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力压『两田』,「哈弗柠檬混动DHT系统」如何开启新一代混动系统?(上)
来自:电动邦
作者:王元祺
2022-05-09 08:39:20
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看似只是增加了一个挡位,却是开启了混动系统的一个新时代

从1997年丰田普锐斯开启混动汽车的市场,有很长的一段时间里,坊间流传着『世界上只有两种混动系统,一种是丰田,一种是其他』。不过自2020年12月长城汽车推出了新一代的「柠檬混动DHT系统」后,国内的包括比亚迪汽车、吉利汽车等一众自主品牌相继入场,开启了国内混动市场进入了全新的时代。那么,对比以『两田』为代表的混动系统,「柠檬混动DHT系统」又有什么样的特点和优势呢?我们详细来聊聊。

搭载哈弗柠檬混动DHT系统的哈弗神兽

■ 从油到全域油电,代差逐步拉开

此前主流的混动技术主要分为两类,一类以丰田为首的「功率分流式」混动技术,以及以本田为首的定轴「串并联式」(混联式)混动技术,但随着混动系统中各个组件技术的提升,混动技术实际上已经迎来的革新的契机,那就让我们先从『两田』的混动技术中,寻找一些突破的可能性。

丰田THS混动系统:优化发动机工况,为动力不断优化

丰田普锐斯(2代)变速器的结构示意图

相信大部分人都知道丰田的「THS混动系统」,也对其核心部件「行星齿轮机构」有所耳闻。简单地来说,「行星齿轮机构」主要由「太阳齿轮」、「行星齿轮盘」(「行星齿轮组」与「行星齿轮盘」连接为一整体)和「外齿圈」三个旋转组件构成,并与「发动机」、「MG1电机」和「MG2电机」这三个动力源对应。

行星齿轮组的连接逻辑示意图

「丰田THS混动系统」的混动逻辑是利用「行星齿轮机构」无级变速的特点,让「发动机」在不同工况下,始终都能保持在高效率的区间,从而达到节油的目的,换句话说就是『重油轻电』。

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丰田THS混动系统功基本工作逻辑示意图(动图,仅供参考)

丰田THS混动系统行星齿轮机构的工作模式表

以第一代「丰田THS混动系统」为例,在纯电行驶时,「发动机」停止工作,「MG2电机」主要用于驱动,其转速随着车速提升而提升,但由于「MG2电机」与主要用于发电的「MG1电机」被布置在一根轴上,所以,此时「MG1电机」则需要按照一定的比例进行反转,以确保连接「发动机」的「外齿圈」不转动,防止「发动机」被拖拽造成无效的能量消耗。


丰田THS混动系统功率分流原理示意图

我们可以通过网上某大神制作的「功率分流原理」网页软件(基于「模拟杠杆法」,链接放在了文末),如上图当主要负责驱动的「MG2电机」与「发动机」转速拉满时,「MG1电机」必须反转(即图中的-700RPM)进行调速,而不能发挥出最大的发电效用。

功率循环现象示意图

这便是此前我们在解析「功率分流」时提到的「功率循环现象」,即是「发动机」将驱动外剩余的功率,不断地进行能量转换,直至被无效地消耗殆尽,这种现象对于「丰田THS混动系统」而言,通常发生在高速行驶时(输入式功率分流),这侧面地导致了这套系统无法将三个动力源的全部功率都输出到车轮端。

加上搭载第一代「丰田THS混动系统」的「普锐斯」(第一代)使用了功率较小的「电机」(驱动桥代号P111,MG1电机功率16kW,MG2电机功率33kW)和「发动机」(功率60.3kW),给驾驶者的驾驶体验就是一个字——『肉』。

增加一组行星排,提升扭矩(图片源自《绿芯频道》)

在2003年伴随第二代「普锐斯」车型上市,第二代「丰田THS混动系统」对这个问题进行结构优化,在保留原来的一组「行星齿轮机构」的基础上,增加一组「行星齿轮机构」,构成了『双行星排』。第二组「行星齿轮机构」的「外齿圈」与第一组的「外齿圈」连接,「行星齿轮盘」固定不动,而用于驱动的「MG2电机」则与第二组「行星齿轮机构」的「太阳齿轮」连接。可以说优化的逻辑非常清晰:第二组「行星齿轮机构」为「MG2电机」降低转速,放大扭矩,提高车辆的动力性能。

