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混动百科 | 100张图,搞懂混动汽车是如何工作的(汇总篇)
来自:电动邦
作者:邦老师
2021-10-19 15:47:16
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引子

作为《混动汽车百科》专栏的第二篇汇总篇,我们以「比亚迪DM-p混动系统」为引子,因为这套系统就非常有意思,拥有『双擎四驱』和『三擎四驱』两种架构模式,比如:

『双擎四驱』架构模式

『双擎四驱』架构模式:也就是在「发动机」前端有一个功率可达25kW(峰值扭矩60N·m)的「P0电机」(BSG电机),在「后桥」则有一个功率可达180kW(峰值扭矩330N·m)的「P4电机」。此时,「发动机」与「P4电机」可同时驱动车轮,也就是所谓的『双擎四驱』模式。

『三擎四驱』架构模式

『三擎四驱』架构模式:即是在『双擎四驱』模式下,在「变速器」(双离合变速器)后端配上了一个功率可达110kW(峰值扭矩250N·m)的「P3电机」,当『三擎』(「发动机」+「P3电机」+「P4电机」)共同工作时,理论最大功率可媲美一台V8的大引擎。

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Px电机架构示意图(动图)

我们会惊讶地发现,一辆搭载「比亚迪DM-p混动系统」的车,在『三擎四驱』架构模式下,竟然搭载3个「电机」1个「发动机」,而每个「电机」由于所在位置的不同拥有着自己的代号——这就是本章节将要展开详解的「Px电机架构」,而其中的『P』即是『位置』(Position)的意思。

不同位置电机的简介

废话不多说,我们就详解「Px电机架构」的内容。

本文目录

本文篇幅约1.5万字,近100张图片,为方便阅读,可根据一下目录进行检索:

  1. 「P0电机」:强大的起动电机

  1. 「P1电机」:与发动机固定连接

  2. 「P3电机」:深耕于『基层』的好员工

  1. 「P2.5电机」:将「电机」融入「变速器」

  1. 「P4电机」:纯电驱动的『打工人』

「P0电机」:强大的起动电机

传统汽车的启动系统

对于传统汽车而言,当「发动机」运转时,「传动(皮)带」带动「发电机」发电,发出来的电,部分直接带动车内的电气设备,比如空调的压缩机等,多余的电则为「蓄电池」充电。但对于混动汽车而言,我们希望这个「发电机」能起到更大的作用。

P0电机(BSG电机)示意图

所以,在P0这个位置工程师们设计了电压与功率更大的「BSG电机」(Belt-driven Starter/Generator,带传动起动/发电一体化电机),旨在使其兼具发电和主动调节「发动机转速」等作用,举几种工况:

l 发电时,「发动机」带动「BSG电机」发电,把机械能转化为电能,发出来的电能通过「电机控制器」,把电能分配给「驱动电机」及「高压用电器件」;

l 在等红绿灯「发动机」停机时,「BSG电机」带动「空调」的「机械压缩机」运转;

l 驱动时,通过「传动(皮)带」把「BSG电机」的电能转化为「发动机」的机械能,调节「发动机转速」。

奔驰A级和B级上的P0电机

但目前大部分的「BSG电机」仍然通过「传动(皮)带」传动,容易出现打滑失效的情况,即使有「张紧器」,其传动效率仍然有限,不支持其进行更大强度的动力输出,无论是给「发动机」加力还是回收动能的功率都有限。

因此,「P0电机」一般只应用于「自动启停」以及12 ~25 V的「微混合动力系统」和48V的「轻混合动力系统」,通常还是用于发动机怠速停机、停机后的快速起动、制动时能量的回收。以奔驰A级和B级车上使用的「P0电机」为例,其采用的「BSG电机」配合拥有更强调节张紧能力的「液压传动带张紧器」,在启动「发动机」和进行能量回收时,实现更高的传动效率。

来自某车企BSG电机的宣传资料

当然,对于「P0电机」的优化并没有停止,正如上图某车企「BSG电机」的宣传资料所展示的,「BSG电机」的玩法还有很多,若将「BSG电机」置于「发动机」的前段进行硬性连接,或许能将效率进一步提升,但是否有这样的必要,仍然存疑。说到『刚性连接』,不妨来看看刚性连接的「P1电机」。

「P1电机」:与发动机固定连接

P1电机(ISG电机)示意图

「P1电机」又称「ISG电机」(Integrated Starter and Generator 盘式一体化起动/发动一体化电机)位于「发动机」后、「离合器」前的位置,通常被固连在了「发动机」上,从而取代了传统汽车的「飞轮」,当然也有例外。

传统汽车上的曲轴飞轮组,加入P1电机

由于「P1电机」与「发动机」采用刚性连接,通常直接套在「发动机」的「曲轴」上,「曲轴」充当了「P1电机」的「转子」,只要「发动机」在运转,「P1电机」就跟着旋转。因此:

在驾驶人踩下加速踏板后,控制单元会控制「ISG电机」加速转动,与「发动机」一起做功,确保动力的输出,同时降低了「发动机」的能耗,达到省油的目的;

在不同程度的制动过程中,「ISG 电机」不再从「蓄电池」中索取电能,从而跟随「发动机」中的「曲轴」空转,给「曲轴」带来负担,降低转速,可谓是在给「发动机」制动,同时在惯性的作用下可以发电,逆向为「蓄电池」充电,实现动能回收;

