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混动百科 | 一篇看懂「上汽EDU混动系统」
来自:电动邦
作者:王元祺
2022-05-23 17:42:53
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上汽EDU混动系统,一群与自己较劲工程师的浪漫。

■ 目录

1.     第一代上汽EDU混动系统:大创新,也有遗憾

1)     结构特点:双电机+双离合+两档变速

2)     工作原理:面面俱到,稍显复杂

3)     优点即缺点:提升有难度,变革成定局

2.     第二代上汽EDU混动系统:大变革,眼花缭乱

1)     结构特点:三平行轴+单离合+单电机

2)     工作原理:眼花缭乱的可能性

3)     整体优化:组件升级和智能控制

4)     结构分析:趋近于AMT还是DHT?

3.     工程师的浪漫

■ 第一代上汽EDU混动系统:大创新,也有遗憾

上汽集团(后简称上汽)属于国内最早的一批自研混动系统的主机厂,早在2008年~2009年就开始立项,2013年上汽发布了混动系统第一代「上汽EDU混动系统」(或称为「EDU电驱系统」)并为其申请了专利。

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第一代上汽EDU混动系统结构爆炸图

结构特点:双电机+双离合+两档变速

第一代「上汽EDU混动系统」属于我们此前介绍过的「串并联式架构」,其由一枚「发动机」和两个「电机」组成,其中一个是主要用于发电和调整「发动机」转速的「P1电机」(ISG电机),而另一个则是主要用于驱动的「P2电机」(TM电机),此外,由于「驱动电机」被整合在了「变速器」中,也被认为是「P2.5电机」(详解见此前的专栏文章)。

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第一代上汽EDU混动系统结构示意图(仅供参考)

三大动力组件被两套「离合器」、一组「同步器」以及若干变速齿轮等组件相连接。其中第一组「离合器C1」控制「发动机」接入整个系统,而「离合器C2」长期处于闭合状态(后文详解),主要负责将「P2电机」的功率接入到系统中。

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第一代上汽EDU混动系统结构示意简图(仅供参考)

而这套系统能在此后的几年中获得了国家颁布的多个奖项的原因则在于,系统中还加入了2挡变速机构(2AMT),而其设计的初衷是让「发动机」和「电机」都能维持在相对高效率的运转区间。放在今天看,好像也没有什么了不起,但放在那个连单挡混动系统都没搞明白的年代,实属巨大的挑战。

工作原理:面面俱到,稍显复杂

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第一代上汽EDU混动系统工作原理表(仅供参考)

第一代「上汽EDU混动系统」的结构决定了这套系统可以实现纯电模式、串联模式、并联模式和动能回收模式等几乎所有的混动模式。此前的章节中,我们已经罗列的官方给出的6种工作模式的基本逻辑(见上表)。由于2挡变速机构的存在,我将其继续细化,推导出至少14种工作模式的可能性,下面就让我们看看具体到底有哪些。

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纯电模式:在「电池」的电量充足或车辆对扭矩的需求适中时,「电池」供电给「P2电机」并由「P2电机」直接输出动力,最终到达轮端。从上图中,我们已经可以看到,所谓的2挡变速,就是通过左侧的齿轮或右侧的齿轮进行变速,而动力耦合的时机则是通过「电机控制器」做出决定,通过「同步器」进行物理调节,后面的换挡逻辑基本相同,所以此后不再赘述,大家可以通过动图进行理解;

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串联模式:当「电池」的电量较低或车辆对扭矩的需求较低时,「发动机」作为「增程器」带动「P1电机」发电,大部分情况下「P1电机」发出的电能作为「电池」补能所用,此时,仍然由「P2电机」作为唯一的驱动源;

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并联模式:当需要较大扭矩时,那么所有能驱动的单元则必须全部参与,「离合器C1」闭合,「发动机」直接接入驱动,「P1电机」在「发动机」的带下持续发电,必要时直接为「P2电机」供电,「P2电机」并联介入驱动;