许多人都喜欢把这一代THS成为第三代THS

此后,丰田为2009年的三代「普锐斯」搭配了动力更强的1.8L「发动机」以及更大功率的「MG2电机」(60kW)。而2015年第二代「丰田THS混动系统」迎来了一次结构性的大升级:将原来为「MG2电机」减速的第二组「行星齿轮机构」,改为结构更简单的平行轴齿轮,由原来的三个动力源平行布置,转变为了并列布置。

这次结构升级最直观的变化便是减小了整套系统的轴向尺寸,节省了宝贵的轴向空间。而节省出来的空间,便可布置更大的「发动机」和「电机」,使得整套系统在动力方面拥有更多的提升空间。

我曾开过的四代普锐斯(2015款,实拍)

综上所述,从1997年第一代「丰田THS混动系统」发布至今,仍然保持着『让发动机始终都能工作在高效率的区间』的初衷,通过两次较大的结构升级,不断提升系统的动力性能。但『无法将三个动力源的全部功率都输出到车轮端』的结构特点,也决定了其优化的上限。那接下来就让我们看看丰田的老对手——本田。

本田i-MMD混动系统:纯电大电机,单挡有上限

本田IMA混动系统

其实本田的混动研发起步的也很早,其第一代混动系统——「IMA混动系统」与第一代「丰田THS混动系统」基本同时推广。但「IMA混动系统」的结构比较简单,简单地说就是在「发动机」和传统「变速器」之间塞入了一个「电机」,只能执行简单的并联和制动能量回收,不能实现太复杂的混动控制。故此,无论在实际表现,还是市场接受程度上都无法与「丰田THS混动系统」相比。

2013年本田发布的三大混动系统

直到2013年本田提出了大名鼎鼎的『地球梦科技』,三款混动系统才和『地球梦发动机』一起发布。搭配A级汽车的「i-DCD混动系统」、搭配B级汽车的「本田i-MMD混动系统」以及结构复杂、后桥体积巨大的「SH-AWD混动系统」。至于三大混动系统中,普及最广、市场接受度最高的就是「本田i-MMD混动系统」。

本田i-MMD混动系统结构示意图

「本田i-MMD混动系统」的结构主要由「发动机」、「发电机」(P1电机)、「驱动电机」(P3电机)三大动力源以及一组「离合器」组成。三个动力源使用定轴布置,两个扁平的「电机」采用了『轴套轴』的技术被同轴布置(又被称为『空心轴』),从上图可以看出「发电机」所在的「输入轴」嵌套在「驱动电机」所在的「输出轴」内(注意红色和蓝色区域)。而在「离合器」的调度下,各动力源相互配合形成以下几种驱动的模式。

首先便是最为常见的纯电模式,此时只有「驱动电机」工作,「离合器」将「增程器系统」(「发动机」和「发电机」)脱离,这种模式多用于起步、城市匀速行驶的工况。

其次则是混动模式,包括串联模式和并联模式,串联模式指「发动机」启动带动「发电机」发电,产生的电能供给「驱动电机」,用于驱动汽车行驶,而多余的电量供给「电池」,目前本田将串联模式标定为最常用的驱动模式,覆盖大部分城市工况。

通常只有当「发动机」在经济区域无法提供「驱动电机」足够的功率时,「电池」为「驱动电机」供电,「离合器」闭合,「发动机」也会介入到驱动中。

发动机工作点调节

简而言之:混动模式是通过「电机补充动力」(assist)或者「存储多余能量」(charge),让「发动机」始终工作在经济区域,即油耗最低区域。

此外,在高速巡航时,系统也会将系统调到发动机直驱模式,即是「离合器」闭合,「电机」待命准备随时介入,「发动机」单独驱动车辆,但由于「发动机」到「车轮」之间没有档位可切换,固定的速比大约是传统6AT的6档,所以,当车速一旦发生较大的变化时便无法与「发动机」的转速不能匹配,只能快速的切换到混动模式。至于怠速时的充电模式与动能回收模式都属于基操,这里就不展开了。

