近兩年國内造車大廠混動車型如春筍般紛紛破土而出,如比亞迪DM-i混動系統、吉利雷神智擎Hi X混動系統、長安藍鲸iDD混合動力系統等。
雖然最近國内各家紛紛推出最新技術的混動車型,但混動技術并不屬于新型技術,早在一百多年前費迪南德·波爾舍就推出了Lohner-Porsche混動車型,
沒錯這個Porsche就是大家所熟悉的保時捷,該款新能源車在1900年波爾舍與一位合作夥伴路德維希·洛納聯手打造,且在當時波爾舍就已經獲得了輪毂電機的專利,因為當時化學科研的落後性,電池性能極差;恰時一名英國商人需求定制一輛能夠運行汽油機和電機的車輛,波爾舍便将2台3.5匹的水冷DeDionBouton汽油發動機裝在車身中間,用來驅動兩台發電機......
要想搞懂混動系統是什麼,就需要搞清楚它的構型以及關鍵的部件-不同位置電機的作用,首先我們可以先從Px電機的作用來進行了解,Px電機中的P代表Position即位置的意思,x表示位置,0代表處于發動機前,1代表處于發動機後離合器前,2代表處于離合器後變速器前,2.5代表将電機整合在變速器内,3代表位于變速器輸出端,4代表位于後橋位置(3與發動機共享輸出軸,4與發動機不共享輸出軸)。以下對不同電機構型進行說明。
一、P0電機
P0電機,稱為BSG電機,BSG - Belt-Driven Starter Generator,一般隻應用與自動啟停以及12~25V微混和48V弱混,通常用于發動機怠速停機、停機後的快速起動、制動時能量回收,是一種利用皮帶傳動兼顧起動和發電的一體機,
BSG電機位于發動機的前端,通過皮帶傳動的方式與發動機相連,皮帶的柔性連接傳遞動力過程中不會産生機械震動。
BSG電機還可以調控發動機轉速,從而使得車輛在啟停、怠速、換擋、加速等方面平順性得到極大改善。
在起動過程中,BSG電機可以迅速的拉升發動機的轉速,使其越過低速抖動區間再點火,明顯改善了發動機的起動平順性。在升檔降檔過程中,BSG電機可以通過皮帶傳動把發動機的轉速拉升或者降低到與檔位相匹配的轉速,通過BSG電機控制發動機的轉速,改善換擋的平順性。
以比亞迪的高效率BSG電機為例,最大功率為25kW,比一般BSG電機高出60%功率,在失市區高峰期低速行駛,相對沒有加裝BSG電機的混動系統發電效率提升21%,且電機工作電壓是360V~518V,可以直接使用動力電池供電,不需要額外的啟動電池以及與之配套的充電設備與線路。
總結可知P0電機作用,當發動機運轉時,由曲軸帶動發電,當電機運行時,帶動曲軸啟動發動機,可提供動力補充,實現自動啟停。
二、P1電機
P1電機,稱為ISG電機,ISG - Integrated Starter and Generator,集成式智能啟動驅動發電機,電機轉子直接與曲軸相連,位于發動機後端,離合器前的位置,通常固連在發動機上,取代傳統汽車飛輪。
ISG電機是汽車起動發電一體機,集成在發動機主軸上,直接以某種瞬态功率較大的電機替代傳統的啟動電機,在起步階段短時替代發動機驅動汽車,并同時起到啟動發動機的作用,減少發動機的怠速損耗和排放污染,正常行駛時,發動機驅動車輛,該電機斷開或者起到發電機的作用,刹車時,該電機還可以起到再生發電,回收制動能量的節能效果。
總體來說P1電機作用和P0電機作用是相差不大,
1.BSG位于皮帶上,價格便宜,主打省油。BSG沒有取消皮帶,也就意味着發動機多餘負荷并沒有完全卸載,同時電動機協助動力輸出時也不能完全發揮最大效力,動力上損失比較明顯,更多體現在經濟性和平順性。
2.ISG電機轉子與曲軸輸出端直接相連,同時取消飛輪,價格較貴,主打舒适性。并且ISG電機将發動機負擔幾乎完全卸掉,沒有皮帶束縛,發動機可以更加純粹驅動車輪。
根據上述P0和P1電機說明可知,P1電機與P0電機相仿,但是功率要更大一點,支持發動機的啟停、制動能量回收,可用于給電池充電,同時輔助動力的輸出,但目前P1電機多裝備在輕混車型中,通常情況下P0和P1電機是無法直接驅動汽車的(隻要電機旋轉,發動機中的曲軸就必須旋轉,無法單獨運行,這P0、P1本身的結構弱點,除此之外另一個弱點為,在動能回收和滑行模式下,兩電機必須帶動曲軸空轉)。
