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混动百科 | 如何判别一套混动系统的好坏?一篇长文带你看懂
来自:电动邦
作者:王元祺
2021-12-28 13:57:49
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在此前的汇总篇章中,我们提到『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』,本章节我们就来深究一下混合动力系统的结构形式,同时解释一下「增程式电动汽车」、「功率分流」和「DHT」等比较容易混淆的概念。全文1.8万字左右,大量自绘图,求三连~~

串联、并联和混联到底是什么样子的?

若是大家和我一样,暂时还没有将初中电学知识还给体育老师,那么应该会记得在电学中有专门一个章节是《电流和电路》,通过一个由「电池」、「小灯泡」、「开关」和「导线」构成的简单「电路」,研究分析「电流」、「电压」等电知识。

图片1.png 串联式电路

比如我们将「电池」、「小灯泡」和「开关」通过「导线」顺次连接到「电路」中,这种连接方式叫做「串联」。

image001.jpg并联电路

若我们将两个「小灯泡」并列连接在一起,再连接到「电路」中,这种连接方式叫做「并联」。

image002.jpg混联(串并联)电路

当我们将一个「小灯泡」与两个并联的「小灯泡」顺次连接到「电路」中,构成复杂一些的「电路」中时,此时便可以构成一个相对复杂的「混联电路」。

image003.jpg串联、并联电路中,电流、电压、电阻之间的部分关系

不知道大家是否记得在两类「电路」中,「电流」、「电压」和「电阻」(此处为「小灯泡」)的关系,比如:

1. 串联电路:「电流」大小处处相同,「电压」被平均分配,「小灯泡」串联越多,「电阻」越大等;

2. 并联电路:「电压」大小处处相同,「电流」被平均分配,「小灯泡」并联越多,「电阻」越小等。

若是还记得,那会对我们后面解释「功率分流」有一定的帮助,不过不要怕,忘记的话也不会有什么影响。

串联式:动力的华容道

串联式混合动力结构(后简称「串联式」),顾名思义就是「发动机」、「发电机」和「(驱动)电机」(后统称为「电机」)三大部件『串』在一条动力传输路径上,也就是千军万马过一根传动的『独木桥』。

image004.jpg串联式混合动力结构示意图

「串联式」基本的工作原理:「发动机」带动「发电机」(通常为「P1电机」)发电,其电能通过「控制器」(或称「逆变器」)直接输送到「电机」,由「电机」产生驱动力矩,驱动汽车。故此,「串联式」最大的特点就是「发动机」在任何情况下都不参与驱动汽车的工作,「电机」的功率一般要大于「发动机」的功率。

image005.png第二代日产e-POWER混动系统示意图

此外,「电池」在整套系统中起到的是平衡「发电机」、「输出功率」和「电机」「输入功率」的作用。我们以「日产e-POWER混动系统」为例:

1. 当「发电机」的「输出功率」大于「电机」所需的「功率」时(如汽车减速滑行、低速行驶或短时停车等工况),「控制器」控制「发电机」向「电池」充电;

2. 当「发电机」的输出功率低于「电机」所需的功率时(如汽车起步、加速、高速行驶、爬坡等工况),「电池」则向「电机」提供额外的电能。

image006.jpg奥迪A1 e-tron(2010)

由「串联式」的工作原理,我们不难发现,该结构存在着不少优点:

1. 「发动机」不受汽车行驶工况的影响,始终在高效率区运行,因此可降低油耗;

2. 在拥堵路段,汽车在起步和低速时,只利用「电池」进行功率输出,纯电行驶十分环保。

image008.jpg

不过「串联式」也存在一些缺点,比如必须配备一颗功率较大的「电机」,增加了车身重量。然则……相比结构或技术上的缺点,使得「串联式」备受质疑原因,却是一个哲学范畴的『终极问题』:用油发电,再用电驱动汽车,那么为什么不直接用油呢?这个问题,此后会详细讨论。

并联式:1+1=2

所谓「并联式混合动力结构(后简称「并联式」)就好像「并联电路」中,并列排布的两颗「小灯泡」,「并联式」则是将燃油的动力系统与电驱的动力系统整合在一起,使得汽车可由「发动机」和「电机」共同驱动或各自单独驱动。

image009.jpg并联式混合动力结构示意图(P2电机架构为例)

「并联式」的优点在于:

1. 「电机」和「发动机」可共同驱动驱动,理论上可以实现「1+1=2」的效果,理想状态的下,一颗75kW的「电机」配一颗118kW的「发动机」,那就是193kW的动力总成;

2. 在纯电模式下,同样有电动汽车安静、使用成本低的优点。而在混合动力模式下,有非常好的起步扭矩,加速性能出色;

3. 通常「并联式」的车型,只是在「变速器」前或后增加了一台「电机」(通常使用「P2电机」),在传统燃油车基础上改动较小,成本也比较低。

image010.jpg奔驰S500 PHEV

说完优点来说点缺点:

1. 油耗相对难控制:「并联式」在混合动力模式下,「发动机」不能保证一直在最佳转速下工作,油耗比较高。只有在堵车时因为可以自带发动机启停功能,油耗才会低;

2. 馈电能力弱:通常只有一台「电机」,不能同时发电和驱动「车轮」。所以,「发动机」与「电机」共同驱动「车轮」的工况不能持久。持续加速时,「电池」的能量会很快耗尽,从而转为「发动机直驱」的模式,此时油耗问题就很难解决。

混联式:取长补短

简单的来说「混联式(串并联)混合动力结构」(后简称「混联式」)是「串联式」与「并联式」的综合与互补。

image011.jpg混联式(串并联)混合动力结构示意图

目前大部分混动汽车其实都会选择「混联式」,其结构的基础控制策略是:

1. 在汽车低速行驶时,以「串联」方式工作,利用「电机」纯电驱动;

2. 当高速稳定行驶时,则以「并联」方式工作,「发动机」直接驱动或两者混合驱动。

image012.gif本田i-MMD混动系统(动图)