采用机械连接的「P1电机」布局的传动效率要比「P0电机」布局的混动程度更高,因此除了自动起停、「微混合动力系统」和「轻混合动力系统」外,还可以应用在100 V~160 V电压的「中混合动力系统」中。

搭载第一代本田IMA混动系统的思域Hybrid(2003)

与「发动机」刚性连接的「P1电机」看似比起「P0电机」效率更高,但两者都有着一些共同的结构弱点,比如:

无论是「P0电机」还是「P1电机」都存在一个结构上缺点,因为只要「电机」旋转,「发动机」中的「曲轴」就必须旋转,无法单独运行,故此「P0电机」和「P1电机」都无法单独驱动车辆;

在动能回收和滑行模式下,「P0电机」「P1电机」也因为必须带动「曲轴」空转,其中浪费的部分动能以及增加噪音和振动,使得因此「P0电机」和「P1电机」都不适合「电机」、「电池」更大的强混系统。

奔驰S400 BlueHYBRID(2010)的P1电机

好在「P1电机」的结构可靠性较高且成本较低,所以,十分适合运营类车辆使用,比如国内的不少公交车便喜欢采用「P1电机」。此外,早期的本田和奔驰也采用过这种架构。比如和搭载第一代「本田IMA混动系统」(Integrated Motor Assist 综合电机辅助并联混动架构)的「本田思域Hybrid」、「本田Insight」、七代「本田雅阁混动」、「本田CR-Z」等,又比如「奔驰S400 Blue HYBRID」等。

「P2电机」:变化多端架构形式

通常情况下,「P2电机」的位置被定义在「变速器」与「发动机」之间,且位于「离合器」后,这个位置有以下几个特点:

P2电机示意图

不被整合在「发动机」的外壳中:由于「P2电机」和「发动机」之间有「离合器」,故此,「P2电机」可以单独驱动「车轮」,实现纯电行驶模式。此外,在动能回收时也可以切断与「发动机」的连接,这是与「P1电机」显而易见的区别;

情况1:P2电机直接套在变速器输入轴上 (正面)

情况2:P2电机通过传动带或齿轮传动与变速器输入轴连接(正面)

情况3:P2电机连接减速齿轮,配合P1电机(简图)

基础结构简单、布置形式灵活:「P2电机」不仅可以直接套在「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,甚至可以使用「减速齿轮」进行链接(见上图)。

情况1:P2电机直接套在变速器输入轴上(俯视)

我们以『「P2电机」直接套在「变速器」的「输入轴」上』为举例,最常见的就是我们此前文章中提到的大众集团的『「P2电机」+「双离合变速器」』方案,代表车型为「奥迪Q5 Hybrid」、「奥迪A3 Sportback e-tron」和「大众途锐Hybrid」等。

奥迪A3 Sportback e-tron(2017),德味十足的P2电机架构

比如「奥迪A3 Sportback e-tron」的「P2电机架构」,德味十足,将一颗峰值功率75kW(峰值扭矩330N·m)的「P2电机」套在了6速的「e-S troinc变速器」输入轴上,通过「双离合器」分配动力,属于经典的『单电机双离合派』。其工作原理比较简单,大致如下:

当你开启汽车,「电池」与「高压系统」就已经准备好唤醒「P2电机」,时刻准备向它供电。

起步后,「电池」为「P2电机」供电,「P2电机」带动「变速器」中的「齿轮」转动输出动力,通过传动机构最终带动「车轮」。

当需要大扭矩或是急加速时,「发动机」强势介入,此时「离合器」中的「离合片」相互耦合,「发动机」与「P2电机」串联在一起,共同输出动力,同时「电池」也为「P2电机」,释放整套动力总成所有动力。

在滑行时,或是踩下刹车后,动能回收系统便开始发挥作用,「离合器」松开,断开「发动机」的连接,「车轮」反向带动「P2电机」发电,为「电池」充电。

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奥迪「P2电机架构」原理(动图)

这套『单电机双离合』方案的优点是结构相对简单,相比传统燃油汽车结构调整较少,但是这种『独苗』的「单电机」架构有一个小小的缺点——保电(或叫馈电)能力较弱,因为「P2电机」长时间用于驱动车辆,其发电效率自然要下降一些。

『充电小能手』——「P0电机」已有些按捺不住了

所以,总有一个嗷嗷待哺「电池」在系统中呼唤「发动机」和「P2电机」,特别在馈电时和堵车工况下,「发动机」在驱动和带动「P2电机」发电两种模式下来回切换,用过平顺性及「NVH」(Noise、Vibration、Harshness噪声、振动与声振粗糙度)都会有一定的影响。有缺点?于是乎,各种「P2电机」的变种架构孕育而生。

「P0P2电机架构」

九代索纳塔混动版(2016)搭载的TMED混合动力系统

我们知道「P0电机」最大的作用之一便是用于为「动力电池」充电,故此,在P0位置安排上一个中高压的「P0电机」便可有效的解决「单电机」馈电能力弱的结构缺点。而让我印象比较深刻的「P0P2电机架构」的车型是九代索纳塔混动版,其搭载的是现代汽车的「TMED混合动力系统」(Transmission-Mounted Electrical Device)。

