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混合动力汽车技术详解

作者: 车课通
发表时间: 2022-10-09
阅读: 1267

近两年国内造车大厂混动车型如春笋般纷纷破土而出,如比亚迪DM-i混动系统、吉利雷神智擎Hi X混动系统、长安蓝鲸iDD混合动力系统等。

虽然最近国内各家纷纷推出最新技术的混动车型,但混动技术并不属于新型技术,早在一百多年前费迪南德·波尔舍就推出了Lohner-Porsche混动车型。

要想搞懂混动系统是什么,就需要搞清楚它的构型以及关键的部件-不同位置电机的作用,首先我们可以先从Px电机的作用来进行了解,Px电机中的P代表Position即位置的意思,x表示位置,0代表处于发动机前,1代表处于发动机后离合器前,2代表处于离合器后变速器前,2.5代表将电机整合在变速器内,3代表位于变速器输出端,4代表位于后桥位置(3与发动机共享输出轴,4与发动机不共享输出轴)。以下对不同电机构型进行说明。

一、P0电机

P0电机,称为BSG电机,BSG - Belt-Driven Starter Generator,一般只应用与自动启停以及12~25V微混和48V弱混,通常用于发动机怠速停机、停机后的快速起动、制动时能量回收,是一种利用皮带传动兼顾起动和发电的一体机,

BSG电机位于发动机的前端,通过皮带传动的方式与发动机相连,皮带的柔性连接传递动力过程中不会产生机械震动。

BSG电机还可以调控发动机转速,从而使得车辆在启停、怠速、换挡、加速等方面平顺性得到极大改善。

电机结构

在起动过程中,BSG电机可以迅速的拉升发动机的转速,使其越过低速抖动区间再点火,明显改善了发动机的起动平顺性。在升档降档过程中,BSG电机可以通过皮带传动把发动机的转速拉升或者降低到与档位相匹配的转速,通过BSG电机控制发动机的转速,改善换挡的平顺性。

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以比亚迪的高效率BSG电机为例,最大功率为25kW,比一般BSG电机高出60%功率,在失市区高峰期低速行驶,相对没有加装BSG电机的混动系统发电效率提升21%,且电机工作电压是360V~518V,可以直接使用动力电池供电,不需要额外的启动电池以及与之配套的充电设备与线路。

总结可知P0电机作用,当发动机运转时,由曲轴带动发电,当电机运行时,带动曲轴启动发动机,可提供动力补充,实现自动启停。

二、P1电机

P1电机,称为ISG电机,ISG - Integrated Starter and Generator,集成式智能启动驱动发电机,电机转子直接与曲轴相连,位于发动机后端,离合器前的位置,通常固连在发动机上,取代传统汽车飞轮。

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ISG电机是汽车起动发电一体机,集成在发动机主轴上,直接以某种瞬态功率较大的电机替代传统的启动电机,在起步阶段短时替代发动机驱动汽车,并同时起到启动发动机的作用,减少发动机的怠速损耗和排放污染,正常行驶时,发动机驱动车辆,该电机断开或者起到发电机的作用,刹车时,该电机还可以起到再生发电,回收制动能量的节能效果。

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总体来说P1电机作用和P0电机作用是相差不大,

1.BSG位于皮带上,价格便宜,主打省油。BSG没有取消皮带,也就意味着发动机多余负荷并没有完全卸载,同时电动机协助动力输出时也不能完全发挥最大效力,动力上损失比较明显,更多体现在经济性和平顺性。

2.ISG电机转子与曲轴输出端直接相连,同时取消飞轮,价格较贵,主打舒适性。并且ISG电机将发动机负担几乎完全卸掉,没有皮带束缚,发动机可以更加纯粹驱动车轮。

根据上述P0和P1电机说明可知,P1电机与P0电机相仿,但是功率要更大一点,支持发动机的启停、制动能量回收,可用于给电池充电,同时辅助动力的输出,但目前P1电机多装备在轻混车型中,通常情况下P0和P1电机是无法直接驱动汽车的(只要电机旋转,发动机中的曲轴就必须旋转,无法单独运行,这P0、P1本身的结构弱点,除此之外另一个弱点为,在动能回收和滑行模式下,两电机必须带动曲轴空转)。