从目前的混动汽车销量上来看「混联式」的车型偏多,但更多地是由于一些大家熟知的非技术客观原因,我觉得「串联」、「并联」和「混联」都有其应用的场景和政策背景,正如在我所有后市场的文章中强调的一个观点:世界上,没有最好,只有最适合

image013.png按混合动力系统结构形式的分类

关于「混联式」的结构比较复杂,我们会在本章后面的几节中详细展开仔细讨论。我们还是按照顺序一个一个来谈,所以,接下来我们就先来看看「串联式」的特点,并来解释一下时下很流行的带『增程』字眼的汽车,到底是怎么结构。

令人迷惑的『增程』概念

近年来,随着话题车型「理想ONE」走到台前,带有『增程』字眼的车型日渐回暖,而『增程式汽车』的概念也开始模糊。其实这并不是什么新鲜的概念,包括日产、宝马、通用、理想等主机厂都用(或曾用)『增程』为自己的产品打过标签。

「增程器系统」:必须先要搞懂的概念

image014.jpg增程式混合动力结构

为方便理解,我们再复习一下「串联式」的基本结构:将「发动机」、「发电机」和「(驱动)电机」(后统称为「电机」)三大部件『串』在一条动力传输路径上。

image015.jpg增程器系统的定义示意图

而我们将由「发动机」和「发电机」所组成的「辅助发电单元」(Auxiliary Power Unit,APU)称为「增程器系统」(Ranger-Extender,RE后简称「增程器」)。而其最大的作用便是为纯电行驶,提供更多的电能。

image016.jpg蓄水水池原理

在「串联式」结构中,「增程器」与「电池」、「电机」的关系,就好像动力必须经过一个缓存的「蓄水水池」(即「电池」),「水流」(此处为「动力」)必须由「注水口」(即「增程器」)流入「蓄水水池」,最后由「放水口」(即「逆变控制器」)流出到达终点(即「电机」)。

开创历史:保时捷Lohner-Porsche

不知道大家是否还记得本专栏中最早提到的那辆混动汽车——「保时捷Lohner-Porsche」。

image017.jpg保时捷Lohner-Porsche原型车设计图纸示意图(手绘)

「保时捷Lohner-Porsche」原型车将2台「DeDion Bouton水冷汽油发动机」(每台动力约为3.5 hp约2.6 kW)装在车身中间,用于驱动两台「发电机」,每台「发电机」能在90V电压下输出20A的电流(每台动力约为2.5 hp约1.84 kW),「发电机」输出的电能直接驱动「轮毂电机」(又称「轮边驱动电机」),而剩余的电能则流入车厢下方的「铅酸电池」储存起来。

image018.jpg保时捷Lohner-Porsche原型车

「保时捷Lohner-Porsche」作为混动汽车的『鼻祖』,其『「发动机」+「发电机」』的组合,恰好符合了「增程器」的定义。「增程器」为「电池」充电,「电池」驱动「轮毂电机」(「P4电机」),堪称最纯粹的「串联式」。

前车之鉴:宝马i3增程版

image019.jpg宝马i3增程版(2014)混动系统示意图

然后再让我们来看看基于纯电版「宝马i3」改造的「串联式」车型——「宝马i3增程版」。其结构也十分简单易懂:『串』在一条动力传输线上的「发动机」、「发电机」、「电池」和「电机」。

image020.jpg宝马i3增程版(2014)示意图

不过就车论车,第一代的「宝马i3增程版」在发布之后,并没有带给用户特别好的体验,原因大致如下:

1. 车身小组件多:「宝马i3纯电版」的骨架就不大,现在还要在「后备箱」中塞入一套「增程器」,结果只有两个字——『妥协』。于是,0.6L的两缸「发动机」应运而生;

2. 效果不佳:为了让汽车不至于亏电,两缸「发动机」必须长时间工作,除了使得「发动机」完全沦落成了『充电宝』;

3. 深陷政策泥潭:为了达到当时美国加州政府对电动车的政策要求,其「油箱」被压制在了7L以下。

image022.jpg没有捷径的蓄水水池

而且「宝马i3增程版」还有一个不知道该怎么评价的设计——「电池」(上图中的「蓄水水池」)作为电能的『缓冲区』,「电功率」(上图中的「水流」)没有任何其他的捷径可走,这就意味着:

image023.jpg不能直驱电机的纯粹系统

1. 「发动机」不能直驱「车轮」:汽车全部依靠「电机」驱动,「发动机」不能与「车轮」连接,只起到带动「发电机」为「电池」充电的作用;(「串联式」的特点)

2. 「发动机」不能直驱「电机」:无论在结构位置,还是电能流向,「增程器」都在「电池」之后,「电池」的首要作用是能量过渡,而不是能量储存。(「宝马i3增程版」的特点)

image024.gif纯电版显然更适合宝马i3这样的车身

总之,第一代的「宝马i3增程版」算得上是『销量的噩梦,用户的梦魇』,尽管此后进行了几番优化,据说体验感有所提升,但也只能说是一场不太成功的市场尝试,而通过「宝马i3增程版」,大家却得到了一些宝贵的经验,比如:

1. 我们需要考虑,如何更合理地在较小车身中塞入「增程器」?

2. 我们还要考虑,塞入「增程器」后,如何更好地控制「NVH」?

而解决此类空间(技术)问题,日系主机厂勇敢地站了出来。

后事之师:日产e-POWER混动系统

image005.png第二代日产e-POWER混动系统示意图

「日产e-POWER混动系统」并不是什么新技术,早在2007年的「日产骐达」上就搭载了第一代的「日产e-POWER混动系统」。然而到了2021年首批搭载第二代系统的车型(「日产轩逸e-POWER」)才进入国内。

image025.gif日产e-POWER混动系统的工作原理(动图)

「日产e-POWER混动系统」的工作原理与「串联式」的「宝马i3增程版」有着许多相似之处,但有一个不同之处,这便是:在电量较低时或急加速时,「增程器」除了为「电池」充电,还能为「电机」直接供电。

image026.jpg开了挂的蓄水水池

仍以『蓄水水池』为例,此时的「注水口」(此处为「发动机」)可以直接与「放水口」(即「逆变控制器」)连接,这就意味着「放水口」的「水流」(此处为「电能」)就来自了两个渠道,即「注水口」(即「发动机」)和「蓄水水池」(即「电池」)。这样带来的好处就是保证了汽车能拥有相对良好的动力性。

image027.jpg日产e-POWER混动系统的工况示意图

此外,第二代「日产e-POWER混动系统」相比「宝马i3增程版」还做了一些改进:

1. 提升混动动力总成的集成程度:采用集成化的「逆变控制器」使得体积较前一代减少40%,重量减轻33%,解决了小车身塞「增程器」的空间痛点;

2. 缩短「增程器」介入时间:根据主机厂的资料,相比传统混动汽车,「发动机」介入时间缩短10%,减少「发动机」带来的「NVH」问题;

3. 采用更大「发动机」:由于「发动机」可以直驱「电机」,所以必须使用排量更大,「功率」更强的「发动机」,比如1.2L的三缸自然吸气「发动机」。

image028.jpg如何定义日产e-POWER混动系统?