TMED混合动力系统工作原理

该「P0P2电机架构」由一颗Nu 2.0 GDi「发动机」、一枚「P0电机」(此处又称「HSG电机」Hybrid Starter Generator启动/发电一体式电机)、一台永磁交流「P2电机」(此处又称「TM电机」即Traction Motor 驱动电机)以及传统的6挡手自一体「变速器」组成。可实现纯电驱动、发动机直驱、混动驱动多种模式。

「P1P2电机架构」

『双电机双离合』方案(P1P2电机架构),同样是P2电机架构

如果嫌「P0电机」传动效率低,那可以换成与「发动机」刚性连接的「P1电机」(ISG电机)组成『加强版双双组合』(即「P1P2电机架构」、双电机双离合),其架构特点是:

「C1离合器」常态为分离,而「C2离合器」常态为咬合。这就意味着「P2电机」长期处于工作状态,故此,这套「P1P2电机架构」也是倾向于电力驱动的;

当「C1离合器」分离时,就意味着「发动机」不参与驱动汽车,而是带动「P1电机」(ISG电机)发电,「电池」表示十分满意。此时,「P2电机」直接驱动「车轮」;

「C2离合器」长期处于咬合状态,若「C1离合器」同样处于咬合状态,那么「P2电机」(TM电机)将与「发动机」共同驱动「车轮」。

上汽EDU混动系统爆炸图

这套「P1P2电机架构」的代表就是第二代「上汽EDU混动系统」,其搭载在荣威550混动车型上,随着「上汽EDU混动系统」不断优化,现在已经有越来越多的上汽旗下的车型在用这套系统。比如荣威eRX5、荣威ei6、名爵6混动版等。最后,汇总了一张工作原理表,希望能帮助大家去理解「上汽EDU混动系统」。

上汽EDU混动系统工作原理

「PxP2电机架构」外的可能性

看到这里大家会发现,上文仅从「P2电机」一个小小的『保电能力弱』问题切入,展开讨论了其中的一种解决方案——再增加1个强力的「发电机」(P0或P1电机),由此衍生出变种的「PxP2电机架构」。其实,解决『保电能力弱』的方法还有很多种,比如:

宝马530e iPerformance(2018)采用2.0T双涡管发动机,大力!

使用高功率的「发动机」:大力出奇迹,高功率「发动机」可使「P2电机」在单位时间内多发一点电,只是「电池」满足了,「油箱」又不乐意了,有违了混动『省油』的初衷……

增加「P2电机」发电的时长:延长「发动机」串联驱动汽车的时长,从而让「发动机」大哥多带带「P2电机」这个小弟,不过好像又违背了『「P2电机」为驱动汽车』的设计初衷……

貌似我提了一些自相矛盾的建议,但聪明的读者已经明白了我的意思:

最后,我们再提一个衍生问题,由于「P2电机架构」是在「发动机」和「变速器」中间硬生生地加入了「离合器」和「电机」,这样就增加整套动力总成的轴向尺寸。为了解决这个硬件问题,混动工程师们又掉了大把头发,想出了几套解决方法:

一体化设计的P2电机架构

减少「发动机」的「气缸」:六缸变四缸、四缸变三缸、三缸变……

架构调整布局:将增加的「离合器」和「电机」等部件进行横向或纵向的布局调整;

一体化设计:比如将「P2电机」的壳体进行优化整合;或将「离合器」整合入「P2电机」内部等(如上图),将「离合器」集成至「P2电机」的「定子」中,采用了「电动中心式执行」机构(ECA),在减少执行机构体积的同时,提高了「离合器」的控制精度。

丰田THS混动系统正在路上

但!若是我们将「P2电机」进一步往后端的「变速器」整合,又会怎么样呢?先让我来看「P3电机」,然后我们再来解释。

「P3电机」:深耕于『基层』的好员工

「P3电机」通常被安置在「变速器」的末端,与「变速器」的「输出轴」耦合,一般采用「齿轮」或「链条」传动。其工作模式如上图所示:「发动机」→「离合器」→「变速器」→「P3电机」→「减速器」→「车轮」。故此,「P3电机」具备以下一些特点:

P3电机示意图

纯电传动更为直接:「P3电机」通常与「车轴」相接,故此,在纯电驱动的工况下,能更高效地将动力输出到「车轮」上,可谓是『深耕于「基层」的好员工』;

动能回收能力更强:与上一条原理相似,在车辆滑行或制动时,「车轮」产生的摩擦力可以更直接地反馈给「P3电机」,恰好印证了『近水楼台先得月』的古话;

P0P3电机架构的结构俯视图(比亚迪DM-p的双擎两驱模式)

无法起动「发动机」:由于「P3电机」距离「发动机」隔着「离合器」和「变速器」,所以无法起动「发动机」,故此,我们很少能看到只搭载「P3电机」的混动架构,一般会配上强力的「发电机」(「P0电机」或「P1电机」),以满足「发动机」自动起停的需要;

与「变速器」关系微妙:由于「P3电机」在「变速器」后,所以在纯电驱动工况下,则需要拖动前端的「变速器」,就某种程度而言,此时的「变速器」成为了「P3电机」的累赘。此外,「P3电机」也会占用额外的空间,这让「前置前驱」的传统汽车原本就捉襟见肘的「发动机舱」空间更加焦虑,于是工程师们开始重新考虑是不是要动一下传统的「变速器」!

