jié)構(gòu)[1]所示。

圖4 并聯(lián)式混合動力拓撲結(jié)構(gòu)

對于并聯(lián)式混合動力的幾種拓撲結(jié)構(gòu)的運行模式或特性進行分析，如表1所示有如下特點：

（1）P1結(jié)構(gòu)特點采用剛性連接，可以彌補P0的不足，但所需的力矩較高帶來成本的提升。無論是P0[2]還是P1連接，電機都不能單獨驅(qū)動車輪行駛，故都不適合電機和電池更大的強混系統(tǒng)。

（2）P2[3]結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是電機可以單獨驅(qū)動車輪且由于電機和軸之間有傳動比故無須太大扭矩，可以降低成本和電機的體積。難點是若不集成電機和離合模塊，則技術(shù)難度的降低帶來的是整車布局的困難，若高度集成則結(jié)構(gòu)復(fù)雜開發(fā)成本高。

（3）P3結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是電機換擋是無極且無動力中斷，減少一組離合器，在純電驅(qū)動和動能回收下的效率更高。難點是電機無法啟動發(fā)動機，一般需要P1位置的中低壓啟動發(fā)動機，本田i-MMD為P1/P3布置。

（4）P4結(jié)構(gòu)的最大特點是電機與發(fā)動機不驅(qū)動同一軸，車輛可以實現(xiàn)四驅(qū)，并且省去了輪軸和差速器帶來的效率損失和額外車重，不足之處是四驅(qū)動力的實現(xiàn)提升了動力性。但節(jié)油效果有限，并且P4混動在純電驅(qū)動和發(fā)動機驅(qū)動之間的切換較難，目前P4大多用在插電混合弱混。

表1 并聯(lián)式混合動力拓撲結(jié)構(gòu)運行模式分析

混動方案方案特點代表車型混動應(yīng)用混合動力驅(qū)動模式純電驅(qū)動模式轉(zhuǎn)矩增強模式(助力)能量回收模式啟動/停止發(fā)動機定點待機發(fā)電 P0BSG電機位于發(fā)動機前端，通過皮帶與發(fā)動機相連主要用于啟停系統(tǒng)，降低發(fā)動機怠速過程中的油耗上汽榮威750、奇瑞A5無法用于PHEV×√√√√√√ P1ISG電機固聯(lián)在發(fā)動機曲軸上，離合器之前，采用剛性連接可以實現(xiàn)P0的功能，減少發(fā)動機怠速與低速時的油耗與排放本田CR-Z、lnsight無法用于PHEV×√√√√√√ P2雙離合器結(jié)構(gòu)，發(fā)動機與電機，電機與變速器之間各有一個離合器與P1相似，但開發(fā)難度較高寶馬X5、7系PHEV，捷豹XJ的PHEV，奧迪Q7、A3 e-Tron可用于PHEV，技術(shù)難度相對較低√√√√√√√ P3電機位于變速器輸出端，是典型的并聯(lián)式混合動力結(jié)構(gòu)不改變傳統(tǒng)發(fā)動機-變速器的動力輸出形式，降低變速器負荷比亞迪-秦可用于PHEV，技術(shù)難度相對較低√√√√×√× P4通常在P1或P2的基礎(chǔ)上在后橋上加裝電機，即P1+P4或P2+P4保時捷918Spyder，謳歌NSX可用于PHEV，技術(shù)難度相對較高√√√√×√×

1.1.3混聯(lián)式混合動力

圖5 混聯(lián)式混合動力架構(gòu)

在并聯(lián)的基礎(chǔ)上加一個發(fā)電機就是混聯(lián)，架構(gòu)如圖5所示，但它不使用傳統(tǒng)的變速箱，而是用一種叫做“ECVT”的行星齒輪結(jié)構(gòu)的耦合單元來代替。這種技術(shù)一直被豐田壟斷，也有一些廠家在混聯(lián)結(jié)構(gòu)中使用普通的變速箱，如雙離合變速箱、無級變速箱等，但是效果遠不及這種叫做“ECVT”的變速結(jié)構(gòu)。