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行车充电:行车过程中,「电池」电量低于规定值时,这时候「发动机」的作用便要被放大,虽然大部分情况下,此刻系统仍然保持着「并联模式」的工作状态,但对「P2电机」的控制逻辑则会做出调整。若「电池」的电量过低,且系统判断「P1电机」所供的电量同样不适合拖动「P2电机」驱动,那么系统将短暂地进入「发动机直驱」模式。所以,我在上图中也加入了「发动机直驱」的这种工况图;

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驻车充电(怠速充电):当车辆处于静止状态,且「电池」电量低于规定值时,「发动机」怠速带动「P1电机」,为「电池」充电补能;

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动能回收模式:当滑行或踩下制动踏板时,系统将从轮端和系统内部进行回收,若车辆正处于「并联模式」行驶时,那么两个「电机」同时工作;而当车辆处于「纯电模式」时,「P2电机」进行动能回收。

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第一代上汽EDU混动系统工作模式原理图(动图,仅供参考)

这里回收一下谈结构时留下的问题『「离合器C2」为什么是常闭?』,从上图中,我们可以看出,第一代「上汽EDU混动系统」是一套倾向于电驱的混动系统,换言之,有大量的工况需要「P2电机」参与工作,故此,控制接入该「P2电机」的「离合器」在大多数工况下都是闭合状态。

优点即缺点:提升有难度,变革成定局

第一代「上汽EDU混动系统」的优点,也可以说是其最大的设计特点,即是加入了2挡的变速机构,可以更好地实现「电机」和「发动机」的工作点的调节。

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两挡齿轮与同步器的布局示意图(图片源自网络)

比如通过换挡放大「P2电机」的扭矩,使得纯电的起步可以更带劲儿一些,此外,多了一档也可以让「发动机」能更早地介入整套动力系统,在保证油耗的同时,扩大了「发动机」经济工作的区域。

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2014款荣威550 Plug-in旗舰版(图片源自网络)

第一代「上汽EDU混动系统」的代表车型为荣威550 Plug-in,以2013年「荣威550 Plug-in」(2014款旗舰版)为例,其配备了一枚1.5L的「发动机」(并不是原来搭配的那颗1.0T的三缸机~),其最大功率为80kW,「P1电机」和「P2电机」的最大功率为27kW和50kW,从参数上看,动力性能较比亚迪第一代的「DM混动系统」强了不少,但额定的持续输出功率和扭矩却依然保留着那个年代的味道,估计也是考虑到燃油经济性的问题。

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2014款荣威550 Plug-in旗舰版参数(仅供参考)

只是第一代「上汽EDU混动系统」缺点也不少,首先2挡的变速机构就是一把『双刃剑』,对于换挡的逻辑控制难度很高,因为每一次换挡都需要走3个步骤:

1.     首先先要将「同步器」脱开,这就意味着需要进行动力中断;

2.     然后对「电机」进行下一个挡位的转速与扭矩同步;

3.     最终『咯嘣』一声进行对接,这就意味着存在顿挫的可能。

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离合器故障故障案例示意图

所以,从当时不少车主(特别是专车司机)的体验来看,这套系统在换挡时的顿挫无法避免的。此外,在我们的维修案例中,遇到的比较多的是「离合器C2」的故障,由于一般车主开这车都比较猛(动力较弱,所以脚头就会猛),常闭「离合器C2」的故障就会较多。

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被第一代上汽EDU混动系统塞满的发动机舱(图片源自网络)

第一代「上汽EDU混动系统」还有一个令人头疼的结构缺点——横向占用空间过大!虽然整套系统不是简单的『油改电』设计思路,但不得不承认,其「混动变速器」的体积仍然无法与当时「本田i-MMD混动系统」的体积优化相比。

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3轴 vs 2轴+2挡变速器,逻辑不同

由于「本田i-MMD混动系统」使用三条平行轴,两个「电机」可以上下放置,利用了纵向空间。而第一代「上汽EDU混动系统」是两条轴,两个「电机」无法上下放置,故此,横向空间很难得到优化。这也为第二代「上汽EDU混动系统」的诞生埋下了伏笔。

■ 第二代上汽EDU混动系统:大变革,眼花缭乱

由于第一代「上汽EDU混动系统」提升的上限较低,故此,上汽在权衡了当时手上已有的混动技术后,最终选择了推翻原有「变速器」的结构,重新研发了第二代「上汽EDU混动系统」。

