混動技術路線解析及典型路線研究

曹亮，于忠貴，曹權佐，潘圣臨，劉玉明

混動技術路線解析及典型路線研究

曹亮，于忠貴，曹權佐，潘圣臨，劉玉明

（哈爾濱東安汽車發動機制造有限公司技術中心，黑龍江 哈爾濱 150060）

無論商用車，還是乘用車順應市場競爭需求，滿足法律法規要求都促使車企加快對于混動技術路線的研究。文章通過對于不同混合動力技術路線進行分類比較、分析出其技術路線優劣。一方面是為車企在選擇混動技術架構時提供參考，另一方面是提出最為適合當前混動需求的典型路線技術。

混合動力；混動架構；典型路線

引言

混動形式千差萬別，國內政策風云變幻，個人所見，多數的整車廠對混動的產業化，沒有電動那么堅決，都在觀望，一是看國家政策的方向，二是看混動架構孰優孰劣。

1 混合動力

混合動力汽車（Hybrid Electrical Vehicle，簡稱HEV）是指同時裝備兩種動力源—熱動力源（由傳統的汽油機和柴油機產生）與電動力源（電池與電機）的汽車。因此混合動力系統組合內燃機與電動機兩種動力源并發揮各自的優點，互補各自缺點，由此提高整車效率。

混合動力系統主要有以下特點：

（1）停止內燃機的怠速或低速低負荷運行工況，有效降低燃料消耗。

（2）能量再生：在減速或制動時作為熱能而散發的能量可轉化為電能而回收，并將該電能作為起動電機或驅動電機的電能來再利用。

（3）電動機輔助：加速時可通過電機輔助發動機的驅動力，由此改善車輛的加速性能和最大能力點。

（4）更好的駕駛體驗，如48 V起停比傳統12 V起停更快速且噪音振動更小。

（5）高效率駕駛控制：在發動機效率低時，只用電動機驅動，在發動機效率高的工況則帶動發電機發電，從而使整車綜合效率達到最佳。

1.1 混動架構分析

通常，我們把混合動力分為普通混合動力、插電式混合動力以及增程式混合動力三種。其實，混合動力的結構形式也能分為三種，分別是串聯結構、并聯結構以及混聯結構。其中增程式混合動力只能是串聯結構，而并聯結構和混聯結構既可以應用于普通混合動力，也可以應用于插電式混合動力。

1.1.1串聯式混合動力

串聯式混動系統架構如圖1所示，由發動機、發電機、電動機組成。發動機帶動發電機發電，當發電機的輸出功率大于電動機的功率時候，控制器控制發電機向電池充電，當發電機的輸出功率低于電動機的功率時候，電池向電動機提供額外的動力，不同的行駛狀態，不同工作模式。總之，發電機不夠時用電池，發電機太多時存電池，電機控制車輪運動，串聯混動系統的動力來源于電動機，發動機只能驅動發動機發電，并不能直接驅動車輛行駛。因此，串聯結構中電動機功率通常要大于發動機功率。

圖1 串聯式混合動力架構

采用串聯混合動力布置方式的車型較少，國內有傳祺GA5，國外有NISSAN E-POWER，寶馬i3等。寶馬i3增程式與NISSAN E-POWER整車信息如圖2所示，兩者盡管架構相似，但是在控制策略上還略有不同，寶馬i3動力電池SOC閥值設置低于50%發動機啟動，一般在30%左右，而NISSAN E-POWER的動力電池SOC閥值設置在50%以上。且寶馬i3的純電續航里程要大于郵箱的燃油續航里程。

圖2 串聯式混合動力架構實車案例

1.1.2并聯式混合動力

并聯式混合動力架構如圖3所示，并聯結構就是在普通汽車的基礎上加裝一套電能驅動系統（電動機和動力電池），發動機和電動機都能單獨驅動車輪，也可以同時工作，共同驅動車輛行駛。當動力電池電量不足時，發動機還能帶動電動機反轉為動力電池充電。