此處加一點題外話,以全新奔馳C級的48V ISG電機微混系統為例,48V系統隻是汽車電氣架構下的一個組成部分,也可以理解為汽車電氣系統的一次升級,而它并不能算作是一套真正的混合動力系統,因為這套系統在驅動車輛行駛的能力方面,實在是太弱,隻能提供有限的輔助作用,對于油耗和排放的改善也不明顯,所以廠家就叫它“輕混”,相比較豐田的THS、本田的i-MMD,比亞迪的DM-i、長城的檸檬混動、長安的藍鲸DHT等,48V輕混,說得直白一點,就是歐美地區偷懶,不想下功夫研發混動技術,又不願意承認自己技術不行,而搞出來的東西。
三、P2電機
如果在離合器後端、變速器前端增設電機,則此電機可稱呼為P2電機;P2電機和P0、P1電機不同,它沒有被集成到發動機模塊中,又與發動機之間存在離合器,因此P2電機是可以單獨驅動車輪,若與電池PACK連接可實現純電模式行駛。此外在制動能量回收時也可以切斷與發動機的連接。
同時,P2電機不僅可以直接布置在變速器的輸入軸上,也可以通過傳動帶或傳動齒輪與變速器的輸入軸連接等。
由于P2電機可以直接驅動車輪,因此P2電機可以分别與P0、P1組成混動動力總成,
1.P0電機的最大作用之一就是為電池PACK充電,利用比亞迪的高壓P0電機可以有效的解決饋電能力弱的缺點,例現代汽車由發動機、P0電機、P2永磁交流電機、傳統的6當手自一體變速器TMED混合動力系統可以實現純電驅動、發動機直驅和混動驅動。
2.P0電機處于發動機前端,與P1電機轉子與曲軸輸出端直接相連相比,傳動效率低;發動機剛性連接P1電機可以組成雙電機雙離合架構,大大提升傳動效率;當C1離合器常态分離時,C2離合器常态齧合,P2電機長期處于工作狀态,可以依賴于電力驅動,發動機處于最佳效率區間,從而大大增加整體效率。C1離合器分離時,發動機不參與驅動車輛,帶動P1電機發電,P2電機通過C2離合器直接驅動車輪;若C1離合器齧合,C2離合器齧合則P2電機與發動機共同驅動車輪。
四、P2.5電機
如P0電機一般,将混動部件整合到變速器的内部即為P2.5電機的整合邏輯,大緻可以分為兩類,一為以上汽EDU混動系統、吉利GSH混動系統為代表的P2電機與雙離合變速器結合的P2.5思路,二為以本田i-MMD混動系統、豐田THS混動系統為代表的P3電機與自動變速器結合的P2.5思路。
P2.5電機架構一般是基于雙離合變速器(DCT)出現,由于雙離合變速器是需要在兩根輸入軸之間進行切換,于是就可以将電機集成在其中一根軸上,一般選擇偶數擋位的軸。
P2.5電機架構可以實現以下三種工作模式:
1、兩根輸入軸都解耦,然後由電機通過變速箱的偶數軸輸出動力驅動車輛,相比P2電機需要經過整個變速箱的設計,傳動效率更好。
2、電機所在的偶數軸耦合,發動機與電機以同樣的傳動比輸出,與P2架構的串聯混動邏輯是一樣的,隻是電機變到了變速箱内部。
3、變速箱奇數軸耦合,發動機通過這根軸直接驅動車輛行駛。由于雙離合變速器的特性,所以偶數擋的這根軸也會旋轉,此時就會帶動電機反轉為電池充電。
P2.5電機架構的優點:
1、相比P2電機架構,P2.5電機架構的傳動效率更高。因為當雙離合器兩根輸入軸都解耦時,P2.5電機可以直接驅動車輛實現純電驅動,但又不像P3電機需要占用其他的空間。
2、P2.5電機因為能夠與發動機進行耦合,電機可以與發動機擁有相同的傳動比,所以不需要太大的扭矩,可以降低電機的體積和成本。
3、因為雙離合變速器的特性,在低速以及擁堵路段的換擋平順性和變速器的磨損比較嚴重,但通過P2.5電機的純電驅動能夠顯著改善這些缺點。
P2.5電機架構的缺點:
1、混動介入時的頓挫感會比較明顯。純電模式下P2.5電機的驅動感受擁有純電車的感覺,此時發動機介入時離合器耦合帶來的頓挫感會比較明顯,所以對匹配調教有更大的要求。
2、結構比較複雜。P2、P3電機架構在傳統燃油車基礎上并沒有改變太多,隻是相對獨立的加入了電機,但P2.5電機因為是整合在變速箱内部,對系統的匹配度也是個考驗,比如兩個離合器的接合控制、發動機和P2.5電機的動力融合瞬間控制等,都需要長時間的經驗積累。
3、因為雙離合變速箱的偶數軸要比奇數軸承受更大的扭矩,這會導緻兩軸與離合器磨損程度不一緻;另外,P2.5電機集成在變速箱内部會增加維修成本,因為不論變速箱故障還是電動機故障,都需要拆卸變速箱總成。