从主机厂对外的宣传资料来看,其观点为:「日产e-POWER混动系统」更趋近「纯电汽车」。而我对这套混动系统的评价只有四个字——『技术正确』。但这里的『正确』大家不要理解为『是非对错』的『正确』,而是:

image029.jpg

玩笑归玩笑,2021年11月初,我们有幸试驾了搭载二代「日产e-POWER混动系统」的「日产轩逸e-POWER」,所以,初试体验非常不错,开起来非常顺,不过总体的油耗还是有待检验,有兴趣的朋友可以看我们的试驾报告。

大力出奇迹:理想ONE

image030.jpg理想ONE的混动系统结构示意图

目前国内的以「理想ONE」为代表的『增程』车型,其主体的结构和组件仍然保持着「串联式」车型的基本特征:「增程器」、「电池」和「电机」,所以,我们也可以将其动力总成分成两个模块。

image031.gif理想ONE动力总成的两大模块示意图(动图)

1. 「增程器」模块:由「油箱」、「发动机」和「发电机」组成,不参与驱动「车轮」,只参与产生电能,供给「电池」和「电机」;

2. 「纯电驱动」模块:由「前驱电机」(即「P2电机」)和「后驱电机」(即「P4电机」)组成,用于驱动汽车。

image032.jpg理想ONE的混动系统示意图

在我眼里「理想ONE」车型的有趣之处在于:

1. 超大的「电池」:以2021款「理想ONE」为例,其「电池」容量为40.5kWh,这与「日产e-POWER混动系统」的「电池」相比,简直是汪洋大『海』了,用「电」堆出了更长的纯电续航里程;

2. 「电机」数量多:「电池」多就是真的就能任性,光一个前驱的「电机」必然无法发挥出超过2.3吨车身的实力,故此,后驱的「P4电机」必须配上,在实现四驱的同时,还能提升整车的动力性能,可谓一箭双雕。

image033.jpg岚图FREE增程版的增程式混动系统示意图

随着「理想ONE」将『格局打开』后,不少主机厂也看上了这片『蓝海』,比如「岚图FREE增程版」,其采用更为理性的四缸「发动机」作为「增程器」的核心。

image034.jpg赛力斯华为智选SF5的驼峰智能增程系统示意图

此外,更是有互联网科技企业进入了这个的领域,比如搭载「华为DriveOne电驱系统」的「赛力斯华为智选SF5」,其特点是将「增程器」进行更为宽泛的系统整合,并将该系统命名为「驼峰智能增程系统」。限于篇幅,我们将在混动汽车品牌中再展开。

增程式电动汽车」的定义

以上车型都有着一些的特征:它们都有将「发动机」、「发电机」和「(驱动)电机」(后统称为「电机」)三大部件『串』在一条动力传输路径上的「串联」结构(部分不限于「串联」)。故此都拥有「增程器」。那么是不是带有「增程器」的混动车型就能被叫做「增程式电动汽车」呢?那我们就先来看定义~~

image035.png 增程式电动汽车的定义

根据国标(GB/T 19596-2017《电动汽车术语》)的定义:

增程式电动汽车(Range Extended Electric Vehicle)是一种在纯电动模式下可以达到其所有的动力性能,而当车载可充电储能系统无法满足续航里程要求时,打开车载辅助供电装置为动力系统提供电能,以延长续航里程的电动汽车,且该车载辅助供电装置与驱动系统没有传动轴(带)等传动连接。

image036.jpg通用雪佛兰Volt(2016)

该定义最早是由美国通用汽车公司Tate等人提出,而其围绕着「增程式电动汽车」推出过最有名的车型便是「通用雪佛兰Volt」、「通用迈锐宝混动」和「别克君越混动」等。所以,想要搞懂「增程式电动汽车」,就让我们先来了解一下「通用汽车」的「通用Voltec混动系统」。

image037.jpg通用Voltec混动系统(第二代)示意图

「通用Voltec混动系统」(第二代)包括一台「发动机」、集成了「整车控制器」与「电机控制器」为一体的「电控模块」、「锂电池组」、「充电接口」和一台『混动变速器』等。其中T型「锂电池组」被布置在后排座椅下及车身中部。

image038.jpg通用Voltec混动系统中变速器的结构示意图(手绘)

「通用Voltec混动系统」的「电控模块」(图中统称为「控制器」)上深度集成了「整车控制器」(HCU)和「电机控制器」(MCU),可同时控制「电机」、「电子油泵」、「离合器」和「整车」,其控制程度与「特斯拉Model S」同级。而该混动系统的核心在于此前提到的内置了两个「电机」和两排「行星齿轮组」组成的『混动变速器』。

image039.jpg通用Voltec混动系统(第二代)中变速器的结构连接示意图

首先我们来看看其结构连接原理:

l 「行星齿轮组1」的「外齿圈」通过「单向离合器C0」连接「发动机」,「太阳齿轮」连接「电机A」(Motor A),而「行星齿轮」所连接的「行星齿轮盘」可输出动力直到「车轮」;

l 「行星齿轮组2」的「外齿圈」通过「离合器C1」控制,「太阳齿轮」连接「电机B」(Motor B), 「行星齿轮」所连接的「行星齿轮盘」可输出动力直到「车轮」;

l 「行星齿轮组1」的「太阳齿轮」通过「离合器C2」连接「行星齿轮组2」的「外齿圈」;

l 「电机A」(Motor A)功率较小,主要用于发电。而「电机B」(Motor B)功率较大,主要用于驱动车辆起步;

l 「主减速器」没有采用一般行业内常用的大/小齿轮副,而是也采用了一套「行星齿轮组」,除了处于整体设计的考虑,同样也彰显了「通用Voltec混动系统」势必将复杂进行到底的决心。

image040.gif通用Voltec混动系统(第二代)中变速器的工作原理示意图(动图)