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第二代上汽EDU混动系统爆炸图

结构特点:三平行轴+单离合+单电机

第二代「上汽EDU混动系统」由主要由「发动机」、「驱动电机」、「齿轮轴系」、「离合器」以及「HCU」(混合动力汽车整车控制器)等控制模块组成,属于平行轴式的单电机电驱方案。

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第二代上汽EDU混动系统结构示意图(详细,仅供参考)

其有趣之处在官宣的『10AMT』变速结构,根据官方资料的描述,该系统拥有6个『发动机专用挡位』和4个『电机专用挡位』。

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第二代上汽EDU混动系统结构示意图(简化,仅供参考)

从实际结构来看,第二代「上汽EDU混动系统」共有18组齿轮,4个「同步器」,其中3组「同步器」与一套「离合器」主要用于调节整套系统的换挡逻辑,将「发动机」与「电机」相结合。所以,按照初中所学的排列组合算法计算可得,该机构一共可实现24挡(6*4)。

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第二代上汽EDU混动系统的齿轴系统示意图

不过在此前的「通用Voltec混动系统」介绍过,工程师只会选取合理且效率最高的几种可能进行标定。最后,上汽的工程师选择了11种齿比组合进行标定,包括10个前进挡和1个倒挡。

工作原理:眼花缭乱的可能性

由于我手上掌握的资料并不多,接下来的内容有很大一部分属于个人的理解,共展示该系统的20多种可能性,仅供大家参考,在正式开始前,说明2点:

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第二代上汽EDU混动系统工作原理(详细版,动图,仅供参考)

1.      与之前「鲲鹏DHT混动系统」的介绍相似,我将工作原理图拆分成简化版和详细版,简化版以3个「同步器」为主要观察点,大家可以对照理解。

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第二代上汽EDU混动系统工作原理(简化版,动图,仅供参考)

1.      由于结构是立体的,平面化后,可能会一些部分看似有逻辑冲突,所以,需要大家发挥一下自己的立体想象力,好了,我们正式开始。

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纯电模式:该模式下「电机」输出的功率共有4个挡位:

1.     前2个挡位在「输入轴2」上变速调整后,直接流入「输出轴」;

2.     而另2个挡位会通过「同步器3」流入「输入轴1」,并进行变速调整,最后流回至「输出轴」。

由此,我们也可以看到,两条「输入轴」上的变速齿轮共同决定了挡位,并非割裂地调整速比;

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发动机直驱模式:与第一代相比,第二代「上汽EDU混动系统」采用了功率更大的「发动机」,故此,加大了「发动机直驱模式」的工作范围,按照官方宣传的『发动机6挡』来看,应该有以上6个挡位,并拥有1个倒车档的可能。其工作原理仍然是当「离合器」闭合时「发动机」接入系统,通过3组「同步器」的协作,来调节6个不同的档位。当「电池」需要补电,且「发动机」功率高于需求功率时,「发动机」可以将多余的功率驱动「电机」进行补电,而不是让「电机」共同驱动汽车,我这里就不再做一套行车充电的逻辑图了

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混动模式:而当「发动机」与「电机」共同驱动时,可能性便更多,这里展示10种可能性。

此外,这里讲一下我做图的一些细节:

1.     功率流在走「同步器」位置:有时会走左边,有时会走右边,这是很重要的细节;

2.     功率流的属性:蓝色为「电机」提供的功率,红色为「发动机」提供的功率,紫色则是合流功率。

如果之前没有注意到这些细节的朋友,可以回顾一下我之前做的图,然后大家就会理解我更新那么慢的原因了。第一次发现的朋友,还不给我一个三连支持~~

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动能回收模式:这里给出了4种动能回收的可能,不过按照个人经验,应该不会有4个挡位,最多2个挡位,甚至只有一个挡位,其实「P2电机架构」的回收逻辑十分简单,因为只有一个「电机」可回收动能,无论从哪根轴输入,最后必然汇聚到「P2电机」进行发电。