并聯結構的混動車型一般有三種模式可以選擇：純電模式：發動機關閉，電池為電動機供電，驅動車輛行駛，該模式多用于中低速行駛，也有部分車型可以實現高速巡航純油模式：發動機啟動，驅動車輛行駛，同時能夠帶動電動機反轉為動力電池充電混合模式：發動機和電動機同時啟動，驅動車輛行駛，該模式多用于爬坡、急加速以及其他高負荷工作的情況。

圖3 并聯式混合動力架構

并聯式混合動力根據電機布置位置的不同，細分為P0- P4架構，如圖4并聯式混合動力拓撲結構[1]所示。

圖4 并聯式混合動力拓撲結構

對于并聯式混合動力的幾種拓撲結構的運行模式或特性進行分析，如表1所示有如下特點：

（1）P1結構特點采用剛性連接，可以彌補P0的不足，但所需的力矩較高帶來成本的提升。無論是P0[2]還是P1連接，電機都不能單獨驅動車輪行駛，故都不適合電機和電池更大的強混系統。

（2）P2[3]結構的優點是電機可以單獨驅動車輪且由于電機和軸之間有傳動比故無須太大扭矩，可以降低成本和電機的體積。難點是若不集成電機和離合模塊，則技術難度的降低帶來的是整車布局的困難，若高度集成則結構復雜開發成本高。

（3）P3結構的優點是電機換擋是無極且無動力中斷，減少一組離合器，在純電驅動和動能回收下的效率更高。難點是電機無法啟動發動機，一般需要P1位置的中低壓啟動發動機，本田i-MMD為P1/P3布置。

（4）P4結構的最大特點是電機與發動機不驅動同一軸，車輛可以實現四驅，并且省去了輪軸和差速器帶來的效率損失和額外車重，不足之處是四驅動力的實現提升了動力性。但節油效果有限，并且P4混動在純電驅動和發動機驅動之間的切換較難，目前P4大多用在插電混合弱混。

表1 并聯式混合動力拓撲結構運行模式分析

混動方案方案特點代表車型混動應用混合動力驅動模式純電驅動模式轉矩增強模式(助力)能量回收模式啟動/停止發動機定點待機發電 P0BSG電機位于發動機前端，通過皮帶與發動機相連主要用于啟停系統，降低發動機怠速過程中的油耗上汽榮威750、奇瑞A5無法用于PHEV×√√√√√√ P1ISG電機固聯在發動機曲軸上，離合器之前，采用剛性連接可以實現P0的功能，減少發動機怠速與低速時的油耗與排放本田CR-Z、lnsight無法用于PHEV×√√√√√√ P2雙離合器結構，發動機與電機，電機與變速器之間各有一個離合器與P1相似，但開發難度較高寶馬X5、7系PHEV，捷豹XJ的PHEV，奧迪Q7、A3 e-Tron可用于PHEV，技術難度相對較低√√√√√√√ P3電機位于變速器輸出端，是典型的并聯式混合動力結構不改變傳統發動機-變速器的動力輸出形式，降低變速器負荷比亞迪-秦可用于PHEV，技術難度相對較低√√√√×√× P4通常在P1或P2的基礎上在后橋上加裝電機，即P1+P4或P2+P4保時捷918Spyder，謳歌NSX可用于PHEV，技術難度相對較高√√√√×√×

1.1.3混聯式混合動力

圖5 混聯式混合動力架構

在并聯的基礎上加一個發電機就是混聯，架構如圖5所示，但它不使用傳統的變速箱，而是用一種叫做“ECVT”的行星齒輪結構的耦合單元來代替。這種技術一直被豐田壟斷，也有一些廠家在混聯結構中使用普通的變速箱，如雙離合變速箱、無級變速箱等，但是效果遠不及這種叫做“ECVT”的變速結構。

混聯結構在發動機和電動機協同驅動車輛行駛的同時，發動機還能帶動發電機為動力電池充電，不再像并聯結構中單一電動機需要身兼兩職，并且理論上它能夠實現發動機帶動發電機發電，電動機驅動車輛的模式。因此，混聯結構的驅動模式有，純電模式、純油模式、混合模式、充電模式四種。