本田i-MMD混动系统工况分析表

纵观「本田i-MMD混动系统」的混动逻辑,大部分路况都锁定在串联模式,将「发动机」作为「增程器」用于发电,而将『驱动汽车』这个使命交给了「驱动电机」。故此,「本田i-MMD混动系统」一般都会搭配一个大功率的「驱动电机」,才能保证车辆动力性。以「本田雅阁」(2021款)为例驱动电机的最大功率达到了135kW,账面上仅弱了260TURBO版5kW。

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本田i-MMD混动系统基本工作原理示意图(动图,仅供参考)

综上所述,相比「丰田THS混动系统」「本田i-MMD混动系统」的结构简单,并可以实现更灵活的串联、并联、纯电等驱动模式,使得所有动力源都能用于轮端的驱动,动力相对更强。

本田CR-V Hybrid(2020款)混动示意图

但「本田i-MMD混动系统」仍有两个令工程师头痛的问题:

  1. 1. 「发动机」在驱动时很难发挥:由于只有一个挡位,所以「发动机」不能在车速较低的情况下介入驱动,,这就好像拔河比赛,你铆足了劲儿准备发力,教练却叫你待一边做啦啦队,你说有多憋屈;

  1. 2. 成也『空心轴』,难也『空心轴』:虽然『空心轴』的结构可以减小体积,但「传动轴」(输出/输入轴)所能承受的功率上限较低,对制造的工艺要求很高。同时还要考虑高速「电机」转动时产生的抖动,这样也就限制「电机」的功率,影响到了整体动力的提升。


哈弗柠檬混动DHT系统:新一代的混动系统

长城汽车通过对过往混动系统技术路线的分析,给出了自己新一代混动系统的答案——「哈弗柠檬混动DHT系统」,这套系统有两个新时代的混动系统的特点:平行轴布置和两档变速机构。

哈弗柠檬混动DHT结构示意图

首先来聊平行轴布置,「哈弗柠檬混动DHT系统」将「驱动电机」与「增程器系统」分别安排在两根「固定轴」上(即「输入轴」),而动力最终通过第三根带有变速机构(此处为「同步器」)的「固定轴」(即「输出轴」)传输到轮端。这样的布置方式恰好解决了『空心轴』结构上限较低的问题,我们在「比亚迪DM-i混动系统」上也可以看到类似的结构,可以说,这种结构已经成为了新一代混动变速器的主流结构。

哈弗柠檬混动DHT系统两档变速机构示意图

其次,「哈弗柠檬混动DHT系统」还有一项『杀手锏』——两挡变速机构。从官方的资料推断,这两个挡位对应的大概是传统「AMT变速器」的3挡和5挡齿比,相比「本田i-MMD混动系统」单一的齿比(大约是传统AMT的6挡齿比),「发动机」可以在35km/h左右的时速就介入驱动。

哈弗柠檬混动DHT系统的二挡变速机构带来的变化

加入两挡变速机构给整套混动系统带来了巨大的变化,比如:

1. 低速时快速进入并联模式:「哈弗柠檬DHT」的1挡(即大约传统AMT的3挡齿比),让「发动机」可以在较低车速的工况下快速地进入「并联模式」,也就是说快速地让三大动力源共同参与驱动,故此,相比单挡的混动系统可以提供更大的扭矩。而在这个车速「本田i-MMD」的只有「驱动电机」在孤军奋战,能提供的低速扭矩多少有些捉襟见肘,根据长城汽车的官方资料显示:哈弗柠檬DHT可比单档串并联架构的轮端力矩大1000N·m左右;

2. 「发动机」高效区间的利用率提高:此外,我们知道在低速阶段「串联模式」能量走得是一条「油-电-电驱」的长链条,整体的传动效率较低,故此让「发动机」更早的介入驱动,恰恰提高了「发动机」在高效区间的利用率,可以这样理解:「发动机」一直按着一种舒适、合理的节奏在锻炼,而锻炼的方式从原来单纯的『撸铁』,变为了为小区的居民扛大米,可谓是一举两得。