得益于『两排行星齿轮组+双电机』的复杂构造,「通用Voltec混动系统」可实现单电机驱动双电机驱动低增程固定速比增程高增程等多种工作模式

image041.jpg

「单驱动模式(One Motor EV)车辆起步等低速低负载时,「发动机」不工作,「离合器C1」接合,将「行星齿轮组2」中的「外齿圈」固定,「电机B」驱动「行星齿轮组2」中的「太阳齿轮」旋转,「行星齿轮盘」速输出动力,驱动车辆行驶。此时纯电驱动;

image042.jpg

双电机驱动模式(Two Motor EV)加速爬坡等低速高负载时,「离合器C1」断开,「离合器C2」接合,「电机B」继续输出,「电机A」开始工作为「行星齿轮组2」中的「行星齿轮盘」增速,两个「电机」相互配合,「行星齿轮盘」输出动力,驱动车辆行驶。 此时「发动机」有被反拖的趋势,但由于「单向离合器C0」的单向锁止原理,避免了「发动机」被反拖。此时仍为纯电驱动;

image043.jpg

低增程模式(Low Extended Range):低速或高牵引力时,「单向离合器C0」接合,「发动机」工作带动「电机A」发电。「离合器C1」接合,「离合器C2」断开,车辆由「电机B」驱动行驶。该模式下「电机B」还起着调节「发动机」的作用,使其能处于高效区。此时仍为纯电驱动,类似于「丰田THS系统」的低速混动模式;

image044.jpg

固定速比增程模式(Fixed  Ratio Extended Range):加速或低负荷充电时,「单向离合器C0」接合,「发动机」工作,「离合器C1」和「离合器C2」均接合,「电机B」和「发动机」同时驱动两组「行星齿轮盘」输出,驱动车辆行驶。此时固定一个速比,类似于「本田i-MMD系统」的「并联式」混动模式,非纯电驱动;

image045.jpg

高增程模式(High Extended Range):高速巡航时,「单向离合器C0」接合,「离合器C1」断开,「离合器C2」接合,「发动机」工作带动「电机A」旋转发电。「电机B」驱动「行星齿轮组2」中的「太阳齿轮」,带动「行星齿轮盘」输出动力。此时主要由「发动机」驱动,并调节「电机B」保持较高效率水平,类似于「丰田THS系统」的高速巡航模式;

image046.jpg

能量回收模式:减速或制动的时候,「发动机」不工作,「离合器C1」接合固定「行星齿轮组2」中的「外齿圈」,「离合器C2」断开,「车轮」带动「行星齿轮盘」旋转,「太阳齿轮」随着「行星齿轮盘」转动,「电机B」转为「发电机」对「电池」充电。

image047.gif通用Voltec混动变速器手绘和实物的对应示意图

不得不说,「通用Voltec混动系统」中『两排行星齿轮组+双电机』的「变速器」是本专栏至今分析过最复杂的『混动变速器』,主要应用于「通用君越30H」、「迈锐宝XL」等车型上。那世界上还有比它更复杂的『混动变速器』吗?你别说,还真有,至少「通用汽车」还有一套用在「凯迪拉克」混动车型上的『三排行星齿轮组+双电机的「变速器」。

image048.jpg通用汽车和丰田汽车混动变速器结构对比

不过按照其实现的油耗效果来看,基本同期搭载「本田i-MMD混动系统」部分车型相当,略优于同期搭载「丰田THS混动系统」的部分车型。比如「通用迈锐宝混动」油耗为百公里4.3L、「别克君越混动」为百公里4.7L,「本田雅阁HEV」为百公里4.4L,「丰田凯美瑞HEV」为百公里5.3L。

「增程式电动汽车」绝非「纯电动汽车」

作为提出「增程式电动汽车」的通用汽车,我们却在他们推出的『电动汽车』上看到了许多有意思的逻辑,比如:

image049.jpg通用Voltec混动系统原理分析

1. 大量工况为纯电驱动:这与之前我们看到「串联式」车型非常相似,特别是「低增程模式」,这里容我感叹一句:通用,你真厉害,用最复杂的结构完成了最简单的「串联」;

2. 「发动机」启动后,更希望你是一辆燃油车:在类似「高增程模式」下,「发动机」主掌了大权,为整个系统提供主要动力,此外,以2016年二代「通用Voltec混动系统」为所搭载的「发动机」为例,其最大功率为75kW,最大扭矩为140N·m,显然已经有着主掌大权的能力。

image025.gif日产e-POWER混动系统的工作原理(动图)

不过,无论「通用Voltec混动系统」的工程师如何想让「发动机」发挥更多的作用,都无法阻拦「发动机」成为「增程器系统」的一部分。相比之下,我和几位知乎大咖的观点一致:「日产e-POWER混动系统」才是「发动机」胜利!这句话,你品,你细品~~

增程汽车』:这样理解

首先,国标的定义已经非常明确,所以,我觉得大家并不用纠结概念问题,而是关注「增程式电动汽车」的意义——在「电池技术」无法完全满足续驶里程需求等关键问题的背景下,「增程式电动汽车」以其成本不高、节能且最易推广的优势,成为我国向「纯电动汽车」过渡期间的最佳混动车型。

image050.jpg两者的经典结构有着很大的差异,根本不是同一条分类树

其次,国标对「串联式混合动力汽车」(Series Hybrid Electric Vehicle)有着明确的定义:车辆的驱动力只来源于电机的混合动力电动汽车。所以,无论从结构还是工作原理来看,「增程式电动汽车」绝对不是「串联式混动汽车」的下属分类,并且他们没有100%的包含或被包含关系。

image051.jpg别谈什么概念了,你就是混动汽车,不是纯电动汽车

若是真要将「增程式电动汽车」进行分类,那我们到底该将其分在那个类型呢?我觉得或许没有一个永久的定性,而是随着每个国家的政策变化而变化。不过,我觉得「增程式电动汽车」离政策定义的「纯电动汽车」概念会越走越远,比如理想ONE等车型已经在大部分城市无法作为「纯电动汽车」进行上牌,也不能享受相关的政策福利,而是回归到「新能源混动汽车」的行列。所以,如果大家以后再看到『增程汽车』、『增程式汽车』、「增程式电动汽车」等字样时,不妨这样理解:

image052.jpg

看到这里,不知道大家对带有『增程』、『增程式』等字眼的技术和车型是否有了自己的答案和理解。欢迎评论区讨论。至于「增程式电动汽车」的前景到底怎么样?那不妨引用岚图CEO卢放在2020年底的一句话『增程式电动汽车是未来5-10年最好的过渡方案』,那么各位又怎么看呢?同样欢迎大家评论哦~~