『混动变速器』:混合动力的真正开始

由齿轮组和离合器组构成的机械变速器略显笨重

在此前我撰写的「电机」的科普文章中,提到其有一个特性:「电机」可以用于调速——主要依靠「电控」机构进行「变频」或调节电压的大小来控制「电机」的转速。故此,纯电汽车一般都不会使用传统燃油汽车上那套笨重的「变速器」。

「混动双离合」:多轴双电机的简约而不简单

多轴双电机的混动变速器(手绘)

当工程师去除了传统「变速器」的大部分「变速齿轮」后,只留下少数「变速齿轮」(通常用于起步时扩大扭矩,又被称为「减速齿轮」——降低转速,增加扭矩)和「传动齿轮」(通常用于传输动力)后,他们设计出了一种主要由多根「传动轴」、「离合器」、「发电机」和「驱动电机」组成的『混动变速器』(如上图)。

多轴双电机的混动变速器示意图

若仔细观察这种结构,便会发现「发电机」位于「发动机」后「离合器」前,且通过「传动齿轮」与「发动机」刚性连接,符合「P1电机」的定义;「驱动电机」位于「离合器」后,且与「车轴」相连,更符合「P3电机」的定义。故此,我们将这套『混动变速器』归纳为一种「P1P3电机架构」。

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多轴双电机的混动变速器的工作原理(动图)

再让我们看看这套「P1P3电机架构」的工作原来是怎么样的?请大家注意以下图片中颜色的对应关系:蓝色表示纯电驱动动力的流向;红色表示「发动机」提供动力的流向;紫色表示动力混合输出动力的流向;绿色表示动能回收的流向;橘红色表示充电的流向;灰色表示不参与输出工作状态。

纯电模式:此模式的工作原理很简单,「电池」给「P3电机」供电,「P3电机」单独驱动车辆行驶,「发动机」、「P1电机」不工作,「离合器」处于断开状态;

「发动机」直驱模式:当「发动机」处于高效运转的工况下,「离合器」耦合使得「发动机」可以单独驱动汽车行驶。这种情况很少,因为缺少了传统的「变速器」,「发动机」很难达到高效区间;

混动串联模式(增程模式):「发动机」-「P1电机」-「P3电机」被串联在一起,故此,其工作逻辑是:「发动机」带动「P1电机」发电,「P1电机」产生的电能主要输送给「P3电机」,只有「P3电机」驱动车辆。此时的「发动机」也被称为「增程器」;

混动并联模式:此时「P3电机」与「发动机」双管齐下,激情发力,共同驱动汽车;

动能回收模式:在滑行或制动时,「车轮」带动「P3电机」为「电池」充电,相比「P1电机」和「P2电机」,「P3电机」在动能回收这项目上有优势。

P1P3的电动架构在各种工况下,各个部件的工作状态(点击放大)

5种连接模式会在不同的工况下被触发,而各个部件也处于不同的工作状态(如上表格所示)从中我们可以看出这样几个特点:

「P3电机」很忙:不是在单独驱动汽车,就是在联合驱动汽车,基本没闲着;

「P1电机」很『混动』:当系统处于『混合驱动』的工况是,「P1电机」全程发电,保障「P3电机」拥有足够的电量。

本田i-MMD混动系统(本田CR-V Hybrid 2020)

看到这里,我相信对混动技术有所了解的朋友,已经认出了这套简约而不简单的『混动变速器』——「本田i-MMD混动系统」(Intelligent Multi Mode Drive)。不过,限于篇幅,今天就不展开聊它的前世今生,我们会在此后的混动汽车品牌系列中展开详解。

「行星齿轮组」:一套结构能玩几十年

如果说「本田i-MMD混动系统」已经让人感受到了简约而不简单,那么靠着「E-CVT变速器」在混动汽车领域混的风生水起的「丰田THS混动系统」(Toyota Hybrid System),则是将『混动变速器』玩出了另一番天地。

丰田普锐斯(2代)E-CVT变速器的基本结构图

「E-CVT变速器」其官方全称为「电子控制电磁离合式无级变速器」,一般由两颗「电机」、一套「行星齿轮组」和一套「离合器」组成。(如上图所示)

行星齿轮组的连接逻辑

而在「E-CVT变速器」中最核心的部件就是一套「行星齿轮组」,其主要由「行星齿轮」、「太阳齿轮」(或称「太阳轮」)、「行星齿轮盘」(或称「行星架」)和「外齿圈」(或称「齿圈」)三大旋转部件组成。而这三个部件分别连接着动力的三大部件——「发动机」和两个「电机」,其连接逻辑如上图所示。

丰田普锐斯(2代)E-CVT变速器的结构示意图

而通过「行星齿轮组」进行「动力分流」的结果是:

「发动机」:其动力可以通过「行星齿轮盘」分配给「车轮」和「P1电机」等;

「P1电机」(MG1电机):主要用于发电,其产生的电能可直接提供给「P3电机」用于驱动「车轮」,或直接为「电池组」进行充电,或通过「太阳齿轮」启动「发动机」等;