混聯(lián)結(jié)構(gòu)在發(fā)動機和電動機協(xié)同驅(qū)動車輛行駛的同時，發(fā)動機還能帶動發(fā)電機為動力電池充電，不再像并聯(lián)結(jié)構(gòu)中單一電動機需要身兼兩職，并且理論上它能夠?qū)崿F(xiàn)發(fā)動機帶動發(fā)電機發(fā)電，電動機驅(qū)動車輛的模式。因此，混聯(lián)結(jié)構(gòu)的驅(qū)動模式有，純電模式、純油模式、混合模式、充電模式四種。

混聯(lián)的結(jié)構(gòu)優(yōu)點和使用優(yōu)點更加接近于并聯(lián)結(jié)構(gòu)車型，但混聯(lián)的驅(qū)動模式更加豐富，如表2所示，在并聯(lián)的混合驅(qū)動模式基礎(chǔ)上，加入了充電功能，這意味著發(fā)動機和電動機全力驅(qū)動車輛時也不用擔(dān)心電量消耗的問題。并且得益于“ECVT”的加入，使電動機和發(fā)動機的配合更加默契，能夠適應(yīng)的工況更多，最大效度的提高整車燃油的經(jīng)濟性。

1.2 能量混合度分析[4]

根據(jù)電機的輸出功率在整個系統(tǒng)輸出功率所占的比重，也就是常說的混合度的不同，混合動力系統(tǒng)又可分四類，其特點如表3所示：

表2 混合動力結(jié)構(gòu)對比分析

連接形式串聯(lián)式并聯(lián)式混聯(lián)式 術(shù)語定義發(fā)動機、發(fā)電機、電池和電動機串聯(lián)于同一條動力傳輸路徑上，只有發(fā)電機直接為電動機提供電能，發(fā)動機只能驅(qū)動發(fā)電機為電動機提供電能（充電模式），不直接驅(qū)動車輛發(fā)動機與電動機（發(fā)電機）并聯(lián)，可以由發(fā)動機（純油模式）或者電池（純電模式）單獨驅(qū)動，也可由二者共同驅(qū)動（混合模式），電池耗盡時發(fā)動機可帶動電動機反轉(zhuǎn)為電池充電在并聯(lián)基礎(chǔ)上將發(fā)電機獨立出來，與發(fā)動機和電池相連接，除并聯(lián)式結(jié)構(gòu)的三種驅(qū)動形式（純油、純電、混合）外，還可實現(xiàn)串聯(lián)式結(jié)構(gòu)下的充電模式 驅(qū)動模式1.動力電池直接驅(qū)動（純電模式）2.發(fā)動機驅(qū)動發(fā)電機，進而為電動機提供電能（充電模式）1.發(fā)動機直接驅(qū)動（純油模式）2.動力電池直接驅(qū)動（純電模式）3.發(fā)動機與電池共同驅(qū)動（混合模式）1.純油模式2.純電模式3.混合模式4.充電模式 優(yōu)劣勢優(yōu)勢：結(jié)構(gòu)簡單、中低速下節(jié)油效果較好劣勢：高速運行油耗較高優(yōu)勢：驅(qū)動模式較多，可適應(yīng)不同工況，動力性能更好 劣勢：混合模式下發(fā)動機無法為電池充電，電池耗盡后電動機無法繼續(xù)驅(qū)動車輛優(yōu)勢：相比并聯(lián)式結(jié)構(gòu)，發(fā)動機可帶動發(fā)電機持續(xù)為電池充電，不會造成電池耗盡劣勢：結(jié)構(gòu)復(fù)雜，依賴變速器性能 代表車型雪佛蘭沃藍達、寶馬i3增程版、傳祺GA5增程版寶馬530、本田思域、比亞迪-秦豐田系混合動力車

表3 能量混合度分析

功能弱混中混重混充電式 啟停系統(tǒng)√√√√ 能量回收√√√√ 電力驅(qū)動（幾秒）√√√√ 電力驅(qū)動（中等距離） √√ 電力驅(qū)動（長距離）-可充電 √ 功率比率5%～10%10%～20%25%～40%50%～100% 電機功率/Kw1.5～105～2030～7570～100