异常复杂的「功率分流」

浅谈完「串联式」混动结构的特点,也解释了「增程式电动汽车」的概念,接下来咋们就要聊聊「混联式」中,最为复杂的「功率分流」了。

「功率分流」:「机械功率」与「电功率」的『圈圈圆圆圈圈』

上一节中谈到「通用Voltec混动系统」(第二代)的基本工作原理,其中有一种叫「高增程模式」,在该模式下,「发动机」发出「功率」的流向十分的复杂:

image053.jpg通用Voltec混动系统(第二代)中变速器高增程模式功率流分析

「机械功率」:「发动机」的功率通过「行星齿轮组1」的「行星齿轮盘」,传动到达「输出轴」(上图①流向);「发动机」的功率通过「行星齿轮组1」的「太阳齿轮」到达「行星齿轮组2」的「外齿圈」再通过「行星齿轮组2」的「行星齿轮盘」汇总到「输出轴」(上图②流向);

「电功率」:「发动机」的功率通过「电机A」发出的电能输送给「电池」或「电机B」,得到电能的「电机B」产生的驱动力矩,通过「行星齿轮组2」的「行星齿轮盘」传送给「输出轴」(上图③流向);当然,「发动机」的功率还可以通过「行星齿轮组1」的「太阳齿轮」到达「行星齿轮组2」的「外齿圈」对「电机B」进行功率调节。

image054.jpg

这种将「发动机」产生的「功率」进行分流的混动结构又被称为「功率分流」(Power Split,简称PS),同时也是最常见的一种「混联式」。而我们包括我们此前提到的「丰田THS混动系统」中的「E-CVT」以及「通用Voltec混动系统(第二代)」中的『混动变速器』属于「功率分流」,只是它们之间又存在一定的区别,接下来我们就由浅入深地来聊聊各种「功率分流」。

「输入式功率分流」:丰田THS混动系统

image055.jpg丰田E-CVT变速器(第一代)结构示意图 

「丰田THS混动系统」作为最早的一批量产「功率分流」的混动系统,通过其独有专利的「E-CVT变速器」将「功率分流」这一混动派系彻底带火了。而其「功率分流」的逻辑也相对比较简单。比如在搭载「E-CVT变速器」的车辆行驶时,「发动机」所发出的「功率」在「行星齿轮盘」上会被一分为二:

image056.jpg

l 一股「功率流」通过「行星齿轮盘」到「行星齿轮」到「外齿圈」,向着「输出轴」流去;

image057.jpg

l 一股「功率流」则通过「行星齿轮盘」到「太阳齿轮」带动「P1电机」进行发电,电能传输到「P3电机」上进行「机械能」的转换,最终也汇合到「输出轴」。

image058.jpg

所以其分流原理是:「发动机」的「功率」在输入端的「行星齿轮」上就被分为两个部分,这种「功率」在「输入轴」(或输入端)被分流系统被称为输入式功率分流而其特点是:

l 「发动机」及「发电机」连接到「行星齿轮组」的两根不同的轴上;

l 「行星齿轮组」的「外齿圈」与「输出轴」相连;

l 「P3电机」与「变速器」的输出端直接相连。

「输出式功率分流」:通用Voltec混动系统(第一代)

通过一排「行星齿轮组」所实现的混动效果确实做到了『花小钱办大事』,所以丰田便为以上提到的这种「功率分流」的技术申请了专利。通用汽车的工程师一看,这还得了!

image059.jpg搭载4ET50混动变速器的雪佛兰Volt(2011)

故此,通用汽车为了绕过丰田的专利,同样研发出了一套基于单排「行星齿轮组」的『混动变速器』,该「变速器」内部代号为4ET50,也就是第一代「通用Voltec混动系统」(powertrain混动系统)。

image060.jpg通用4ET50混动变速器(2010)示意图

与丰田的「E-CVT变速器」相似,同样单排「行星齿轮组」、两个「电机」,不过在连接上有了一些不同,首先「发动机」与「P1电机」直接相连,「输出轴」接在了「行星齿轮盘」,「P3电机」与「太阳齿轮」连接,接下来让我们看看它的分流与丰田的「E-CVT变速器」有何不同。

image061.jpg

l 第一股「发动机」产生的「功率」通过「P1电机」调整从「外齿圈」进入「行星齿轮」,通过「行星齿轮盘」(「输出轴」)流出「变速器」;

image062.jpg

l 第二股「发动机」产生的「功率」带动「P1电机」产生「电功率」传递至「P3电机」,然后通过「太阳齿轮」传递给「行星齿轮盘」(「输出轴」)流出「变速器」。

image063.jpg

汇总其分流原理则是,「发动机」和「电机」的两部分「功率」在到输出端的「行星齿轮盘」(「输出轴」)汇合,这种将「功率」在「出轴」合流系统被称为式功率分流其特点是:

l 「发动机」与「P1电机」刚性连接,且作为「增程器」与「行星齿轮组」的一根轴刚性连接;

l 「行星齿轮组」的第二根轴连接着「P3电机」;

l 「行星齿轮组」的第三根轴作为「输出轴」。

「输入式」与「输出式」功率分流的区别

image064.jpg输入式与输出式功率分流的区别

通过对比图大家就会发现,两种「功率分流」虽然在基本结构和基本组件非常相似,但最大的区别就是「发动机」以及「电机」连接「行星齿轮组」的逻辑,「输入式」的逻辑是将「发动机」的「功率」在进入「变速器」后就进行分流,而「输出式」的逻辑则是将分散在「变速器」内部的「功率」最后进行合流。

