混合動力汽車主流構型分析

耿麗珍 顧存行

摘要：本文針對目前存在的主流混合動力構型，進行了分析總結，從技術趨勢角度分析，DHT是針對混動系統發動機和電機兩個動力源對傳動系統的不同需求，全新設計開發的機電耦合裝置，被普遍認為是混動技術發展的趨勢；另外，各種混動構型都有其一定的優缺點，主機廠在選擇混動構型時，需充分考慮自身的研發水平、技術優勢來確定合適的方案，同時，要把主要精力放在開發高效的混合動力專用發動機、電機、電池等關鍵零部件上。

關鍵詞：混合動力；構型

混合動力系統包括發動機、電機多個動力源，發動機及電機的動力傳遞路徑也存在很多不同的設計方案。

目前我們通常采用的分類是根據動力系統的布置形式不同，混合動力系統可分為串聯式、并聯式、混聯式系統，同時功率分流的構型也納入混聯式系統范圍內。

一、主流構型簡介

（一）串聯式混合動力系統

在電機驅動汽車行駛時，電機作為電動機使用，而當汽車制動時，電機作為發電機使用給電池充電，發動機則帶動發電機發電，轉化為電能給電池充電，因而在串聯式混合動力汽車中，發動機不直接驅動汽車行駛，發動機和發電機系統只用來提供電能。在串聯式混合動力汽車中，發動機的工作狀態不受行駛工況的限制，可以始終工作在一個較為穩定高效的區域，使油耗和有害氣體排放降低在最低值。

串聯式混合動力汽車具有如下優點：（1）發動機工作穩定，排放相對較小；（2）其結構較為簡單，控制相對簡單；（3）由于電機是汽車唯一的動力源，所以電機的額定功率足夠大，使得制動時，回收制動能量的潛力較大。

同時，也存在如下缺點：（1）所需要的電機額定功率較大，電池容量也較大，因而其尺寸和質量都較大，使得在小型電動汽車如轎車上布置較為困難；（2）發動機不能直接進行驅動，輸出能量需經過發電機轉化為電能，再通過電機進行驅動，能量轉換次數多，效率較低；（3）成本較高。

（二）并聯式混合動力系統

并聯式汽車可由發動機和電動機共同驅動或各自單獨驅動。在并聯式電動汽車中，電機一般作為輔助動力源使用，以調整發動機功率峰值。當整車需求功率較大并且超過發動機輸出功率時，電池放電，電機同發動機共同驅動，而當整車需求功率較小時，電機可以單獨進行驅動或者從發動機處獲得一部分能量給電池進行充電，使得發動機在行駛過程中盡量處在較為經濟的工作區域內。

并聯式混合動力汽車結構的優點如下：（1）發動機可以直接通過傳動系驅動車輪，其能量損失相對較小，效率較高；（2）并聯式混合動力汽車中，電機一般作為兩用，既可以作為電動機，又可以作為發電機，因而不需要單獨的發電機；（3）發動機和電機可以并行驅動，可以選取較小功率的發動機和電機，另外也可以選取容量較小的動力電池，因而各動力部件尺寸和質量都相對較小，適合應用于小型電動汽車上；（4）成本相對較低。

同時，也存在如下缺點：（1）發動機工作點要受汽車行駛工況的影響，因此不適于汽車行駛工況變化較多、較大的情況；（2）發動機和電機之間需用通過機械裝置連接，增加了布置的難度。

（三）混聯式混合動力系統

混聯式混合動力汽車兼具并聯式混合動力汽車和串聯式混合動力汽車的優點，二者的工作模式都可以實現。一般來說，在低速行駛時，主要以串聯式方式進行工作，而在高速行駛時，主要以并聯式方式進行工作，所以混聯式混合動力汽車適應于各種工況，使得在各種不同工況下，系統都工作在最優狀態。然而混聯式混合動力汽車結構相比并聯式更為復雜，實現方式也很復雜，對車企優化控制策略水平要求較高，成本相對也較高。