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搭载第二代上汽EDU混动系统的MG6 PHEV(2019款)

从第一代「上汽EDU混动系统」到第二代,我们可以看到上汽试图通过改变结构来解决换挡平顺性等一系列相关问题,结果显然是成功的。同时为了让系统能更好地去调节「发动机」和「电机」的工况,采用了10挡位的变速机构,这套机构的复杂程度远远超出了「本田i-MMD混动系统」。

整体优化:组件升级和智能控制

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MG6 PHEV(2019款)发动机舱[1]

但单电机架构最难解决的问题就是馈电问题,所以,第二代「上汽EDU混动系统」面临最大问题在于,如何在「电池」低电量时,既保障动力不会降低,同时又能为「电池」充电。在结构不占优势的前提下,上汽工程师挠破了头皮对第二代「上汽EDU混动系统」进行优化。

组件:提升系统的效率

首先,还是从提高系统的整体效率上出发,对系统中的部分组件进行了升级,比如对「电机」的优化,采用了当时先进的发卡式绕组(Hair-pin),在此前的文章中,我们也提过这种绕组形式有以下几个特点:

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第二代上汽EDU混动系统中电机实物图

1.      扁线绕组:使用扁线绕组的发卡式「电机」可以提升有效铜的面积,相比普通圆导线绕组「电机」,有效铜槽满率可达到70%左右。我们知道,「永磁电机」的损耗主要源自绕组铜耗、铁耗、风磨杂散、磁钢涡流损耗,故此,减小绕组电阻能直接降低铜耗、提升「电机」的效率和功率密度;

2.      散热更好:得益于绕组的面积增大,提升了整体的散热性能。绕组匝与匝之间接触面积大,热传导更好。绕组每匝之间空隙小,热传导更好;绕组和铁心槽之间接触良好,热传导更好。通过温度场仿真,相同设计的扁铜线电机绕组温升比圆铜线电机低10%;

3.      体积更小:当槽满率提升后,为达到同样的效果,即可减小「电机」的体积。

故此,据官方数据显示,该「电机」功率和扭矩密度相比之前的「电机」提升了约 20%,而「电机」的峰值效率高达 96%。

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第二代上汽EDU混动系统中动态油冷式热管理系统的效果

此外,「电机」的冷却系统也进行了优化,采用了「动态油冷式热管理系统」。相比普通的水冷系统,油液的好处首先是便是不会在管路中引发管路腐蚀,油液更不易结冰,所以对环境的适应性更强,可靠性也更好。最后便是提升了「电机」的持续功率和扭矩,官方给出的数据是10%。

控制逻辑:依靠智能调节来省油省电

其次则是对第二代「上汽EDU混动系统」的控制系统进行了增强,通过升级「HCU」(智能混动中央控制器)这个硬件,重新构筑了一套被称为「IEM」(Intelligent Energy Management智能能量管理系统)的混动控制系统。

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IEM系统官方介绍

整套控制系统的基本逻辑即是通过动态收集路况信息、雷达信息、导航信息、个人驾驶风格和车辆能量状态等信息,经过系统的「HCU」的分析与学习,最终进行发动机介入、电机输出功率、动能回收强度等功能的自动调节。从官方的资料来看,「IEM」预设了包括高速、山路、拥堵、限速、下坡等11种路况的调节逻辑。

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MG6 PHEV(2020款)

谈一下当年试驾第三代「MG6 PHEV」(2020款)时[2],「IEM」给我们的实际体验。当天的路程是从市郊开往市中心,当设定完导航路线出发后,前半段路程是比较空闲高速路段,可以感觉到「发动机」一直在工作。而进入拥堵路段后,系统基本都将驱动的任务交给了「电机」。

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MG6 PHEV(2020款)中控显示内容

结束试驾后,我们向工作人员讨教了其背后的逻辑:当设定完导航后,「IEM」便识别了我们线路,为了让我们在市中心的拥堵路段能更省油、更安静地去驾驶,所以,系统为整条路程进行了动力规划:市郊路段「发动机」工作,在驱动车辆的同时,不断为「电池」充电。市区便有足够的电量来纯电行驶。