弱混合動力系統(tǒng)，弱混的混合度一般在20%以下，該類混動通常在內(nèi)燃機曲軸上加裝皮帶驅(qū)動起動電機（即Belt Starter Generator, BSG），該電機是起動發(fā)電一體式電機，除了用于控制發(fā)動機的起動和停機外，還能夠在制動和下坡工況下實現(xiàn)對部分能量的回收及在部分工況下的電機助力，常見的P0 48 V系統(tǒng)即屬于微混合動力系統(tǒng)，某聯(lián)第一代48 V在NETC循環(huán)下可降低10%左右的油耗。

中混合動力系統(tǒng)，中混的混合度可達到30%左右，該類混動采用ISG系統(tǒng)，即采用高壓電機，具備一定的純電動行駛能力，制動能量回收效率也更高，發(fā)動機與電機之間的耦合方式更加豐富。

重度混合系統(tǒng)，混合度可達到50%以上，該類混動系統(tǒng)電池容量更大、電池功率更高，純電行駛里程更長，整車性能更為出色，在城市循環(huán)工況下節(jié)油率可達到25%～40%。

插電式混合動力系統(tǒng)（Plugin Hybrid），該類混動利用電網(wǎng)對動力電池充電，一般插電式混動轎車都配有車載充電機，可利用家用電源為電池進行充電。

1.3 電氣化程度分析

電氣化程度是指混合動力系統(tǒng)使用能量的油電比例，如圖6所示，從左往右分別是內(nèi)燃動力（ICE）、非插電式混合動力（HEV）、插電式混合動力（PHEV）、與純電動（EV）。HEV實際上仍然是使用燃油的動力系統(tǒng)，典型的HEV包括48V的微型混動（MHEV）與日系的各類混動系統(tǒng)。而HEV與PHEV的區(qū)別很好理解，因為他們在外觀上有明顯的區(qū)別：插不插點?？梢哉f從ICE-HEV-PHEV-EV一方面反映了油電能量比例，另一方面是不斷加嚴(yán)的油耗要求下的動力發(fā)展趨勢。

圖6 電氣化程度趨勢

2 典型路線

無論是從不同混動架構(gòu)的技術(shù)比拼，還是從電氣化程度的車型發(fā)展趨勢，在很大程度上都能反映了新能源政策的引導(dǎo)。政策對于PHEV的引導(dǎo)趨勢明顯，以中國和歐洲的新能源汽車政策為代表，僅有EV和PHEV兩類車型能夠獲得市場補貼，而中國PHEV定義政策則將要求插電混合動力的純電續(xù)航里程在43公里以上，同時PHEV在上海、深圳等地都有著車牌、路權(quán)和購置稅的優(yōu)惠政策，這反映了高電氣化PHEV在新能源汽車中的重要地位。

混聯(lián)構(gòu)型可以同時實現(xiàn)串聯(lián)與并聯(lián)功能，其中的典型代表是功率分流與串并聯(lián)，分別使用了行星齒輪排與串并聯(lián)機構(gòu)，如表4所示，都可以更加靈活地根據(jù)工況來調(diào)節(jié)內(nèi)燃機的功率輸出和電機的運轉(zhuǎn)?；炻?lián)的PHEV量產(chǎn)車型較并聯(lián)PHEV少一些，以日系車企從非插電HEV衍生而來的車型為主，在原有的混動系統(tǒng)基礎(chǔ)上，增大了電池、調(diào)整了控制邏輯，技術(shù)成熟但相對復(fù)雜。