「P3电机」(MG2电机):其产生的动力可通过「外齿圈」直接驱动「车轮」或逆向为「电池组」进行充电等。

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丰田THS混动系统基本工作原理(动图)

通过9种不同的工况,我们来看一下「行星齿轮组」是怎么进行分流的。大家注意以下图中的箭头指向,更容易理解:

【工况1:启动】当汽车得到启动指令后,「电池组」为「P1电机」供电,启动「发动机」;

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【工况2:怠速】「发动机」启动后怠速运转并带动「行星齿轮盘」正向旋转。由于「车轮」(连接着「外齿圈」)未转动,「行星齿轮盘」(连接着「发动机」)的正向旋转,通过「行星齿轮」带动「太阳齿轮」(连接着「P1电机」)正向旋转。「P1电机」不再接收「电池组」输电,反而变成「发电机」,产生交流电,经「PCU」(Power Control Unit 动力控制单元)里的「逆变器」和「电压变换器」将交流电变为低压「直流电」给「电池组」充电。简单来说,怠速时「发动机」的功率全部用来为「电池组」充电

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【工况3:起步】当汽车起步时,「电池组」为「P3电机」供电,「P3电机」带动「车轮」(连接着外齿圈)开始正向转动,车子缓慢前进;

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【工况4:有大扭矩需求时】随着「P3电机」的转速增加,「P1电机」的转速也会急速增加,而当「P1电机」即将达到上限时,此刻「发动机」主动介入动力输出。通常情况下,起步时踩油门的力度越大,「发动机」介入的时间就越早;

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【工况5:缓行加速】当达到一定速度后,如果继续缓慢加速,此时「P3电机」继续为主要的动力来源,「发动机」继续在低转速区间运作,这与起步阶段的动力供给情况类似,只是「P3电机」的工作功率会更大;

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【工况6:急加速】急加速时,即是「火力全开模式」,「发动机」的转速提升进入高效动力输出模式,带动「P1电机」加速为「P3电机」提供更强的电力,同时「发动机」通过「行星齿轮」与「P3电机」共同输出动力至「外齿圈」,最终共同带动「车轮」高速运转;

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【工况7:匀速】在高速巡航时,由于到达了「发动机」的高效工作区域,所以,主要由「发动机」来驱动汽车。此时,「P3电机」反转供电给「P1电机」,再通过「太阳齿轮」反转使得「行星齿轮」的动力大部分传递到「外齿圈」,共同驱动汽车。简单来说,「P3电机」带着「P1电机」为动力输出添砖加瓦;

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【工况8:减速】减速时,「发动机」关闭,「P1电机」空转,「P3电机」由「车轮」带动,进行动能回收;

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【工况9:倒车】倒车的原理与刚起步相似,只是「外齿圈」在「离合器」的作用下反转运作,「电池组」为「P3电机」供电,「P3电机」带动车轮,完成倒车。

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丰田单排行星齿轮在不同工况下的工作状态

「行星齿轮组」的工作原理略有些复杂,建议大家将以上的图表对应着查看,收藏,点赞,一键三连……谢谢各位了~~总得来说:「行星齿轮组」绝对是「丰田THS混动系统」的精髓所在。

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丰田普锐斯Plug-in Hybrid(2017)搭载二代THS混动系统

由于篇幅的限制,本章便不展开谈「丰田THS混动系统」的前世今生,不过目前也有被过度神话的趋势,此后,我们会在混动汽车品牌系列中展开单聊。

「P2.5电机」:让人犯迷糊,其实不纠结

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丰田E-CVT结构示意图(简图)

仔细的读者会发现,「丰田THS混动系统」的结构不该被归纳到「P1P3电机架构」。因为从「P1电机」的定义来看(在「发动机」后「离合器」前),「E-CVT变速器」中的「MG1电机」更像是「P2电机」,但我们从「MG1电机」的作用来看,其主要用于发电,而且不被赋予直接驱动「车轮」的使命,这又符合了「P1电机」的工作内容定义,所以,「E-CVT变速器」可以说是一种变异的「P1P3电机架构」,更确切地说,它是一种特殊的『混动变速器』。

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上汽EDU混动系统结构示意图(简图)

无独有偶,此前我们介绍「P2电机」时,曾以「上汽EDU混动系统」为例,其「P2电机」的血统也不是那么的纯正。故此,从整体结构来看,上汽的「EDU混动系统」将「P1电机」、「P2电机」和传统「变速器」整合在了一起,从某种意义上讲,它也与丰田的「E-CVT变速器」一样,成了一另种『混动变速器』。

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P2.5电机容易让人犯迷糊

所以,为了将这类『混动变速器』纳入到「Px电机架构」中,同时也让消费者更容易理解和记住,「P2.5电机」(又称「PS电机」)的概念就形成了。

「P2.5电机」:将「电机」融入「变速器」

无论是以「上汽EDU混动系统」的「P1P2电机架构」,还是「丰田THS混动系统」的「P1P3电机架构」,两种混动系统的整合逻辑都是将混动部件整合到「变速器」的内部,而这种整合便是「P2.5电机架构」的核心逻辑,当然做法也略有不同,我将其整合的逻辑按照整合「电机」的思路,归纳为两种:

