QDSJ197 混动概念及车企混动技术路线对比

NO.197混动概念及混动技术路线对比混动概念及混动技术路线对比1、混合动力汽车的分类电能作为未来汽车的动力之源，能实现高能效比及零排放，是一种相当理想的能源。但由于目前电池及电机技术的限制，使得纯电动车在续航里程及维护成本上都比不上传统的燃料汽车。汽车生产商为此推出了混合动力汽车。混合动力汽车一方面排放较低，而另一方面在续航里程上和传统汽车无异。混合动力汽车的定义：混合动力汽车简单的说就是用电动机和内燃机作为动力源的汽车。在混合动力汽车内部必然存在电动机和内燃机。混合动力汽车内部同时有传统的燃油发动机和电动机，共同作为汽车的动力源供应。混合动力系统动力总成结构的3种形式：汽车混合动力系统动力总成结构主要有以下3种。串联式：只靠发电机行驶的电气汽车，配置的发动机输出的动力发动机发电机电池电机并联式：发动机为主，电动机为辅，电动机一般无法单独驱动汽车。系统输出动力等于发动机与电动机输出动力之和。代表车型有：本田CR-Z、别克君越eAssist。发动机电池 电机传送装置 并联式混合动力系统的发动机与电动机共同驱动同一动力输出轴。系统输出动力等于发动机与电动机输出动力之和。单独驱动车辆。由于系统中配置有独立发电机，因而系统输出的最大动力等于发动机、电动机以及充当电动机（部分情况）混联式系统结构复杂，但动力性能和燃油经济型都相当出色。代表车型有：丰田普锐斯、丰田凯美瑞尊瑞、雷克萨斯CT200h、比亚迪F3DM。发动机 动力分割机构 电池 发电机 电机 轻型混合动力和中型混合动力一般采用并联式结构，区别在于电动机能不能单独驱动汽车。重型混合动力一般采用混联式结构，电动机和发动机都能单独驱动车辆。混合动力系统的另一种分类方法：有时候我们会听说到“轻型”或“重型”混合动力汽车。这是另一种分类方法，下面我来说明一下。轻型混合动力：轻型混合动力汽车无法单独使用电动机驱动车eAssist燃油发动机提供动力，电动机只起到辅助作用。但中型混合动力系统在特定情况下（如低速巡航）能够单独使用电动机驱动汽车。例如本田的IMA混合动力系统就是采用并联式结构的中型混合动力系统。独驱动车辆行驶。如丰田的THS混合动力系统就是混联式结构的重型混合动力系统。使用THS系统的第三代普锐斯Hybrid采用的电动机最大功率达到60kW，最大扭矩达到207Nm，足以推动汽车进行中低速行驶。关于插电式混合动力汽车：插电式混合动力汽车一般为重型混合动力汽车，可以使用电动机单独驱动车辆。丰田最新一代普锐斯就是具备插电功能的混合动力汽车。2本田IMA并联式混合动力系统并联式混合动力系统解析1）系统构成：本田IMA系统是非常典型的并联式混合动力系统，至今已发展到第六代并应用在本田最新的CR-Z、思域、飞度等车型上。下面，我们就以IMA系统为例来说明一下并联式混合动力系统的结构。IMA系统由4个主要部件构成，其中包括：发动机、电机、CVT变速箱以及IPU智能动力单元组成。电动机取代了传统的飞轮用于保持曲轴的运转惯性。整套系统的结构非常紧凑，和传统汽车相比仅是IPU模块占用了额外的空间。2012思域HybridIMA混合动力系统 的IMA系统动力总成电缆 电池与计算机组成的IPU智能动力单元2）部件解析：国内的进口的本田CR-Z采用的是顶置单凸轮轴1.5L的i-VTEC发动机，最大功率83kW，最大扭矩145Nm，实测百公里油耗约5.4L。IMA系统的电机安装在发动机与变速箱之间，由于电机较薄且结构紧凑，行内人俗称“薄片电机”。国内销售的CR-Z上采用的薄片电机最大功率10kW，最大扭矩78Nm。显然，这样的电机只能起到辅助的作用。而由于IMA系统能够在特定情况下（如低速巡航）单独驱动汽车，而被划分到中型混合动力汽车行列。IMACVTCR-Z7CVT变速箱，以获得平顺的换挡体验及较高的换挡效率。