表4 典型混動技術(shù)路線

類別THSiMMD 混動類型功率分流P13（串并聯(lián)） 發(fā)電機23110 電動機53135 平行軸個數(shù)45 行星排個數(shù)10 發(fā)動機檔位ECVT 1 EV檔位21 發(fā)動機軸TSD+OWCTSD+C 直接連接車輪不直接連車輪 MG1軸NAClutch 系統(tǒng)效率中低車速范圍較高，高車速范圍較低中低車速范圍較高，高車速范圍較低 結(jié)構(gòu)特點功率分流路線需要布置在2～4根軸上實現(xiàn)行星排可以使結(jié)構(gòu)更緊湊P13路線平行軸布置需要布置在5～6根軸上實現(xiàn)通過行星排可縮減到4根軸結(jié)構(gòu)緊湊 優(yōu)劣勢優(yōu)勢：油耗低，THS系統(tǒng)發(fā)動機產(chǎn)生的能量可以直接驅(qū)動車輛劣勢：其實從驅(qū)動電機到車輪，也是不能換擋的，大部分工況為并聯(lián)式結(jié)構(gòu)，發(fā)動機的部分功率用來發(fā)電，怠速充電為串聯(lián)式結(jié)構(gòu)優(yōu)勢[5]：1.能量傳遞路徑短，機械效率 2.動力性能好3.高加入了一套離合器和高檔位傳動齒輪，高速巡航場景，發(fā)動機可以直接通過傳動齒輪直接驅(qū)動車輪4.靈活性高—發(fā)動機可以并聯(lián)也可以串聯(lián)5.可以實現(xiàn)增程長距離電動行駛，向新能源靠得更近劣勢：要匹配一個很大功率的驅(qū)動電機，才能保證車輛動力性

本田的P13結(jié)構(gòu)本質(zhì)上是電動機為主，內(nèi)燃機為輔的混動系統(tǒng)，其對電機功率要求較高，可適當(dāng)放低對內(nèi)燃機的要求。而本田的功率分流結(jié)構(gòu)本質(zhì)上是以內(nèi)燃機為主，電機為輔的混動系統(tǒng)，其對內(nèi)燃機的要求較高，可適當(dāng)放低對電機功率的要求?？梢哉f兩種方案各有千秋，本田的P13結(jié)構(gòu)相似短跑型選手，而豐田的功率分流更像是長跑型選手。

3 總結(jié)

混合動力汽車的關(guān)鍵是混合動力系統(tǒng)，它的性能直接關(guān)系到混合動力汽車整車性能?；旌蟿恿ο到y(tǒng)總成已經(jīng)從原來發(fā)動機與電機離散結(jié)構(gòu)向發(fā)動機、電機和變速器一體化結(jié)構(gòu)發(fā)展，即集成化混合動力總成系統(tǒng)。

[1] 楊文斌.何東偉.Position 2(P2)構(gòu)型混合動力文獻綜述[J].科技視野,2018(33):82-83.

[2] 王建勛,辛海霞,方立輝,等.48VBSG混合動力系統(tǒng)控制策略研究[J].汽車實用技術(shù),2020,45(17):73-76.

[3] 李永鈞.48V輕混系統(tǒng)的應(yīng)用與發(fā)展[J].汽車工程師,2018(8):15-17.

[4] 賈林娜,閆立君,張世偉,等.混合動力政策和技術(shù)分析概述[J].汽車實用技術(shù),2016(10):8-12.

[5] Higuchi N.,Sunaga Y,Tanaka,M,et al.Development of a New Two- Motor Plug-In Hybrid System[J].SAE International Journal of Alter- native Powertrains, 2013, 2(1):135-145.

Analysis of Hybrid Technology Route and Research on Typical Route

CAO Liang, YU Zhonggui, CAO Quanzuo, PAN Shenglin, LIU Yuming

( Technology center of Harbin Dong'an Automobile Engine Manufacturing Co., Ltd., Heilongjiang Harbin 150060 )

Whether commercial vehicles or passenger vehicles comply with the market competition demand and meet the requirements of laws and regulations, it forces vehicle enterprises to speed up the research on hybrid technology routes. This paper compares different hybrid technology routes and analyzes their advantages and disadvantages. On the one hand, it provides reference for vehicle enterprises in choosing hybrid technology architecture, on the other hand, it proposes the typical route technology which is most suitable for the current hybrid demand.

Hybrid;Hybrid architecture;Typical route

A

1671-7988(2021)22-205-05

U461

A

1671-7988(2021)22-205-05

CLC NO.: U461

曹亮（1983—），男、主任、高級工程師，就職于哈爾濱東安汽車發(fā)動機制造有限公司技術(shù)中心，研究方向：內(nèi)燃機設(shè)計。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2021.022.053