P2.5電機架構與傳統P2、P3電機最大不同為他整合在變速箱内部,通常是雙離合變速箱,它的優點就是比P2架構更好的傳動效率,但又不像P3架構占用空間,缺點就是結構比較複雜,調教不好就會有發動機介入的頓挫感,P2.5架構也是目前許多國産車型的主要方向。
五、P3電機
由于P2電機需要經過變速箱,在純電驅動、制動能量回收的效率會有所下降,P3電機可以解決部分上述問題,P3電機架構是将電機的位置放在了變速箱的後面,可以與變速箱有一定的距離,與變速箱的輸出軸耦合,通過齒輪或者鍊條來進行傳動。整個路徑為發動機-離合器--變速箱-電機-減速器-車輪。功能方面,P3電機可實現制動能量回收、純電驅動車輛。
P3電機架構的優點:
1、純電驅動的效率更高,因為P3電機的位置是在變速箱後,與傳動軸相連接,所以在純電驅動的情況下能夠更加直接高效的驅動車輛,減少動能損耗。
2、動能回收能力更好,在車輛制動或者下坡等路況,車輪反轉産生的制動能也能更直接的通過傳動軸反饋給P3電機進行充電。
P3電機架構的缺點:
1、相比P0-P2電機,P3電機因為不能與變速箱或者發動機進行整合,所以整個結構需要一個單獨的空間來存放,所對應的就需要占用更多的車身空間了。
2、因為P3電機與發動機中間隔着變速箱以及離合器,所以電機就不能承擔發動機的啟停工作了,所以這時候就需要增加一個P0或者P1位置的電機來填補這個功能欠缺,同時電機的功率不能太低。
3、雖然P3電機是在變速箱的後方,但在純電驅動的情況下,還是需要帶動前方的變速箱,所以變速箱就會造成一部分不必要的能量損失了。
該混動架構的工作模式可分為:
1、純電驅動:電池為P3電機供電,離合器斷開,發動機以及P1發電機不工作,由P3電機單獨驅動車輛。2、發動機直驅:當車輛行駛情況符合發動機高效區間時,離合器耦合,發動機将單獨驅動車輛,但因為沒有變速器,發動機難以達到高效區間,所以這種模式比較少。3、串聯混動:發動機、P1發電機、P3電機被串聯在一起,發動機帶動P1發電機發電,将電能輸送給P3電機使其驅動車輛。4、并聯混動:發動機與P3電機一同運行驅動車輛。5、動能回收模式:在下坡或者制動時,車輪帶動P3電機反轉為電池充電。
P3電機相比之前的電機架構來說,它的動力不再需要經過變速箱,所以純電驅動以及動能回收效率更高,缺點就是占用空間同時需要其他位置的電機來輔助。相比單獨的P3架構,加上P0或P1位置的電機(本田i-DDM混動系統),能夠得到更好的效果。
六、P4電機
P0-P3電機架構不管怎麼變,但它們始終是與發動機有關聯的,P4電機定義為與發動機不同軸且可以直接驅動車輛,因為車輛分為前驅和後驅,所以對應的P4電機可能會出現在後橋或者前橋,相比較下輪毂電機可以更好定義的P4的電機。
P4電機的總體特點就是:P4電機不與發動機驅動同一個軸,所以在P4電機架構下的車型都能夠實現四驅。同時P4電機與發動機沒有任何形式的連接。
由于P4電機的特性,所以車輛在發動機直驅模式與P4電機直驅模式之間如何進行切換而不影響駕駛,這就是一個問題了,因為兩者的驅動輪完全不一樣了,如果車輛為前置前驅的車型,那麼切換為純電行駛時就會一下切換到P4電機的後驅,如果是後置後驅則同理,這種動力切換會明顯降低車輛的操控性以及舒适性,所以車輛就需要在以電機驅動為主還是以發動機驅動為主之間進行選擇了。
P4電機架構相對來說就是最獨立的一個電機架構,與發動機基本上沒有關系,但畢竟是混動架構,所以動力切換的屬性導緻P4架構不能單獨存在,需要搭配其他電機,優點就是不需要傳動軸也能四驅,缺點就是需要對整個P4電機所在的車架進行重新設計,同時沒電時P4電機的架構就是累贅了。
七、總結
從上述P0-P4的描述中可以得出P後的數字越大,表示距離發動機的距離也就越遠,P0電機基本和發動機集成、P2處于離合器端、P4配置在車輛“後軸”上。
由于篇幅原因,混動系統技術介紹暫到此處,有興趣的朋友可以關注下篇,針對具體各家産品:豐田THS、本田I-MMD、比亞迪DM-i、長城DHT等技術分别進行說明。
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