二、代表車型及其技術特點

（一）串聯式混合動力系統

以寶馬i3為代表的串聯構型以電池驅動為主，只有電量不足時才啟動發動機，因此電池電量大，并配有充電機，發動機選擇兩缸，是轉速和功率限制之后的產物，發動機本身效率不高，且輸出能力低。最大的缺點是，在低電量高速巡航時發動機無法滿足功率需求且效率過低。該系統更適用于城市工況，保證車輛盡可能在純電動行使，電量低時可以發動機驅動行駛。

而與寶馬i3相對比的是日產Note epower，選擇小電池、效率型大功率發動機，使得整車重量降低15%-20%。發動機工作效率盡可能優化，可以維持在最大效率附近工作。但是在電池電量低、巡航車速過高時，發動機需要較大動力輸出，偏離高效區域；或在電池電量高、車速較低時，發動機工作點也會偏離高效區域；若需要經常在市區急加速，由于電池容量小，功率低，加速需要發動機發電來驅動電機，導致發動機工作點偏離高效區域，也會導致油耗高。經過合理地參數匹配，適用于高速巡航工況，在市區工況油耗會受限制，小電池不是以純電驅動為目的，而是為了在發電系統和驅動系統中起到緩沖作用。

盡管串聯式混合動力汽車可以通過選擇大電池盡可能減少發動機工作和盡可能優化發動機性能，但始終避免不了串聯型存在能量多次轉換而導致效率低的情況。

（二）并聯式混合動力系統

P0：電機置于變速箱之前，皮帶驅動BSG電機（啟動、發電一體電機）；

P1：電機置于變速箱之前，安裝在發動機曲軸上，在KO離合器之前；

P2：電機置于變速箱的輸入端，在K0離合器之后；

P3：電機置于變速箱的輸出端，與發動機共用同一根軸，同源輸出；

P4：電機置于變速箱之后，與發動機的輸出軸分離，一般是驅動無動力的輪子。

其中，PO和P1其實是傳統車上已有電機布置的位置，都是用1個電機要負責傳統車上發電和啟動電機的功能。

1.P0系統

P0構型一般匹配48V系統，通過提高電壓平臺，使傳統的皮帶式發電機可以作為驅動電機使用，具有如下優勢：

1）實現發動機自動啟停、制動能量回收、電機助力驅動等節能減排功能；

2）技術要求低、成本小、改裝方便，便于產業化。

但該系統的局限性也很大，主要體現在：

1）該系統將發電機作為啟動、發電、驅動三用，附件皮帶必須具有足夠的強度、韌性和可靠性，保證傳輸雙向動力，輪系也需要調整；

2）由于布置在發動機前端，且采用承扭低的皮帶傳動，P0的BSG系統所能提供的凈軸荷扭矩除去發動機拖曳扭矩之后容易小于車輛所需軸荷扭矩，甚至不足以驅動車輛起步。同時，由于速比的限制，BSG系統的高車速時所能提供的軸荷扭矩較小，不足以單獨驅動車輛。

3）該系統加裝的電池、電機必須小型化，這點極大的約束了該系統的擴展性，一方面是若電機扭矩太大容易造成皮帶過載，限制了助力/回收能力，大電池、大電機沒有用武之地，另一方面是若提高電池、電機的容量，既增加了投入，也增加了車重，造成該系統資源成本和系統效率的降低。