IMAIPU智能动力单元是由PCU动力控制单元和电池组成。其中PCUBCMMCM控制模块以及MDM电机驱动模块组成。 IMA动力总成 IMA动力总成 变速箱 电动机 发动机 THS-II混联式混合动力系统解析系统构成：丰田THS系统是典型的混联式混合动力系统，至今已发展到第二代。THSHybrid”的缩写，最早被用于97年10月发布的第一代普锐斯（Puris）上。下面我们就以最新的THS-II系统对混联式混合动力系统进行解释。THS-II系统主要部件有汽油发动机、永磁交流同步电机、发电机、高性能金属氢化物电池盒以及功率控制单元。最新的第三代普锐斯和凯美瑞尊瑞采用的就是THS-II混合动力系统。部件解析：采用THS-II1.8L的5ZR-FXE发动机，而2012款凯美瑞尊瑞采用的是2.5L的4AR-FXE发动机。上面提到的这两款发动机均采用了能效相对较高的阿特金森循环。 美瑞尊瑞THS-II混合动力系统 电池和功率控制单元 汽油发动机、电动机、发电机 动力总成 减速机构 变频器 发动机输出轴 组 MG1发电机MG2电动机活塞行程比缸径长是阿特金森循环的特征 系统结构模型 连接齿圈 减速机构 齿圈直接输出动力 发动机连接行星架 THS-II系统的关键也是最为复杂的部件就是由两台永磁同步电机及行星齿轮组成的动力分配系统。THS-II系统中带有两台电动机——MG1和MG2。MG1主要用于发电，必要时可推动汽车。MG2主要用于推动汽车。而MG1、MG2以及发动机输出轴被连接到一套行星齿轮机构的太阳轮、齿圈和行星架上。动力分配就是通过功率控制单元控制MG1和MG2电机，通过行星齿轮机械机构进行巧妙分配的。由于使用了这种创新的动力分配方式，THS-II系统甚至连变速箱也不需要了，发动机输出经过固定减速机构减速后直接驱动车轮。很明显，丰田THS-II系统的复杂度要比上面提到的本田IMA系统高出许多。虽然控制系统复杂，但其结构尚算紧凑，省去了庞大的变速箱降低了车身重量，对于车辆的燃油经济性有相当大的帮助。⚫ 串联式混合动力系统解析沃蓝达内置了1.4L汽油发动机、主电动机（最大功率111kW，最大扭矩368Nm）以及辅助电动机/发电机。其汽油发动机仅用于对电池充电，并不直接驱动车辆。而由于沃蓝达可以仅使用电池供电推动车辆行驶80公里，从某种意义上已属于纯电动车范畴。1）系统构成：Voltec混合动力系统是通用汽车的E-Flex插座充电式混合动力驱动系统的最新版本，采用1台小型的发动机、2台电动机对车辆进行综合驱动的系统。沃蓝达上采用的是容量为16kWh的360V锂电池组，电池组成T型布置，隐藏于后排座椅下及车身中部，纯电动最高行驶里程可达80km。整个Voltec混合动力系统包括汽油发动机、综合动力分配系统、高容量锂电池以及电力控制单元。 汽油发动机（仅用作发） 锂电池 电控模块 充电接口部件解析：沃蓝达的动力系统由2台电动机（最大功率分别为111kW和55kW）和1（63kW）组成，发动机仅用于发电。其中功率较大的电动机主要用于驱动车辆，而功率较小的电动机主要用于发电。2台电动机和11个行星齿轮机构以及3个离合器组成了动力产生/回收/分配系统。和上文提到的丰田THS系统一样，系统同样使用行星齿轮组巧妙地实现了动力的综合分配。所不同的是，在工作逻辑：要了解系统的工作逻辑，首先要了解动力分配系统的结构。从THS系统有一定的区别，3三个离合器分别命名为C1、C2、C3。C1用于连接行星齿轮齿圈与动力分配机构壳体（固定）；C2用于连接发电机与行星齿轮齿圈；C3用于连接发动机与发电机。 系统与THS系统的动力分配机构对比图 沃蓝达系统 普锐斯THS系统 太阳轮MG1发电机齿圈输出到车轮行星架输出到车轮行星架发动机太阳轮发电机齿圈MG2发动机齿圈锁定到壳体或发电机和发动机 动力分配系统结构图 离合器 行星架（输出动力）主减速齿轮 差速器 ） 到车轮的输出轴 机输出/发电机（齿圈） 因为欧洲车企的指导思想是：在满足排放法规最低门槛的条件下，使用最小的改造成本。