此处加一点题外话,以全新奔驰C级的48V ISG电机微混系统为例,48V系统只是汽车电气架构下的一个组成部分,也可以理解为汽车电气系统的一次升级,而它并不能算作是一套真正的混合动力系统,因为这套系统在驱动车辆行驶的能力方面,实在是太弱,只能提供有限的辅助作用,对于油耗和排放的改善也不明显,所以厂家就叫它“轻混”,相比较丰田的THS、本田的i-MMD,比亚迪的DM-i、长城的柠檬混动、长安的蓝鲸DHT等,48V轻混,说得直白一点,就是欧美地区偷懒,不想下功夫研发混动技术,又不愿意承认自己技术不行,而搞出来的东西。

三、P2电机

如果在离合器后端、变速器前端增设电机,则此电机可称呼为P2电机;P2电机和P0、P1电机不同,它没有被集成到发动机模块中,又与发动机之间存在离合器,因此P2电机是可以单独驱动车轮,若与电池PACK连接可实现纯电模式行驶。此外在制动能量回收时也可以切断与发动机的连接。

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同时,P2电机不仅可以直接布置在变速器的输入轴上,也可以通过传动带或传动齿轮与变速器的输入轴连接等。

由于P2电机可以直接驱动车轮,因此P2电机可以分别与P0、P1组成混动动力总成,

1.P0电机的最大作用之一就是为电池PACK充电,利用比亚迪的高压P0电机可以有效的解决馈电能力弱的缺点,例现代汽车由发动机、P0电机、P2永磁交流电机、传统的6当手自一体变速器TMED混合动力系统可以实现纯电驱动、发动机直驱和混动驱动。

2.P0电机处于发动机前端,与P1电机转子与曲轴输出端直接相连相比,传动效率低;发动机刚性连接P1电机可以组成双电机双离合架构,大大提升传动效率;当C1离合器常态分离时,C2离合器常态啮合,P2电机长期处于工作状态,可以依赖于电力驱动,发动机处于最佳效率区间,从而大大增加整体效率。C1离合器分离时,发动机不参与驱动车辆,带动P1电机发电,P2电机通过C2离合器直接驱动车轮;若C1离合器啮合,C2离合器啮合则P2电机与发动机共同驱动车轮。

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四、P2.5电机

如P0电机一般,将混动部件整合到变速器的内部即为P2.5电机的整合逻辑,大致可以分为两类,一为以上汽EDU混动系统、吉利GSH混动系统为代表的P2电机与双离合变速器结合的P2.5思路,二为以本田i-MMD混动系统、丰田THS混动系统为代表的P3电机与自动变速器结合的P2.5思路。

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P2.5电机架构一般是基于双离合变速器(DCT)出现,由于双离合变速器是需要在两根输入轴之间进行切换,于是就可以将电机集成在其中一根轴上,一般选择偶数挡位的轴。

P2.5电机架构可以实现以下三种工作模式

1、两根输入轴都解耦,然后由电机通过变速箱的偶数轴输出动力驱动车辆,相比P2电机需要经过整个变速箱的设计,传动效率更好。

2、电机所在的偶数轴耦合,发动机与电机以同样的传动比输出,与P2架构的串联混动逻辑是一样的,只是电机变到了变速箱内部。

3、变速箱奇数轴耦合,发动机通过这根轴直接驱动车辆行驶。由于双离合变速器的特性,所以偶数挡的这根轴也会旋转,此时就会带动电机反转为电池充电。

P2.5电机架构的优点

1、相比P2电机架构,P2.5电机架构的传动效率更高。因为当双离合器两根输入轴都解耦时,P2.5电机可以直接驱动车辆实现纯电驱动,但又不像P3电机需要占用其他的空间。

2、P2.5电机因为能够与发动机进行耦合,电机可以与发动机拥有相同的传动比,所以不需要太大的扭矩,可以降低电机的体积和成本。

3、因为双离合变速器的特性,在低速以及拥堵路段的换挡平顺性和变速器的磨损比较严重,但通过P2.5电机的纯电驱动能够显著改善这些缺点。

P2.5电机架构的缺点

1、混动介入时的顿挫感会比较明显。纯电模式下P2.5电机的驱动感受拥有纯电车的感觉,此时发动机介入时离合器耦合带来的顿挫感会比较明显,所以对匹配调教有更大的要求。

2、结构比较复杂。P2、P3电机架构在传统燃油车基础上并没有改变太多,只是相对独立的加入了电机,但P2.5电机因为是整合在变速箱内部,对系统的匹配度也是个考验,比如两个离合器的接合控制、发动机和P2.5电机的动力融合瞬间控制等,都需要长时间的经验积累。