混聯的結構優點和使用優點更加接近于并聯結構車型，但混聯的驅動模式更加豐富，如表2所示，在并聯的混合驅動模式基礎上，加入了充電功能，這意味著發動機和電動機全力驅動車輛時也不用擔心電量消耗的問題。并且得益于“ECVT”的加入，使電動機和發動機的配合更加默契，能夠適應的工況更多，最大效度的提高整車燃油的經濟性。

1.2 能量混合度分析[4]

根據電機的輸出功率在整個系統輸出功率所占的比重，也就是常說的混合度的不同，混合動力系統又可分四類，其特點如表3所示：

表2 混合動力結構對比分析

連接形式串聯式并聯式混聯式 術語定義發動機、發電機、電池和電動機串聯于同一條動力傳輸路徑上，只有發電機直接為電動機提供電能，發動機只能驅動發電機為電動機提供電能（充電模式），不直接驅動車輛發動機與電動機（發電機）并聯，可以由發動機（純油模式）或者電池（純電模式）單獨驅動，也可由二者共同驅動（混合模式），電池耗盡時發動機可帶動電動機反轉為電池充電在并聯基礎上將發電機獨立出來，與發動機和電池相連接，除并聯式結構的三種驅動形式（純油、純電、混合）外，還可實現串聯式結構下的充電模式 驅動模式1.動力電池直接驅動（純電模式）2.發動機驅動發電機，進而為電動機提供電能（充電模式）1.發動機直接驅動（純油模式）2.動力電池直接驅動（純電模式）3.發動機與電池共同驅動（混合模式）1.純油模式2.純電模式3.混合模式4.充電模式 優劣勢優勢：結構簡單、中低速下節油效果較好劣勢：高速運行油耗較高優勢：驅動模式較多，可適應不同工況，動力性能更好 劣勢：混合模式下發動機無法為電池充電，電池耗盡后電動機無法繼續驅動車輛優勢：相比并聯式結構，發動機可帶動發電機持續為電池充電，不會造成電池耗盡劣勢：結構復雜，依賴變速器性能 代表車型雪佛蘭沃藍達、寶馬i3增程版、傳祺GA5增程版寶馬530、本田思域、比亞迪-秦豐田系混合動力車

表3 能量混合度分析

功能弱混中混重混充電式 啟停系統√√√√ 能量回收√√√√ 電力驅動（幾秒）√√√√ 電力驅動（中等距離） √√ 電力驅動（長距離）-可充電 √ 功率比率5%～10%10%～20%25%～40%50%～100% 電機功率/Kw1.5～105～2030～7570～100

弱混合動力系統，弱混的混合度一般在20%以下，該類混動通常在內燃機曲軸上加裝皮帶驅動起動電機（即Belt Starter Generator, BSG），該電機是起動發電一體式電機，除了用于控制發動機的起動和停機外，還能夠在制動和下坡工況下實現對部分能量的回收及在部分工況下的電機助力，常見的P0 48 V系統即屬于微混合動力系統，某聯第一代48 V在NETC循環下可降低10%左右的油耗。

中混合動力系統，中混的混合度可達到30%左右，該類混動采用ISG系統，即采用高壓電機，具備一定的純電動行駛能力，制動能量回收效率也更高，發動機與電機之間的耦合方式更加豐富。

重度混合系統，混合度可達到50%以上，該類混動系統電池容量更大、電池功率更高，純電行駛里程更長，整車性能更為出色，在城市循環工況下節油率可達到25%～40%。

插電式混合動力系統（Plugin Hybrid），該類混動利用電網對動力電池充電，一般插電式混動轎車都配有車載充電機，可利用家用電源為電池進行充電。

1.3 電氣化程度分析

電氣化程度是指混合動力系統使用能量的油電比例，如圖6所示，從左往右分別是內燃動力（ICE）、非插電式混合動力（HEV）、插電式混合動力（PHEV）、與純電動（EV）。HEV實際上仍然是使用燃油的動力系統，典型的HEV包括48V的微型混動（MHEV）與日系的各類混動系統。而HEV與PHEV的區別很好理解，因為他們在外觀上有明顯的區別：插不插點。可以說從ICE-HEV-PHEV-EV一方面反映了油電能量比例，另一方面是不斷加嚴的油耗要求下的動力發展趨勢。