其实除了这两个变化,还有很多优点,在后续的对比中我们会拆解分析。

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哈弗柠檬混动DHT系统的基本工作原理示意图(动图,仅供参考)

与其他新一代的「DHT混动系统」相同,「哈弗柠檬混动DHT系统」拥有多种工作模式:

纯电模式:在低速工况下如市区拥挤路段,此时「发动机」处于低效率区间,所以不工作,而是由「驱动电机」直接驱动车轮;

串联模式:在低速工况下电池电量不足时,由「发动机」带动「发电机」为「驱动电机」提供动力,同时「电机控制器」控制功率流动,保证「发动机」处于高效工作区间;

并联模式:应对急加速和高动力需求的状况,在「发动机」通过两挡变速器介入动力输出,可而此时「驱动电机」则作为辅助动力;

发动机直驱模式:在中高速巡航的路况中,「发动机」处于工作的高效区间,通过两挡变速器直接驱动汽车;

动能回收模式:汽车减速制动工况下,「驱动电机」作为「发电机」将摩擦的能量进行回收,为「电池」充电。

哈弗柠檬混动DHT系统工况和工作模式对应表

综上所述,「哈弗柠檬混动DHT系统」结构上属于双电机混联拓扑结构,基本原理上与「本田i-MMD混动系统」类似,最大的变革在于为「发动机」匹配了两档定轴式变速机构,让「发动机」发挥出更大的作用。

搭载哈弗柠檬混动DHT系统的哈弗神兽

可以说,从丰田围绕「发动机」的混动系统设计理念,到本田『让发动机始终工作在高效区域,当功率不足时,电机输出能量补充动力』的混动逻辑。「哈弗柠檬混动DHT系统」就显得显然更『成年人』一些——旨在作到全速域、全场景下的优异表现。而正是这样的设计宗旨,终将成为新一代混动系统的标杆,与『两田』的混动系统拉开了代差。

■ 总结

没错,就是提醒你三连一下

汇总了一张『两田』混动系统与「哈弗柠檬混动DHT系统」的对比表,截图比较小,如有需要,可以私信索取,不过……记得附上『素质三连』的截图哦~~科科~~

然后,让我们简单地做一下总结:

「丰田THS混动系统」是以『发动机能耗最优』为底层结构设计逻辑,旨在让「发动机」以最经济的方式进行驱动,而「电机」主要用于调节「发动机」的工作状态,在极致的节油理念下,放弃了一部分的动力性,更适合城市通勤,而非全域全速的混动逻辑。所以,在混动系统的结构和逻辑不变的情况下,几乎很难再有优化空间。

「本田i-MMD混动系统」完全绕开了丰田「行星齿轮」的专利,结构简单,混动逻辑是将「发动机」不能高效工作的工况留给「驱动电机」,保证了燃油经济性。但油与电的驱动逻辑略显『割裂』。此外,技术上有两个比较头疼的难点,一是动力上限受限于「电机」的功率,二来受限于单挡结构,馈电能力相对有限。

「哈弗柠檬混动DHT系统」突破性地加入了两挡变速机构,旨在让「发动机」能更早地介入驱动,弥补了本田在中高速路段动力表现不佳的缺点,同时在NVH和平顺性方面进行了优化和提升,在保证燃油经济性的前提下,拥有更强的动力表现,特别是在0~60km/h速域的动力表现,可以说是碾压了『两田』。

总得来说,「哈弗柠檬混动DHT系统」看似只是增加一个两挡的变速机构,但实际上却开启了新时代混动系统的序幕,在长城汽车发布了「柠檬混动DHT系统」后,又有多个自主品牌相继跟进,推出了自己多挡位的新一代混动系统,那么到底什么才是新一代的混动系统?新一代的混动系统又会在哪些维度超越『两田』所代表的混动系统呢?

我们下期细聊~~


扩展阅读资料:

丰田THS混动系统功率分流原理

   https://www.iea.lth.se/hybr/PSDAnim.swf    

『白话新能源』第十五期:阿特金森是个什么鬼?

   https://www.diandong.com/news/82986.html    

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