2.P1系統

P1系統的ISG電機取代了傳統的飛輪用于保持曲軸的運轉慣性。結構緊湊，改裝成本較低。但同樣存在幾處缺陷：

1）無法實現發動機轉速和車輪轉速的解耦，進而發動機轉速不可控，從發動機最優經濟性運行曲線角度考慮，該系統對節能減排的效果有限；

2）在電機和發動機之間并無離合器存在，這意味著整車起步后，變速器與發動機之間無法脫離，整車嚴格意義上不具備純電行駛的能力；

3）受橫置發動機及變速器軸向尺寸的約束，ISG電機容量提升困難，使得其節能效果提升有限。

3. P2系統

與P0、P1相比，P2由于沒有發動機拖曳扭矩的影響，具有以下優點：

1）在純電爬行、純電行駛、電動巡航以及能量回收方面都表現出更好的性能和更高的系統效率，整車動力性較好；

2）在發動機起停和負荷點轉移方面表現良好；

3）結構簡單，成本低，改裝成本低，又具有平臺化優勢。

P2構型的局限性主要體現在以下方面：

1）發動機與車輪無法解耦，發動機工況受行駛路況影響大，發動機啟動舒適性不易控制；

2）電機既要驅動車輛，又要保留有足夠的啟動發動機的后備功率，對電機的控制要求較高，同時，發動機與電機的復合大扭矩對變速箱的承扭能力也提出了更高要求；

3）對動力總成的軸向尺寸要求較高，在橫置發動機的小型車、中型車上布置相對困難，因此更多的應用于縱置發動機平臺。

3.P3系統

該系統以比亞迪秦PHEV為代表，最大特點是驅動電機布置在變速器后端，使用雙離合變速器，傳動系統無需額外離合器，很好的利用了雙離合變速器可以在兩個輸入軸之間切換的特點，將電機集成在其中一軸（一般是偶數檔位的一軸）。

從構型上來說，該系統具備以下優勢：

1）通過匹配大功率的電池/電機，就能具備較強的純電驅動/起步能力；

2）解決了P2系統的電機既要驅動車輛，又要起動發動機的控制問題，發動機和電機可工作于不同轉速下；

3）由于變速器前端只有發動機輸出，降低了對變速器承扭能力的要求；

4）軸向長度未改變，總布置性能好。

但該系統的缺陷也非常明顯，主要體現在三個方面：

1）高車速階段由于電機不能與軸脫開，一方面，電機高轉速下存在反電勢，對高壓安全、電池壽命產生影響；

2）電機無法用于啟動發動機，因此還是需要P1位置的低壓啟動機，而且為了滿足自動啟停的需要，電機的功率不能太小，電池也需要增大；

3）發動機經變速器的動力輸出，與變速器后端的動力輸出，在扭矩耦合時的動態沖擊不可忽視，對部件的控制，軸等傳動系的承扭有更高的要求。

4.P4系統

P4構型的優勢在于，通過安裝在后驅動橋的電電機實現電動四驅功能。前驅動橋與后驅動橋分別由傳統動力總成和電橋獨立驅動，具有以下優點：

1）四輪驅動功能；

2）作為擴展系統，與傳統動力總成可兼容；

3）可實現低速純電行駛；

4）通過后驅動橋搭載兩檔變速箱可實現高速下的電動巡航；

5）通過發動機解耦可顯著降低發動機摩擦與拖曳損失；

同時，難點也相當明顯：前后驅動橋的轉矩協調、路面耦合的動態控制問題。

綜合并聯式混合動力來看，通常企業會在已有產業化平臺基礎上進行新能源汽車開發，在滿足國家油耗法規的情況下，并聯型混合動力系統在開發可行性、工藝性、市場覆蓋程度等方面均具有一定的優勢。

（四）混聯式混合動力系統

1.串并聯混聯系統

典型的串并聯系統以本田iMMD系統為代表，通過兩種方式來進一步提升經濟性：

在每一個模式下盡可能提高燃油經濟性；

混動模式下，發動機和車輪實際上是機械解禍的，為了讓發動機工作在最佳燃油經濟性的位置上。驅動電機的需求功率由電池彌補。Engine模式下，發動機與電機同時驅動，此時讓發電機和驅動電機參與調節發動機的工作點，使發動機工作在最佳燃油經濟性的位置。

切換模式來提高燃油經濟性。

在EV與Hybrid兩種模式之間，電池部分參與供電，這樣的策略車輛在低速/低負荷工況，最多能提升50%：而在高速/高負荷工況下，經濟性則沒有明顯提升，部分工況能效反而下降。

在Hybrid與Engine兩種混動模式中，發動機和電機的工作點也并不是完全由工況決定的。從巡航速度緩慢加速，Engine效率更高，比Hybrid最多提升12%；激烈駕駛時，Hybrid效率更高。