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基于P2电机的整合思路

  1.  将「P2电机」与「双离合变速器」结合:代表技术有「上汽EDU混动系统」、「吉利GHS混动系统」等;

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基于P3电机的整合思路

2. 将「P3电机」与「自动变速器」结合:代表技术有「本田i-MMD混动系统」、「丰田THS混动系统」等。

基于「P2电机」的整合思路

相比单纯的「P2电机架构」,基于「双离合变速器」的「P2.5电机架构」能很好地利用「双离合变速器」可以在2根「输入轴」之间切换的特点,将「电机」集成到了其中一根轴(一般是偶数挡位轴)上。

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第一代吉利GHS混动系统部件示意图

我们以第一代「吉利GHS混动系统」为例,其主要部件包括「发动机」和『混动变速器』,而这枚『混动变速器』则是在一台7速的「湿式双离合变速器」中布置了一台「电机」。

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第一代吉利GHS混动系统结构示意图

这枚『混动变速器』的有趣之处在于,在保证了「发动机」能与「变速器」正常耦合的情况下,将「电机则直接布置在控制偶数挡位的「C2合器变速齿轮之间。故此,「C1合器控制1、3、5、7奇数挡位,「C2合器负责控制R、2、4、6偶数挡位从而实现了多种驱动形式。

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纯电模式在纯电模式下,两个「离合器」都断开,即「发动机」与「变速器」彻底断开,「电机」由「电池」供电,直接通过「变速器」的偶数轴输出到「车轮」上。此时,整台车就成了一台搭载了3挡「变速器」的纯电动车。

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串联混动模式:此时,「变速器」会根据当前的动力请求和「电池」的电量等条件,自动选择合适的挡位,「电机」仍是驱动汽车的动力源。当车速达到一定区间时,「C2离合器」在「行车电脑」的控制下耦合,届时「电机」会被反拖,进行动能回收;

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串联输出模式:此时,「发动机」与「电机」串联共同输出动力,发挥整套动力系统的全部能力,且「电机」的转速可以不受发动机限制;

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发动机」直驱模式:在高速巡航时,车辆对动力要求较低,此时「发动机」在最高热效率的区间运行,所以,系统将断开「C2离合器」,耦合「C1离合器」,让「发动机」直接通过「变速器」来驱动「车轮」。

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第一代吉利GHS混动系统混动系统基本原理(动图)

第一代「吉利GHS混动系统」被运用在「博瑞ePro」、「缤越ePro」和「嘉际ePro」等车型上。据悉,第二代「吉利GHS混动系统」将采用经过电气化改造的「DHE混动专用发动机」(阿特金森循环)且会使用「P1电机」+「P2.5电机」的「DHT混动架构」,限于篇幅,我们会在混动汽车品牌系列中展开单聊。

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P2.5电机架构优点不少

当我们将这类「P2.5电机架构」与「P2电机架构」相比时,会发现:

1. 效率更高:当「P2.5电机架构」的2根「输入轴」都松开时(相当于空挡),「P2.5电机」可以单独驱动车轮,还可以在不带动「曲轴」的情况下进行动能回收。这比需要经过一整个「变速器」传动的「P2电机」的效率更高;

2. 保持了优势:当「P2.5电机」的「输入轴」与「发动机」耦合时,「发动机」和「P2.5电机」以相同传动比旋转,这与「P2电机」工作逻辑相同,继承了「P2电机架构」的优点;

3. 更适合拥堵城市路段:此外,在低速行驶时可以采用「P2.5电机」驱动,能很好地弥补「双离合变速器」在拥堵路况平顺性差、磨损大的缺点。

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结构相对复杂,需要经验和积累

当然,这类「P2.5电机架构」也有两大缺点:

1. 瞬时顿挫:当「P2.5电机」在驱动汽车时,「发动机」一旦介入并提供动力,便会在「变速器」中触发动力的耦合,如果匹配程序不够完善,反而会产生更大的顿挫感;

2. 结构复杂,需要经验积累:相比单一添加「P2电机」类似给动力总成『做加法』的设计思路,「P2.5电机架构」的结构复杂了许多,所以对系统的匹配和调校要求也就更高,比如「C1离合器」和「C2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,这对每家主机厂都是一种考验。

基于「P3电机」的整合思路

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丰田的P2.5电机架构的结构示意图汇总

其实更多的时候,大家会发现「P2.5电机架构」会被归入到「P3电机架构」,比如我们此前提到的「丰田THS混动系统」,其「MG2电机」并不是特别符合「P3电机」靠近「传动轴」的位置定义,但发挥着「P3电机」的大部分作用。在我看来,这就是典型的『基于将「P3电机」整合入「变速器」的「P2.5电机架构」思路』。

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丰田THS混动系统各部件的联动关系

这类「P2.5电机架构」相比置于「变速器」输出端的「P3电机架构」,最大的优点在于,「P2.5电机」可以在输出动力驱动汽车的同时,同时也吃到「行星齿轮组」带来的放大力矩的红利,使其经济运行区域更广,而且在选择「电机」时,可以考虑采用功率更小、体积更小的「电机」。简言之:花小钱,办大事儿