image065.jpg输出式功率分流会遇到的尴尬

不过相比「输入式」,「输出式」分流逻辑上有着一种比较尴尬的情况,那便是在汽车低速行驶时,由于「发动机」与「P1电机」刚性连接,所以此时「P1电机」在某种意义上正在驱动汽车,而「P3电机」被带着转动产生「电功率」方向回到了「P1电机」所在的「输入轴」,于是问题就发生了,这股「电功率」所要转换的「机械功率」与原本「P1电机」产生的「机械功率」并不同向,也就是说由「P3电机」产生的「电功率」是一股「无功功率」。简单来说就是「P1电机」与「P3电机」叫上劲儿了。

image047.gif内部代号5ET50的混动变速器

当然啦,这种尴尬的情况是可以通过加入「离合器」来解决的,不过我们这里不展开,因为通用的混动工程师决定用两排「行星齿轮组」彻底地完善他们对「功率分流」的伟大理想,这也就是之前我们提到的第二代「通用Voltec混动系统」,内部代号5ET50的『混动变速器』。

「复合式功率分流」:「通用Voltec混动系统」(第二代)

image066.jpg内部代号5ET50的混动变速器简化示意图

当我们省去「单向离合器」和「C1离合器」后,来分析一下通用这款『混动变速器』的分流原理,我们把关注点放在两组「行星齿轮组」上。

「行星齿轮组1」:输入式功率分流

在第一组「行星齿轮组」上,我们可以看到3条「功率流」:

image067.jpg

l 「发动机」的「功率」可以通过「输入轴」进入「变速器」,走「外齿圈」至「行星齿轮盘」分流后直接流向「输出轴」;

image068.jpg

l 「发动机」的「功率」可以通过「输入轴」进入「变速器」,走「行星齿轮组1」的「外齿圈」,至经「行星齿轮盘」分流至「太阳齿轮」,再经过「离合器」将「功率」继续传导到「行星齿轮组2」的「外齿圈」,「机械功率流」仍在「变速器」内部;

image069.jpg

l 「发动机」的「功率」可以通过「输入轴」进入「变速器」,走「外齿圈」分流后走「太阳齿轮」至「P1电机」发电,电能带动「P3电机」,「电功率流」仍在「变速器」内部;

image070.jpg

若是将分流的原理进行再次简化,我们就会发现,「发动机」的「功率」在连接着「输入轴」的「行星齿轮盘」(「行星齿轮组1」)上被分流,这与丰田的「E-CVT变速器」的逻辑相仿,属于「输入式功率分流」。

「行星齿轮组2」:输出式功率分流

「行星齿轮组1」有两股「功率流」仍在「变速器」内,最终的去向就要在「行星齿轮组2」上继续追寻:

image071.jpg

l 我们先从「P3电机」入手,从「P1电机」来的「电功率」带动「P3电机」转动,「功率」从「行星齿轮组2」的「太阳齿轮」进入,走「行星齿轮盘」最终流向「输出轴」;

image072.jpg

l 在看来自「离合器」的「机械功率流」,它经「行星齿轮组2」的「外齿圈」到达「行星齿轮盘」,直接流向「输出轴」。

image073.jpg

将分流的原理进行再次简化后,可以看出两股「功率流」在连接着「输入轴」的「行星齿轮盘」(「行星齿轮组2」)上汇合,最终通过「输出轴」流出「变速器」,这恰恰又是一种「输出式功率分流」。

image074.jpg

而当我们将整个『混动变速器』内的「功率流」整合梳理后,我们便会发现,在「行星齿轮组1」的「行星齿轮盘」上进行分流,而在「行星齿轮组2」的「行星齿轮盘」上进行合流,前段「输入式」后段「输出式」』,着实是复杂。而这种复杂的「功率分流」又被称为「复合式功率分流」

image075.gif经典的复合式功率分流示意图(动图)

至于为什么要用那么复杂的『混动变速器』,那展开就是一本书了,这里先给到一个结论:「复合式功率分流」可使得「电机」有很长的一段低功率流区域,在这个区域行驶时,车辆的效率(即燃油经济性)很高,而这段区域是单一的「功率分流」无法达到的。

image076.jpg三类功率分流的节本说明示意图

有时你不得不承认,丰田真把「功率分流变速器」(Power Split Device,简称PSD)玩出了实际效果,不过『山外有山,人外人』,通用汽车的『混动变速器』,其复杂程度并非几千字可以概述,但往往复杂不代表好用,越是复杂,对于电控逻辑的要求越高,同时也带来了维修成本的提升。故此,我与同事在赞叹其机械美学之余,也会带着几分望而却步的敬畏。直白点说:结构挺好看,谁修谁完蛋。

混合动力专用变速器」(DHT)的兴起

解释完「混联式」中原理比较的复杂的「功率分流」,我们来看看以「本田i-MMD混动系统」为代表的另一类「混联式」——「定轴式混合动力系统」(或叫平行轴式混合动力系统)。

代表之作:「本田i-MMD混动系统」

本田i-MMD原理(动图).gif本田i-MMD混动系统工作原理(动图)

此前我们详解过「本田i-MMD混动系统」的基本结构,这里我们简单回顾一下其5种工作模式:

1. 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;

2. 「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;

3. 混动串联模式:「发动机」与「P1电机」等部件组成「增程器系统」,为「P3电机」供电,从而驱动汽车;

4. 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;

5. 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。

局限与解决:「发动机」和「挡位」

image077.png串联模式下,功率传输流程距离长

这套混动系统与使用「行星齿轮组」的「功率分流变速器」最大的结构区别便是:无法在「串联」、「并联」两个模式之间做无缝转换,而两种模式的切换完全取决于「离合器」的开合。换言之,『混动变速器』内的「功率要么以机械功率」传递,要么以功率」传递没有中间档。