系統具有優點包括：

1）結合了串聯構型和并聯構型的優勢，行駛工況適應性好；

2）消除了并聯結構中發動機轉速與車輪轉速無法解耦的缺陷，使得發動機轉速可控，從發動機最優經濟性運行曲線角度考慮，提高了節能減排的效果；

3）在發動機直驅效率較高的工況，通過結合離合器，使發動機能夠以并聯結構直接驅動整車；

4）離合器意味著整車起步后，傳動系與發動機之間脫離，具備了純電行駛的能力。

不足之處是相比其他構型該構型中發動機、電機沒有多個檔位進行工作點的調整，想得到更好的燃油經濟性，對系統動力部件的高效區以及最高效率都提出了較高的要求，系統成本較高。

2.功率分配混聯系統

功率分流構型以豐田系統為代表，由于裝配了電機減速行星齒輪，MG2的扭矩可以設定的更小，轉速卻相應提高，增加了純電模式的車速和MG2的高速運行能力。而且，降低扭矩后的MG2可實現更小的徑向尺寸，使得整個系統更加緊湊。

該系統的局限性主要有三點：

1）中高車速階段存在功率循環。在中高車速范圍內，系統仍然有功率分流，此時發動機部分能量經發動機→MG1→動力電池→MG2→車輪，需進行機械能→電能→機械能的轉換，存在功率循環，效率較低。

2）主驅動電機MG2對車速的跟隨。主驅動電機MG2的轉速將始終跟隨車輪轉速。這將提高對MG2的性能要求（隨著整車速度等級的提升，MG2的選型將對轉速提出更高的需求，同時過高轉速階段電機效率將難以保證，造成資源成本和系統效率的降低），同時也無法實現MG1、MG2的雙電機調速控制，無法更有效的使雙電機運行在高效區。

3）結構復雜，成本高，且具有多種模式的切換，使得系統控制難度加大。

三、國內混動研發情況總結

受國家政策、開發周期、開發難度的影響，國內車企多數集中研發純電動汽車，同時，部分主流企業已經逐漸意識到了掌握自主核心競爭能力的重要性，且具備了混動技術自主研發的技術實力并成功推出了的量產車型，如表1所示：

業內主流觀點還是認為混聯式混合動力系統是自由度最高的構型，單純的串聯或并聯構型無法實現發動機能效的最優化。

以本田為代表的雙電機串并聯混合動力汽車實現低油耗是建立在發動機、電機、控制系統等關鍵零部件諸多技術難點、生產難點的基礎上；而豐田功率分流式動力系統最大的亮點還是實現ECVT，與傳統CVT變速箱不同，通過行星齒輪組結合一個輔助電機，實現傳動比的無級可調，將發動機的動力和電機動力巧妙結合在一起，以最大化實現有效利用發動機的最佳工況，即通過不斷調整各動力源的混合比例實現能效最優。

四、結論

混合動力構型動力耦合方式有多種，基于傳統變速箱開發的混合動力構型，稱為擴展的混合動力總變速箱（AHT），主要是并聯方案，另一類為專用混合動力耦合結構，稱為專用混合動力變速箱田川），主要指混聯方案，DHT是針對混動系統發動機和電機兩個動力源對傳動系統的不同需求，全新設計開發的機電耦合裝置，被普遍認為是混動機電耦合的發展趨勢。

另外，基于以上論述，每種混動構型都有其優缺點，主機廠在確定混動構型時，需充分考慮自身的研發水平、技術優勢來確定適合自身量產開發的混動構型，對于國內目前的技術現狀，推薦選用構型相對簡單的系統，同時也要注重開發高效的混動專用發動機、電機、電池等關鍵零部件。

參考文獻：

[1]吳為理，混合動力電動汽車機電耦合系統構型分析[J].研究與開發，2016.05.

[2]袁慶強，新型混合動力驅動系統與控制策略的設計[J].上海汽車，2007（8）：7-10.

[3]高建平，混合動力電動汽車機電耦合系統歸類分析[J].北京理工大學學報，2008，25（3）：197-201.