3、因为双离合变速箱的偶数轴要比奇数轴承受更大的扭矩,这会导致两轴与离合器磨损程度不一致;另外,P2.5电机集成在变速箱内部会增加维修成本,因为不论变速箱故障还是电动机故障,都需要拆卸变速箱总成。

P2.5电机架构与传统P2、P3电机最大不同为他整合在变速箱内部,通常是双离合变速箱,它的优点就是比P2架构更好的传动效率,但又不像P3架构占用空间,缺点就是结构比较复杂,调教不好就会有发动机介入的顿挫感,P2.5架构也是目前许多国产车型的主要方向。

五、P3电机

由于P2电机需要经过变速箱,在纯电驱动、制动能量回收的效率会有所下降,P3电机可以解决部分上述问题,P3电机架构是将电机的位置放在了变速箱的后面,可以与变速箱有一定的距离,与变速箱的输出轴耦合,通过齿轮或者链条来进行传动。整个路径为发动机-离合器--变速箱-电机-减速器-车轮。功能方面,P3电机可实现制动能量回收、纯电驱动车辆。

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P3电机架构的优点

1、纯电驱动的效率更高,因为P3电机的位置是在变速箱后,与传动轴相连接,所以在纯电驱动的情况下能够更加直接高效的驱动车辆,减少动能损耗。

2、动能回收能力更好,在车辆制动或者下坡等路况,车轮反转产生的制动能也能更直接的通过传动轴反馈给P3电机进行充电。

P3电机架构的缺点:

1、相比P0-P2电机,P3电机因为不能与变速箱或者发动机进行整合,所以整个结构需要一个单独的空间来存放,所对应的就需要占用更多的车身空间了。

2、因为P3电机与发动机中间隔着变速箱以及离合器,所以电机就不能承担发动机的启停工作了,所以这时候就需要增加一个P0或者P1位置的电机来填补这个功能欠缺,同时电机的功率不能太低。

3、虽然P3电机是在变速箱的后方,但在纯电驱动的情况下,还是需要带动前方的变速箱,所以变速箱就会造成一部分不必要的能量损失了。

混动架构的工作模式可分为

1、纯电驱动:电池为P3电机供电,离合器断开,发动机以及P1发电机不工作,由P3电机单独驱动车辆。2、发动机直驱:当车辆行驶情况符合发动机高效区间时,离合器耦合,发动机将单独驱动车辆,但因为没有变速器,发动机难以达到高效区间,所以这种模式比较少。3、串联混动:发动机、P1发电机、P3电机被串联在一起,发动机带动P1发电机发电,将电能输送给P3电机使其驱动车辆。4、并联混动:发动机与P3电机一同运行驱动车辆。5、动能回收模式:在下坡或者制动时,车轮带动P3电机反转为电池充电。

P3电机相比之前的电机架构来说,它的动力不再需要经过变速箱,所以纯电驱动以及动能回收效率更高,缺点就是占用空间同时需要其他位置的电机来辅助。相比单独的P3架构,加上P0或P1位置的电机(本田i-DDM混动系统),能够得到更好的效果。

六、P4电机

P0-P3电机架构不管怎么变,但它们始终是与发动机有关联的,P4电机定义为与发动机不同轴且可以直接驱动车辆,因为车辆分为前驱和后驱,所以对应的P4电机可能会出现在后桥或者前桥,相比较下轮毂电机可以更好定义的P4的电机。

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P4电机的总体特点就是:P4电机不与发动机驱动同一个轴,所以在P4电机架构下的车型都能够实现四驱。同时P4电机与发动机没有任何形式的连接。

由于P4电机的特性,所以车辆在发动机直驱模式与P4电机直驱模式之间如何进行切换而不影响驾驶,这就是一个问题了,因为两者的驱动轮完全不一样了,如果车辆为前置前驱的车型,那么切换为纯电行驶时就会一下切换到P4电机的后驱,如果是后置后驱则同理,这种动力切换会明显降低车辆的操控性以及舒适性,所以车辆就需要在以电机驱动为主还是以发动机驱动为主之间进行选择了。

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P4电机架构相对来说就是最独立的一个电机架构,与发动机基本上没有关系,但毕竟是混动架构,所以动力切换的属性导致P4架构不能单独存在,需要搭配其他电机,优点就是不需要传动轴也能四驱,缺点就是需要对整个P4电机所在的车架进行重新设计,同时没电时P4电机的架构就是累赘了。

七、总结

从上述P0-P4的描述中可以得出P后的数字越大,表示距离发动机的距离也就越远,P0电机基本和发动机集成、P2处于离合器端、P4配置在车辆“后轴”上。

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