这种『非黑即白』的选择模式也带来一个技术难点——如何克服「串联模式」下,传动效率较低的问题。由于在「串联模式」下由于「发动机」输出的「功率」必须通过两台「电机」传输,也就是要进行『「机械功率」转「电功率」再转「机械功率」』的多次能量形式的转换,无法避免的有能量损失。

image078.jpg本田i-MMD混动系统部件/工况对照表

比如整套「本田i-MMD混动系统」传输效率在大部分情况下都能达到 95% ,但在「串联模式」下,虽然此时的「发动机」在最佳工况高效率进行运作,但整体传输效率却还要降低5%,即在90%左右,这个效率只能说是中规中矩,与 「CVT变速器」(无级变速器)处于同一水平。

故此,在车速超过70公里/时的高速巡航工况时,「本田i-MMD混动系统」则会选择切换至「并联模式」,「发动机」与「电机」共同驱动汽车,整套系统的传输效率恢复到最佳状态。看到这里大家会问,既然「并联模式」的效率更高,那「本田i-MMD混动系统」为什么不增加「并联模式」的范围呢?其中的原因大致有2点:

image079.gif奥托循环&阿特金森循环的工作原理(动图)

1. 「阿特金森发动机」的限制:考虑到「阿特金森发动机」的热效率和燃烧稳定性,故此,转速一般只能保持在1200~3000转/分钟。另外,「阿特金森循环」在高扭矩的效率不如「奥托循环」,所以,一般只能用于低、中扭矩区域。更多关于「阿特金森发动机」可查看往期内容;

image080.jpgHonda CR-V Hybrid(2019)

2. 「挡位」限制:目前「本田i-MMD混动系统」只给「并联模式」配备了一个「挡位」(「传动比」为 0.803),相当于传统「变速器」里的6挡,所以,系统将「并联模式」的介入时机定在70公里/时。

image081.jpg搭载两个凸轮的VTEC发动机的结构

既然知道了局限在哪里,那么我们就可以着手解决。比如「本田i-MMD混动系统」从「发动机」进行调整,选择搭载「VTEC系统」(Variable Valve Timing and Valve Lift Electronic Control System ,即「可变气门正时和升程电子控制系统」)的「发动机」,旨在使「发动机」能在「阿特金森循环」与「奥托循环」中切换,以满足「扭矩」匹配的要求。

新赛道:增加「挡位」,快速「并联」

然而考虑到「发动机」的经济性,「本田i-MMD混动系统」仍然将「阿特金森循环」用于多数的工况。而目前国内的车企在提升「混动专用发动机」「热效率」的同时,开始在自己的「DHT」(Dedicated Hybrid Transmission,即「混合动力专用变速器」)增加更多的「挡位」,以便整个系统更快速地进入「并联模式」的经济工况。

image082.jpg长城柠檬DHT示意图

这里我们要先来解释一下什么叫「DHT」?简单地理解便是我们此前提到的所有将双「电机」融入「变速器」的『混动变速器』总称。而搭载「DHT」的混动系统我们称其为「DHT混动系统」,目前主流的「DHT混动系统」都具备以下特点:

image083.jpg长城柠檬DHT混动系统组成部件示意图

采用混动专用发动机」:通常为「阿特金森循环」或深度「米勒循环」的「发动机」,峰值热效率和高效区范围远比燃油平台「发动机」更出色;        

更高效的「电机」:通常采用两个『扁线+油冷+高速』配置的「电机」,拥有功率和扭矩密度高、峰值效率高、高效区范围广、损耗低等特性; 

结构高度集成化:「电机」、「变速器」以及「控制器」等部件高度集成,动力集成化耦合; 

多模式,快速切换:包括「发动机直驱」、「电机直驱」、「串联模式」和「并联模式」4种对应不同「速域」和「功率」工况的模式。

image084.jpg长城柠檬DHT结构示意图

聚焦回『为「DHT」增加「挡位」』的问题上,以「长城柠檬DHT」为例,通过上图我们可以看到,其「DHT」拥有2个「挡位」。

image085.jpg

在低车速急加速时,由于有「1挡」的存在,故此,长城汽车官宣在40公里/时左右时,「发动机」即可介入动力输出,使得汽车快速进入并联模式。如此一来,这套混动系统在保证动力充沛的同时,又保证「发动机」的经济性。

image086.jpg

中高车速全负荷加速时,则可以切换至「2挡」,此时,由于「发动机」的「功率」被放大,释放出更大的扭矩,长城汽车官方宣称『可比单档串并联架构的轮端力矩大1000N·m左右』。

image087.gif长城柠檬DHT混动系统多种模式(动图)

『两挡直驱』应该算是「长城柠檬DHT混动系统」最大的特点之一,当然,常规的「纯电模式」、「串联模式」和「动能回收模式」也不会少。而从混动控制的逻辑与工况对应后,我们大致可以归纳如下:

低速工况:车辆采用「纯电模式」,内部集成高性能驱动「电机」保证低速爬坡超大马力,动力响应迅捷,加速平顺,此时为『零油耗』;

中高速工况:发动机」和「电机」采用「混联式」模式,在「并联」和「串联」中灵活切换,可充分发挥「发动机」和「电机」的双重驱动能力,保证更好的燃油性;

高速工况:「发动机」与「电机」进行「并联」驱动,提供充沛的动力,保证高速路况加速更平稳,动力更强劲。

image088.jpg长城柠檬DHT混动系统的串联模式

若你问我,为什么没有「发动机直驱模式」?其实是有的,不过这种工况发生的情况比较少。因为通常在高速巡航时,才会有机会(非必须)让「发动机」单独去驱动「车轮」,但只要对「功率」和「扭矩」的需求有一点点变化,整个系统就有强烈的趋势,去切换到其他的模式,比如:

image089.jpg很难出现的发动机(2挡)直驱模式

切换到「串联模式」:动力要求很弱,「发动机」的「功率」过剩,正好可以带动「电机」来发电,为「电池」充电;

切换到「并联模式」:动力要求较强,「P3电机」直接介入,与「发动机」共同输出「功率」;

切换到「混联模式」:动力要求一般,此时,可以是「P1电机」介入调整「发动机」的「扭矩」或「转速」。亦或是「发动机」带动「P1电机」为「P3电机」发电,并将多余的「功率」传输到「输出轴」。