圖6 電氣化程度趨勢

2 典型路線

無論是從不同混動架構的技術比拼，還是從電氣化程度的車型發展趨勢，在很大程度上都能反映了新能源政策的引導。政策對于PHEV的引導趨勢明顯，以中國和歐洲的新能源汽車政策為代表，僅有EV和PHEV兩類車型能夠獲得市場補貼，而中國PHEV定義政策則將要求插電混合動力的純電續航里程在43公里以上，同時PHEV在上海、深圳等地都有著車牌、路權和購置稅的優惠政策，這反映了高電氣化PHEV在新能源汽車中的重要地位。

混聯構型可以同時實現串聯與并聯功能，其中的典型代表是功率分流與串并聯，分別使用了行星齒輪排與串并聯機構，如表4所示，都可以更加靈活地根據工況來調節內燃機的功率輸出和電機的運轉。混聯的PHEV量產車型較并聯PHEV少一些，以日系車企從非插電HEV衍生而來的車型為主，在原有的混動系統基礎上，增大了電池、調整了控制邏輯，技術成熟但相對復雜。

表4 典型混動技術路線

類別THSiMMD 混動類型功率分流P13（串并聯） 發電機23110 電動機53135 平行軸個數45 行星排個數10 發動機檔位ECVT 1 EV檔位21 發動機軸TSD+OWCTSD+C 直接連接車輪不直接連車輪 MG1軸NAClutch 系統效率中低車速范圍較高，高車速范圍較低中低車速范圍較高，高車速范圍較低 結構特點功率分流路線需要布置在2～4根軸上實現行星排可以使結構更緊湊P13路線平行軸布置需要布置在5～6根軸上實現通過行星排可縮減到4根軸結構緊湊 優劣勢優勢：油耗低，THS系統發動機產生的能量可以直接驅動車輛劣勢：其實從驅動電機到車輪，也是不能換擋的，大部分工況為并聯式結構，發動機的部分功率用來發電，怠速充電為串聯式結構優勢[5]：1.能量傳遞路徑短，機械效率 2.動力性能好3.高加入了一套離合器和高檔位傳動齒輪，高速巡航場景，發動機可以直接通過傳動齒輪直接驅動車輪4.靈活性高—發動機可以并聯也可以串聯5.可以實現增程長距離電動行駛，向新能源靠得更近劣勢：要匹配一個很大功率的驅動電機，才能保證車輛動力性

本田的P13結構本質上是電動機為主，內燃機為輔的混動系統，其對電機功率要求較高，可適當放低對內燃機的要求。而本田的功率分流結構本質上是以內燃機為主，電機為輔的混動系統，其對內燃機的要求較高，可適當放低對電機功率的要求。可以說兩種方案各有千秋，本田的P13結構相似短跑型選手，而豐田的功率分流更像是長跑型選手。

3 總結

混合動力汽車的關鍵是混合動力系統，它的性能直接關系到混合動力汽車整車性能。混合動力系統總成已經從原來發動機與電機離散結構向發動機、電機和變速器一體化結構發展，即集成化混合動力總成系統。

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Analysis of Hybrid Technology Route and Research on Typical Route

CAO Liang, YU Zhonggui, CAO Quanzuo, PAN Shenglin, LIU Yuming

( Technology center of Harbin Dong'an Automobile Engine Manufacturing Co., Ltd., Heilongjiang Harbin 150060 )

Whether commercial vehicles or passenger vehicles comply with the market competition demand and meet the requirements of laws and regulations, it forces vehicle enterprises to speed up the research on hybrid technology routes. This paper compares different hybrid technology routes and analyzes their advantages and disadvantages. On the one hand, it provides reference for vehicle enterprises in choosing hybrid technology architecture, on the other hand, it proposes the typical route technology which is most suitable for the current hybrid demand.

Hybrid;Hybrid architecture;Typical route

A

1671-7988(2021)22-205-05

U461

A

1671-7988(2021)22-205-05

CLC NO.: U461

曹亮（1983—），男、主任、高級工程師，就職于哈爾濱東安汽車發動機制造有限公司技術中心，研究方向：內燃機設計。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2021.022.053