所以，对于欧洲车企而言，传统的燃油车平台发动机必须保留，传统的机械多档变速箱必须保留，一切改动都是围绕着以既有的燃油车平台为中心而开展，一切新技术的选择都以成本最小化为目的，——而不是以系统能耗最小化为目的。PSA、沃尔沃是欧洲车企中向新方向做出探索发展的代表，它们在基于P2单电机构型的基础上，开始在中端车型以上采用P2+P4、P0+P2+P4的拓扑结构，并且采用高效率电机技术。但是在这种探索中仍然还有着一些以燃油车平台为中心的发展痕迹：如低配车型（308普通版、508等）仍然使用P2单电机结构，继续使用燃油平台发动机、保留多档变速箱等。在这11个子项中，如果PSA、沃尔沃在更多方面能向混动平台专用的方向发展，那对于乘用车能耗的降低效果会更明显。PSA、沃尔沃的各子项技术对应分类可在第六节中查找。首先，不利的方向是，吉利跟随沃尔沃而深受欧洲车企的混动P2.5上汽也受到大众汽车的影响，以成本作为其最重要的选择标准，转向使用P2.5单电机结构。有利的方向同样与成本有关。上汽、比亚迪都开始逐渐掌握各项关键零部件的研发与制造环节，有利于在混动平台中采用各项领先技术。而对于理想、东风岚图这样的新生势力，也可以从广汽、比亚迪等车企采购关键零部件，从而推进国内混动技术的整体发展。当国内车企能够建立起多个在能耗、动力性能、成本3方面都占优势的混动平台时，就有希望在新的汽车市场里拥有更大的竞争力。车企丰田THS通用、福特本田iMMD比亚迪DMi比亚迪DMp技术路线混动专用发动机技术（＞40%超高热效率+全电无轮泵系行星齿轮式机电耦合结构高效率电驱动技术（扁线电机油冷技术）高倍率小容量电池混动专用发动机技术（＜率）电耦合结构技术高倍率小容量电池混动专用发动机技术（＞40%超高热效率）P1+P3拓扑结构高效率电驱动技术（扁线电机油冷技术）高倍率小容量电池混动专用发动机技术（＞40%超高热效率+全电无轮泵系）P1+P3拓扑结构高效率电驱动技术（扁线电机高速电机油冷技术）P0+P3/P0+P4拓扑结构（低配车型）P0+P3+P4拓扑结构（高配车型）车企吉利epro（领克车型）EDU（荣威、名爵、大通iHUD）广汽GMC（用于广汽传祺、广汽三菱车型）长城柠檬（用于哈弗、坦克车型）长城Pi4（用于WEY车型）技术路线P2.5单电机结构P2.5单电机结构高效率电驱动技术（扁线电机高混动专用发动机技术（＜40%较高热效率）P1+P3拓扑结构P2+P3拓扑结构（A级、B级车型）P2+P3+P4拓扑结构（C级车型）（扁线电机高速电机油冷技术）P0+P4拓扑结构（原封购买欧洲技术）车企理想ONE东风岚图日产e-power(用于A0级车型）日产（用于B级车型）沃尔沃技术路线单增程模式拓扑结构混动专用发动机技术（＞40%超高热效率）单增程模式拓扑结构高效发动机技术(<40%较高热效率+全电无轮泵系)单增程模式拓扑结构高效发动机技术(<40%较高热效率+全电无轮泵系)P2单电机结构P2+P4拓扑结构车企大众奔驰宝马保时捷长安技术路线P2单电机结构高效发动机技术(<40%较高热效率+全电无轮泵系)、P2单电机结构P2单电机结构/P0+P4拓扑结构P2单电机结构/P0+P4拓扑结构P2单电机结构（原封购买欧洲技术）车企奇瑞标致雪铁龙PSA技术路线P2单电机结构（原封购买欧洲技术）P2单电机结构（低端车型如308PHEV普通版、508PHEV）、P0+P2+P4拓扑结构（中端车型如天逸C5PHEV，4008PHEV，308PHEV性能版）高效率电驱动技术（扁线电机、油冷技术）从政策层面来说，是为了满足全球各国共同制定的碳排放目标，燃油车已无法满足各国法规中的排放要求，只有被碳排放更低的混动车型及纯电动车型取代；从科学依据层面来说，混动车型及纯电动车型的全周期能量足迹转化效率分别能达到33%和34%，远高于燃油车的19%，这不但意味着节能效果更好，同时也意味着全周期的排放总量更少。