总之大家要记住一个原则:「DHT混动系统」不刻意追求单一零部件或单点效率最高,而是追求动力总成的综合效率最大化。

国产的崛起:「DHT」成为趋势

image090.png雷神智擎Hi·X混动系统包含两款DHT和两款混动发动机

无独有偶,最近吉利汽车也发布了新一代的混动平台「雷神动力平台」,而下属模块中包含一套混动动力总成——「雷神智擎Hi·X混动系统」,其中的「DHT Pro」通过独特的双排「行星齿轮组」实现了「3挡」布局。

image091.jpg雷神智擎Hi·X混动系统中的DHT Pro示意图

吉利汽车官方资料显示,「DHT Pro」在20公里/时的速度下便可进入「并联模式」。且在「1挡」的大速比加持下,实现弹射起步,让起步加速的能力提升50%。此外,「DHT Pro」将「电机」、「变速器」和「控制器」等多个部件进行高度集成,能够承受的最大输出扭矩达到了4920N·m。

image092.jpg同步器换档结构(长城柠檬DHT100)示意图

虽然「雷神智擎Hi·X混动系统」与「长城柠檬DHT混动系统」同属于『多挡位传输』的「DHT」,但的确存在着一些区别:「长城柠檬DHT混动系统」属于『同步器换档结构』,而「雷神智擎Hi·X混动系统」属于『行星齿轮组换挡结构』。这里不展开详解,我们放在单品牌介绍中再细聊。

image093.jpg市售的部分DHT产品参数对比(点击放大查看)

简单来说,增加「DHT」的「挡位」都是为了延长「发动机」在最高效率区间的使用工况,从而减少传输损耗较大的工况,达到提升整套动力总成综合效率的目标。光从技术的角度来看,目前国内的「DHT混动系统」已有崛起的趋势。当然,我们还要通过最终装车后的实际表现来判断一套混动系统是否成功。最后,我用无限暗示的眼神看向本田,弱弱地问一句:

image094.jpg


总结:如何评判一套混动系统?

来到本章的最后一节,我们来审视一个很难回答的问题『到底如何评判一套混动系统』。我觉得可以从两个宏观角度去看,一个从技术角度,一个则从消费者的角度。

技术角度:更关注部件和系统的本身

从技术的角度去看,我们会从不同的维度去评判,比如是否拥有『高效率发动机技术』、『高效率电驱动技术』、『动力源之间耦合的完备性』、『动力流的动态控制优化算法与技术』、『各工况区间下的匹配度』等。可能看似比较复杂,所以我们举两个简单的例子。

各工况区间下的匹配度

这里所说的『匹配度』是指在各种工况下,轮端功率需求动力输出功率之间的匹配度换句话来说就是考察「发动机」、「发电机」和「电机」的「输出功率」与轮端的功率需求是否能匹配。当匹配度不够时,就会有一些问题需要我们想办法去解决,比如说:

image095.png单排行星齿轮组的功率限制

l 急加速时,轮端的功率需求过大,动力总成的功率较弱,就会导致轮端响应延迟;

l 在某些低电量情况下,轮端的功率需求较大,而「发动机」的「功率」较弱,就会导致对轮端的高功率需求无法响应;

l 在某些低电量情况下,轮端的功率需求较大,而「发电机」的「功率」较弱,就会导致对轮端的高功率需求无法响应;

l 在馈电时,「电机」主要用于发电,而非驱动,驱动源依靠「发动机」,导致「发动机」进入低效区。

image080.jpgHonda CR-V Hybrid(2019)

其实在我们之前的文章中也有提到过这些问题,比如「P2电机架构」的馈电问题。而像「本田i-MMD混动系统」这样的「混联式」(定轴/平行轴式)就有着一些结构优势。比如,在平坦道路上巡航时,「发动机」的「转速」和「扭矩」之间的关系下图中(右下角)的黑线所示,显然并非最优解,特别是『发动机直驱模式』时,「发动机」的运行状态与最小「BSFC曲线」向较低扭矩区域分开。

image096.jpg本田i-MMD混动系统提升完备性的作法之一

所以,此时便可通过对「电池」进行充放电来进行「发动机」负荷调整,以将「发动机」工作点固定在高效区。上图我主要标注了『assist工况』逻辑,也就是轮端的功率需求逼得「发动机」要离开高效区时,「电池」放电,带动「电机」驱动,以此来弥补「发动机」的「功率」,以此保持「发动机」持续处于高效率区间。此外,我们也需要考虑系统中『动力源之间耦合的完备性』。

动力源之间耦合的完备性

这种『完备性』指的是当各动力源进行各种耦合时,是否能使「发动机」的高效区特性和「电机」的高效区特性进行互补与融合,从而避免「发动机」或「电机」的工作点落入低效区。当完备性不够时,又会有一些问题需要我们想办法去解决,比如说:

image097.jpg无法使发动机与电机完全解耦的结构

l 无法避免「发动机」落入低效区的拓扑结构:电驱动系统只能在发电和驱动两个功能之间单向切换,无法同时实现『发电+驱动』的功能复用;

l 无法避免「电机」落入低效区的拓扑结构:比如说「纯串联式」的『增程式混动系统』;

l 「发动机」与「电机」无法完全解耦,降低系统能量利用率的拓扑结构:比如说「单排行星齿轮组」结构。这也将是我们接下来的章节需要讨论的内容,这里就不展开了。

消费者角度:更注重体验的效果

image098.png

而从消费者的角度去看,判定一套混动系统的维度,更多地是从『(燃油)经济性』、『动力性』、『平顺性』、『NVH』、『保电能力』以及『馈电状态下的经济性』和『馈电状态下的NVH』等维度考虑。这些维度的具体比较,我们会放在单个品牌的混动介绍后,做一个综合性的评价,目前还在进行详细的资料收集和对比,以上图为鉴。

image013.png按混合动力系统结构形式的分类

而当我们回看三类『混合动力系统结构形式』时,就会发现目前的混动汽车多以「混联式」为主。正如上一节提到的那样,国产的「DHT」正在慢慢崛起,追溯崛起的背后,我们也会发现,包括比亚迪、上汽、广汽和吉利等主机厂已经在混动系统方面布局了很十多年。混动汽车百科的一些基础知识至此便告一段落,接下来我们将更集中目光,看一看各个主机厂的混动技术都有哪些特点,记得关注我们哦~~

 

 


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