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第二代通用Voltec混动系统示意图

而第二代「通用Voltec混动系统」汽车则是采用了两个「电机」、两排「行星齿轮组」的「P2.5电机架构」(可以简单地理解成『双THS』技术),效率更高、动力输出更平顺。限于篇幅,我们会在混动汽车品牌系列中展开单聊。

「P4电机」:纯电驱动的『打工人』

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P4电机示意图

首先,「P4电机」被定义为位于与「发动机」不同轴且可直接驱动车辆的「电机」。这里大家要注意,不要误解上面示意图,并不是位于「后桥」的「电机」才被叫做「P4电机」。

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2021款科尼赛克Gemera动力总成结构

比如之前我们提到过的「科尼赛克 Gemera」,其位于「前桥」的「共轴电机」才是「P4电机」,而位于「后桥」的2个「电机」,其架构形式更接近于「P2电机」,位于「离合器」后,「变速器」前。

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ProteanDrive的轮毂电机机构示意图

又比如我们之前提到的「轮毂电机」(又称「轮边驱动电机」),其架构形式也被归在了「P4电机架构」中。这里我们可以看到「P4电机架构」有以下特点:

1. 「电机」与「发动机」不驱动同一轴;

2. 「发动机」+「P4电机」必然可实现车辆的四驱;

3. 车辆内部不存在任何机械连接,若是硬要找出「发动机」与「P4电机」的关系,那也只能开玩笑地说『两者通过地面耦合』了~~

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被「P4电机」优化的组件们

从「P4电机」的特点我们了解到,其可以通过链条或齿轮驱动前轴/后轴,也可以直接用「轮毂电机」驱动汽车,于是在传统汽车上有2个部件就有点尴尬了:

差速器」:若将「P4电机」放在前轴或后轴上,那么「差速器」貌似就要优化了;

「车轴」:若用「轮毂电机」作为「P4电机」,那还有「车轴」啥事呢?

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沃尔沃S60L PHEV(2014款)的混动结构示意图

先来说说混动工程师们对「差速器」的优化,我们就以第一代沃尔沃插电混系统为例(2013年),其中比较有代表特色的车型,就是基于「EUCD平台」打造的「沃尔沃S60L PHEV」。

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第一代沃尔沃插电混系统中的集成起动发电机(BISG)

其主要构成部件为一颗2.0T Drive-E「发动机」,一颗与「发动机」的「曲轴」集成的「P1电机」(ISG发电机),配合在「P1电机」后方的8速「自动变速器」,三者构成了「前桥」的动力总成。

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ERAD电气后桥驱动系统示意图

而在「后桥」则是有一颗峰值功率50kW的「P4电机」(沃尔沃称其为「ERAD」Electric Rear Axle Drive 电气后桥驱动系统,后简称「ERAD」),其位于后副车架上。配合「前桥」上的动力总成,可实现纯电、混动、高性能、四驱和动能回收5中驾驶模式,最大续航里程达1000km,高性能模式下百公里加速时间为6秒左右。

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ERAD的行星齿轮组示意图

其中「ERAD」则是对传统的「差速器」进行了优化整合:

l 「ERAD」在加入「电机」后,其「行星齿轮组」的「托架」成为了「差速器」的「壳体」,而「外齿圈」被固定在「壳体」上;

l 「行星齿轮」具有9.14∶1的固定「传动比」,进行调速;

l 「太阳齿轮」作为是「P4电机」转子轴的一部分,并可通过「离合器」与其余旋转组件上分离。

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ERAD的差速器示意图

而「ERAD」保持了一定传统「差速器」结构——一套不带制动器的常规「齿轮」(如上图)。当「ERAD」未启用时,则「差速器」的「壳体」将静止不动。当车辆进入泥潭,需要脱困时,「差速器」则会使「驱动轴」沿反方向旋转。

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第三代基于CMA平台打造的插电混系统(2018年)

此后,沃尔沃的混动车型又经过2代的发展,目前基于「CMA平台」的混动系统带来更强劲的动力。限于篇幅,我们会在混动汽车品牌系列中展开单聊。

P4电机架构」:让我欢喜让我忧

在布局「P4电机」时,我们会发现一个比较有趣的问题:由于「发动机」与「P4电机」不同轴,所以,当「发动机」单独驱动模式转换成「P4电机」单独驱动时,车辆的驱动位置就变了。

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随着动力源的切换,必然带来不佳的体验

举个例子,若车辆是前置「发动机」后置「P4电机」的布局,一旦动力源切换,那么这车就会发生,瞬间从前驱模式变为了后驱模式。这种切换模式的方式,显然不利于车辆操控性和舒适性

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所以,在运用「P4电机架构」时,我们常常会做选择:

1. 「P4电机」为主:以「P4电机」作为驱动车辆的主要动力源,只有在需要更大功率或扭矩时,才会起动「发动机」所领衔的动力总成;

2. 「发动机」为主:车辆仍然以「发动机」驱动为主,「P4电机」只作为辅助驱动或作为四驱模式的第二动力源,这种情况,「P4电机」并不需要太大的功率。

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宝马i8(2015款)动力总成(部分)示意图

「P4电机」与「P3电机」还有一个相似点,那就是馈电能力有限。故此,通常在使用「P4电机」的同时,我们也会搭配上一颗用于发电的「电机」,比如上文提到的「沃尔沃S60L PHEV」上使用「P1P4电机架构」。此外,还有「宝马i8」(如上图)和「宝马X1」上使用的「P0P4电机架构」。