因此在乘用车这个领域，混动车型及纯电动车型会逐渐取代燃油车。作为燃油车的替代品，混动车与纯电车将是长期共存的状态。由于燃油车将与混动车至少共存15年，满足以下条件的混动车才会具备对燃油车的替代优势：①比同级别的燃油车的能耗更低。②比同级别的燃油车动力性能更强。③与同级别的燃油车平价甚至低价。只有具备这3个条件的混动车，才能在汽车市场上被消费者主动选择——尤其是在市场容量最大、用户对成本敏感度最高的A级车市场中，这样的混动车型相对于燃油车的替代优势就更大。即使没有限牌限号这类行政措施的强制干预，消费者也会自发地选择有这3点特性的混动车，从而自然地完成燃油车的淘汰过程。基于第二点、第三点所述，评价混动技术路线优劣的基本原则就是：—也就是说，在混动乘用车中，汽油和电力这两种能量的综合利用率应该趋近于最优的状态；在满足上一点的前提下，混动乘用车的价格应该不高于相同级别、相同动力性能的燃油车。评价混动技术路线优劣有以下3个具体维度：能效（汽油和电力两个能量源的综合利用率）：/机；②发动机附属泵系全电无轮化；术)及电控器；对发动机高效区与电机高效区进行优化融合的技术：①系统拓扑结构及各动力源耦合模式的完备性：②系统中是否存在多档变速箱及其形式（变速箱/DCT变速箱/两档齿轮变速结构/单档减齿轮直连）； ③混合动力流的动态控制优化算法与技术。动力性能：工况各区间的轮端功率需求与动力源的功率输出匹配度；在整车动力流控制过程中，系统动力切换与耦合的稳定性与抗扰性(平顺性)：①系统中离合器组件的数量；②动力耦合过程对整车驱动方式的影响：成本/价格：车企的成本控制能力（内化指标，只对厂商有意义）；终端价格。(外化指标，只有终端价格才对消费市场有意义。）以下逐一对各家车企的混动技术路线进行详细评价：高效率电机(扁线电机、高速电机、油冷技术)及电控器：高效率电驱动技术能够提升电驱系统的效率及MAP图高效区覆盖范围，从而让电机在绝大部分转速、扭矩区间都能有极高的输出效率。电驱动系统的最高效率由电机的最高效率与电控器的最高效率所决定；电驱动系统的综合高效区由电机的高效区范围及电控器的高效区范围所决定。如同发动机的评价方式，电驱动系统的最重要参数就是MAP图高效区的覆盖范围。普通圆线电机的高效区很狭窄，效率＞90%的高效区间覆盖范围一般低于75%；而采用扁线电机、高速电机、油冷技术的电机，效率＞90%的高效区间覆盖范围一般高于85%，上汽EDU的达到88%，比亚迪DMi的达到90.3%；电控技术已经成熟，差别只体现在IGBT芯片与SiC芯片的效率。目前所有的混动车型都是使用IGBT芯片，电控器的效率也基本一致，效率＞90%的高效区间覆盖范围在88%～93%之间。电驱动（分体或者三合一）系统的综合高效区由电机高效区与电控器高效区复合而成。由此，采用扁线电机、高速电机、油冷技术的电驱动系统，其MAP图高效区为：效率＞81%的区间覆盖范围在85%左右。（同理，采用圆线电机的电驱动系统的高效区覆盖范围则更低。）再回顾一下第1个评价点中的内容，就能明白，这就是（为什么在某些速度区间，单增程式混动的能量利用率低于混驱式混动？）这样一个在非专业人群中争论不休的话题，却在行业内基本没有争议的原因。