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此前提到的在发动机直驱情况下,发动机补电示意图

个人觉得这套系统挺有意思,因为在混动架构不能改变的前提下,通过对路况进行识别,并做动力规划,这种解决馈电的方法,估计也只有像上汽这样有底子的车企才能干。让我不由联想到『第一性原理』中提出的一个想法:若是在单一维度上不能解决问题,那就换个维度来解决问题。

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MG6 PHEV(2020款)发动机舱

好像扯远了,回到主题,除了以上提到的两大优化,2020年更新的第二代「上汽EDU混动系统」还增大了「电池」的容量,提升了续航,以及在后续的车型上对「发动机」也进行优化,这些基操这里就不展开了。

结构分析:趋近于AMT还是DHT?

在此前的文章评论中有人问我,第二代「上汽EDU混动系统」到底属于一种怎么样的混动结构?这里稍微解释两句。

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5挡AMT变速箱齿轴系统示意图

首先,从换挡机构的结构去看,第二代「上汽EDU混动系统」与「AMT变速器」的结构的相似,之前「MG3」时我们也曾今提过「AMT变速器」的软肋是换挡的平顺性问题,但在第二代「上汽EDU混动系统」的结构中由于加入了「电机」,再通过复杂的控制逻辑调整,弥补了这种结构性缺点。

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相对独立的两个输出逻辑

其次,「发动机」与「电机」大部分时间处于解耦状态,处于相对独立的工作状态,通过「输出轴」的控制,换挡的相应速度仅需0.2秒。在实际体验中,几乎感觉不到发动机介入时的突兀,相比第一代的体验更线性。

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挡位减少,加入电机的趋势

此外,第二代「上汽EDU混动系统」平行轴的结构布局与我们目前看到的「比亚迪DM-i混动系统」、「长城柠檬DHT混动系统」看似有几分渊源,所以,有不少上汽的工程师认为第二代「上汽EDU混动系统」应该被划分在「DHT」(Dedicated Hybrid Transmission混动专用变速器)的范畴。而我个人觉得第二代「上汽EDU混动系统」应该是后面这些「DHT」的先驱,也是它们结构的『雏形』,只是还算不上是新一代「DHT」,因为光『单电机架构』这一点便不符合。不过,我对第二代「上汽EDU混动系统」仍然抱着120%的敬意,因为这套系统的标定难度,可能会超乎所有人的想象。

■ 工程师的浪漫

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两代上汽EDU混动系统参数对比(仅供参考)

若以「MG6 PHEV」的三代车型为例,可以大致地从参数上看出两代「上汽EDU混动系统」的变化。首先,第一代采用的是1.0T的三缸「发动机」实在很难让消费者接受,92kW的功率多少有些捉襟见肘。故此,第二代便采用了1.5T四缸「发动机」和大功率「驱动电机」为总体的动力表现带来了不小的提升。

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第一代上汽EDU混动系统结构爆炸图

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第二代上汽EDU混动系统爆炸图

而结构上也进行了翻天覆地的变化,从第一代的「串并联」结构到第二代的『单电机架构』,究其背后的设计逻辑,我们也可以发现,第一代其实更趋向于用电驱动,而第二代更趋向于油电分离。

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智己L7 Pro

之后随着全面电气化的到来,上汽的混动系统也进入了优化升级的发展周期。就目前来看,上汽在纯电汽车领域的布局更为积极,随着旗下飞凡汽车和智己汽车等新品牌、新产品的陆续亮相,体现了上汽将抢占纯电汽车市场作为发展的主要战略,而曾经领先行业的「上汽EDU混动系统」,可能会成为『一群与自己较劲工程师的浪漫』。


[1] 旧瓶里面装新酒 试驾2019款MG 6 50 T Trophy 5 秒版 https://www.diandong.com/news/110120.html

[2] 能兼顾日常的『运动』道路试驾MG6 PHEV https://www.diandong.com/news/148023.html

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名爵6 PHEV
插电式
14.28 - 19.98 万
纯电续航
70 km
最高电池容量
9.1 kwh
慢充时间
3.50 小时
快充时间
- 小时
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