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比亚迪DM-p混动系统的『三擎四驱架构』

当然,也有比较『成年人』的做法,比如此前提到过的「比亚迪DM-p混动系统」的『三擎四驱』模式,在「P0P4电机架构」基础配置上,再增加一枚「P3电机」,原则上可以实现「发动机」、「P3电机」和「P4电机」串联,并纯电驱动汽车。同时又有「P0电机」(BSG电机)为电量保驾护航。

结束即是新的开始

当初步了解了每个位置「Px电机」的作用后,会发现一个有趣的现象:主机厂很少会采用单独一个「Px电机」,而是将几个「Px电机」以「串联」、「并联」或「串并联」的方式连接在一起,最终将「发动机」、「变速器」、「Px电机」和「电池」等组件构建起一套属于自己的『混动汽车系统』。

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沃尔沃S60L PHEV,采用P1P4电机架构的混动系统

有些主机厂会采用将「电机」作为辅助动力,使用直驱「车轮」的「P4电机」与「发动机」领衔的燃油动力总成,以「并联」的形式构建成一套混合动力系统。由于「P4电机」的加入,必须配合48V的高压「电池」以及为保持电量的「发电机」(「P0电机」或「P1电机」)。

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宝马i8,采用P0P4电机架构的混动系统

这样的「混动系统」带来了几个优势:

1. 结构调整简单:在传统燃油汽车的架构上,增加电驱组件并优化原有的组件即可实现;

2. 减小「发动机」排量:由于「驱动电机」的加入,可减小「发动机」的排量(比如将四缸发动机换成三缸发动机……)却仍然可以保持原来的功率和扭矩;

3. 更容易地实现多种模式:比如使用「P4电机架构」的车型,更容易实现四驱模式,同时还可省去了传统汽车上连接「前后桥」的「传动轴」、「差速器」等部件。

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可直接驱动车轮的P2电机

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更接近车轮的P3电机

当然,这种「混动系统」的逻辑更趋向于『做加法』的逻辑,而有些主机厂则选择了让「发动机」退居幕后,而让「电机」走到台前,成为驱动的主力。于是我们就可以看到位于「输出轴」上努力工作的「P2电机」,以及更接近「车轮」的「P3电机」。

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本田i-MMD混动系统中忙着驱动的P3电机(动图)

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以驱动为己任的P3电机,以及以增程为主的发动机

「电机」与「发动机」以「串联」或「串并联」(又称「混联」)的形式进行连接,构成了混合程度更高的动力总成,大幅提升了『电驱』工况的时长,而「发动机」在这样的「混动系统」中,更多地扮演着「增程器」的作用,也就是用来发电。

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基于P2电机的整合思路

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基于P3电机的整合思路

更有些主机厂选择了一条将燃油动力与电动力全盘融合的道路,于是他们将「P2电机」或「P3电机」整合到传统汽车的「变速器」中,并独树一帜地形成了「P2.5电机架构」。

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将电机集成在双离合变速器的一根轴上(动图)

比如将「P2电机」整合在「双离合变速器」一根轴上的『单电机双离合派』,利用一个「离合器」(上图中的「C2离合器」)进行纯电驱动、混动驱动和发动机直连三种模式的切换。

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双电机配合行星齿轮组构建的混动系统(动图)

也有将整合更深一步的『双电机动力分流派』,一颗「E-CVT变速器」将「行星齿轮组」的逻辑玩出了新境界。不过无论是『单电机双离合派』还是『双电机动力分流派』,两种混动逻辑都属于「全(强)混合动力系统」,相比『做加法』的混动逻辑,「P2.5电机架构」带来最大的优势就是整合度高,体积小。

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单排行星齿轮在不同工况下的工作逻辑

只是此类「全(强)混合动力系统」也有着一些缺点,比如复杂的内部结构、较高的维护成本、较长的研发和测试期等。就我个人而言,让我对『双电机行星齿轮组派』充满好奇的原因,除了精密的结构和逻辑,还有其技术背后剪不断理还乱的『专利战争』,喜欢听故事的小伙伴,评论区刷一波『专利战争』吧~~

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Px电机架构示意图(动图)

若各位看完了这万余字「Px电机架构」文章,还没有归纳出一些结论的话,那么不妨在回顾一下贯穿本章节的这套图表(上图,下表):

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Px电机架构知识汇总

或者只是想得到一个简短的结论,那不妨这样理解「Px电机架构」:

P0电机」和「P1电机」:「发动机」的好伙伴,发电的小能手;

「P2电机」和「P2.5电机」:离「变速器」很『近』,能发电能驱动;

P3电机」和「P4电机」:直驱「车轮」的打工人,『干饭』(用电)小能手。

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按动力系统结构形式的分类

至此,关于「Px电机架构」的章节就全部结束了,但作家三毛曾写道『结束即是新的开始』,「Px电机架构」对于《混动汽车百科》而言,只是一个开始。正如文首所写『主机厂很少会采用单独一个「Px电机」,而是将几个「Px电机」以「串联」、「并联」或「混联」的方式连接在一起』,所以下一个章节,我们就来深究一下混合动力系统的结构形式~~

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