理论来源如下：①（采用领先技术如扁线电机、高速电机、油冷技术的）电驱动系统，效率＞81%的高效区覆盖范围为85%左右；（实际的低效工况下，电驱系统的工作落点还会落入70%、60%附近）；②在双电机混驱混动系统（如本田iMMD、广汽GMC、比亚迪DMi、长城柠檬）以及单增程式混动系统（如理想one、东风岚图）中，以上MAP特性对于两个电机同样适用（发电机、驱动电机）；③电驱动系统的低效区为低转速高扭矩区以及高转速低扭矩区，由于电机通过减速齿轮直连轮端差速器或者发动机，因此车企会通过特定的齿比设计将某一些最佳的功率区间放入电驱动系统的高效区之内：对于驱动电机而言，这个被特意放入高效区的功率区间对应的就是车辆行驶的某些速度区间；对于发电机而言，这个被特意放入高效区的功率区间对应的就是发动机发电的某些发电功率区间；④源头问题来了，这个被特意放入发电机高效区的最佳发电功率区间是什么？没错，它就是发动机MAP—也就是在MAP图中，发动机热效率高效与发动机NVH静谧区交叉围合而成的一小块区域。而这一小块区域的输出功率一般是在1/3峰值功率左右。以理想one为例，也就是25～30kW左右。⑤当这个特定发电功率不能满足车辆的轮端功率需求时，发动机的工作落点就会偏离这个最佳围合区域，结果就是两种：要么NVH恶化，发动机噪音及抖动明显；要么发动机进入低效区。⑥这个特定的发电功率所对应的轮端功率，将其翻译成车辆行驶速度就是在60～90km之间。（由于整车结构的区别，不同车型的对应速度也有所区别）⑦综上，当车辆速度跨过这个最佳临界点时，意味着发动机→发电机→驱动电机这个系统将整体进入NVH劣化区/低效工作区。⑧然后就该比较，在进入NVH劣化区/程、发动机直驱轮端这两种方式的能量转换效率：发电单增程方式：（发动机→发电机→驱动电机→车轮驱动电机、发电机两个电驱动系统的高效区边界都为81%；81%×81%=65.6%。发动机直驱轮端方式：（发动机→离合器→减速齿轮→车轮）离合器+减速齿轮的传动效率＞97%；该路径的能量利用率最低为：97%。⑨所以，这就是（中高时速区间发动机介入直驱或混驱车轮，效率更高）的理论依据。系统拓扑结构中各动力源耦合模式的完备性：（发动机、电机MAP图高效工作区的覆盖完备度）各动力源的耦合模式需要使发动机高效区特性和电机高效区特性能够互补与融合，从而避免发动机或电机的工作点落入低效区。（注：P0单电机（MHEV）、P1单电机构型都不具备电机独立驱动车辆的能力，只是在纯燃油系统中增加的一个小补丁，没有讨论价值。）①无法避免发动机工作点落入低效区的拓扑结构：P2单电机结构（欧洲车企）；P2.5单电机结构（吉利epro，上汽EDU）；②无法避免电机工作点落入低效区的拓扑结构：单增程式（单电机或双电机）结构。③无法使发动机与电机完全解耦，降低能量利用率的拓扑结构：丰田THS单组行星齿轮结构；系统中是否存在多档变速箱及其形式（/DCT变速箱/两档齿轮变速结构/单档减速齿轮直连）在混动系统中，多档变速箱存在的本质原因就是因为没有使用混动专用发动机，燃油平台发动机的MAP图高效区范围太窄，需要依靠多档变速箱来扩大工况适应能力，但是变速箱的存在也会降低系统的能量利用率与能量回收效率。①单档减速齿轮/行星齿轮连接，没有机械换挡式变速器：丰田THS、本田iMMD、通用、福特、日产e-power、理想、东风岚图、广汽GMC、比亚迪DMi；②两档变速器：长城柠檬；③AT/CVT变速箱:宝马、奔驰、日产、沃尔沃、PSA；④DCT变速箱：比亚迪DMp、长城Pi4、吉利epro、上汽EDU、大众汽车；混合动力流的动态控制优化算法与技术：混动系统的核心，就在于通过优化机电耦合的效率来最大程度地拓展发动机和电机在高效工作区内运行的比例，从而融合发动机与电机的驱动优势，最大化地提高燃油与电力这两种动力来源的能量利用率。混动系统的动力耦合动态过程控制，比燃油车要复杂一个等级，比纯电动车要复杂三个等级，这种动态过程的仿真与控制技术需要在机电耦合系统方面有长期积累与丰富经验。配度；THS、日产e-power；法响应：理想。③发电机功率过小，导致某些低电量情况下对轮端的高功率需求无法响应：P0+P4拓扑结构；（长城Pi4，比亚迪DMp低配车型，保时捷部分车型，宝马