混合動力汽車主流構(gòu)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(gòu)型，進行了分析總結(jié)，從技術(shù)趨勢角度分析，DHT是針對混動系統(tǒng)發(fā)動機和電機兩個動力源對傳動系統(tǒng)的不同需求，全新設(shè)計開發(fā)的機電耦合裝置，被普遍認(rèn)為是混動技術(shù)發(fā)展的趨勢；另外，各種混動構(gòu)型都有其一定的優(yōu)缺點，主機廠在選擇混動構(gòu)型時，需充分考慮自身的研發(fā)水平、技術(shù)優(yōu)勢來確定合適的方案，同時，要把主要精力放在開發(fā)高效的混合動力專用發(fā)動機、電機、電池等關(guān)鍵零部件上。

關(guān)鍵詞：混合動力；構(gòu)型

混合動力系統(tǒng)包括發(fā)動機、電機多個動力源，發(fā)動機及電機的動力傳遞路徑也存在很多不同的設(shè)計方案。

目前我們通常采用的分類是根據(jù)動力系統(tǒng)的布置形式不同，混合動力系統(tǒng)可分為串聯(lián)式、并聯(lián)式、混聯(lián)式系統(tǒng)，同時功率分流的構(gòu)型也納入混聯(lián)式系統(tǒng)范圍內(nèi)。

一、主流構(gòu)型簡介

（一）串聯(lián)式混合動力系統(tǒng)

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

串聯(lián)式混合動力汽車具有如下優(yōu)點：（1）發(fā)動機工作穩(wěn)定，排放相對較?。唬?）其結(jié)構(gòu)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(zhì)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(fā)動機不能直接進行驅(qū)動，輸出能量需經(jīng)過發(fā)電機轉(zhuǎn)化為電能，再通過電機進行驅(qū)動，能量轉(zhuǎn)換次數(shù)多，效率較低；（3）成本較高。

（二）并聯(lián)式混合動力系統(tǒng)

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

并聯(lián)式混合動力汽車結(jié)構(gòu)的優(yōu)點如下：（1）發(fā)動機可以直接通過傳動系驅(qū)動車輪，其能量損失相對較小，效率較高；（2）并聯(lián)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(fā)電機，因而不需要單獨的發(fā)電機；（3）發(fā)動機和電機可以并行驅(qū)動，可以選取較小功率的發(fā)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(zhì)量都相對較小，適合應(yīng)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(fā)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(fā)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(lián)式混合動力系統(tǒng)

混聯(lián)式混合動力汽車兼具并聯(lián)式混合動力汽車和串聯(lián)式混合動力汽車的優(yōu)點，二者的工作模式都可以實現(xiàn)。一般來說，在低速行駛時，主要以串聯(lián)式方式進行工作，而在高速行駛時，主要以并聯(lián)式方式進行工作，所以混聯(lián)式混合動力汽車適應(yīng)于各種工況，使得在各種不同工況下，系統(tǒng)都工作在最優(yōu)狀態(tài)。然而混聯(lián)式混合動力汽車結(jié)構(gòu)相比并聯(lián)式更為復(fù)雜，實現(xiàn)方式也很復(fù)雜，對車企優(yōu)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(shù)特點

（一）串聯(lián)式混合動力系統(tǒng)

以寶馬i3為代表的串聯(lián)構(gòu)型以電池驅(qū)動為主，只有電量不足時才啟動發(fā)動機，因此電池電量大，并配有充電機，發(fā)動機選擇兩缸，是轉(zhuǎn)速和功率限制之后的產(chǎn)物，發(fā)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(fā)動機無法滿足功率需求且效率過低。該系統(tǒng)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(fā)動機驅(qū)動行駛。

而與寶馬i3相對比的是日產(chǎn)Note epower，選擇小電池、效率型大功率發(fā)動機，使得整車重量降低15%-20%。發(fā)動機工作效率盡可能優(yōu)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(fā)動機需要較大動力輸出，偏離高效區(qū)域；或在電池電量高、車速較低時，發(fā)動機工作點也會偏離高效區(qū)域；若需要經(jīng)常在市區(qū)急加速，由于電池容量小，功率低，加速需要發(fā)動機發(fā)電來驅(qū)動電機，導(dǎo)致發(fā)動機工作點偏離高效區(qū)域，也會導(dǎo)致油耗高。經(jīng)過合理地參數(shù)匹配，適用于高速巡航工況，在市區(qū)工況油耗會受限制，小電池不是以純電驅(qū)動為目的，而是為了在發(fā)電系統(tǒng)和驅(qū)動系統(tǒng)中起到緩沖作用。

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

（二）并聯(lián)式混合動力系統(tǒng)

P0：電機置于變速箱之前，皮帶驅(qū)動BSG電機（啟動、發(fā)電一體電機）；

P1：電機置于變速箱之前，安裝在發(fā)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(fā)動機共用同一根軸，同源輸出；

P4：電機置于變速箱之后，與發(fā)動機的輸出軸分離，一般是驅(qū)動無動力的輪子。

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

1.P0系統(tǒng)

P0構(gòu)型一般匹配48V系統(tǒng)，通過提高電壓平臺，使傳統(tǒng)的皮帶式發(fā)電機可以作為驅(qū)動電機使用，具有如下優(yōu)勢：

1）實現(xiàn)發(fā)動機自動啟停、制動能量回收、電機助力驅(qū)動等節(jié)能減排功能；

2）技術(shù)要求低、成本小、改裝方便，便于產(chǎn)業(yè)化。

但該系統(tǒng)的局限性也很大，主要體現(xiàn)在：

1）該系統(tǒng)將發(fā)電機作為啟動、發(fā)電、驅(qū)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(diào)整；

2）由于布置在發(fā)動機前端，且采用承扭低的皮帶傳動，P0的BSG系統(tǒng)所能提供的凈軸荷扭矩除去發(fā)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(qū)動車輛起步。同時，由于速比的限制，BSG系統(tǒng)的高車速時所能提供的軸荷扭矩較小，不足以單獨驅(qū)動車輛。

3）該系統(tǒng)加裝的電池、電機必須小型化，這點極大的約束了該系統(tǒng)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(tǒng)資源成本和系統(tǒng)效率的降低。

2.P1系統(tǒng)

P1系統(tǒng)的ISG電機取代了傳統(tǒng)的飛輪用于保持曲軸的運轉(zhuǎn)慣性。結(jié)構(gòu)緊湊，改裝成本較低。但同樣存在幾處缺陷：

1）無法實現(xiàn)發(fā)動機轉(zhuǎn)速和車輪轉(zhuǎn)速的解耦，進而發(fā)動機轉(zhuǎn)速不可控，從發(fā)動機最優(yōu)經(jīng)濟性運行曲線角度考慮，該系統(tǒng)對節(jié)能減排的效果有限；

2）在電機和發(fā)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(fā)動機之間無法脫離，整車嚴(yán)格意義上不具備純電行駛的能力；

3）受橫置發(fā)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(jié)能效果提升有限。

3. P2系統(tǒng)

與P0、P1相比，P2由于沒有發(fā)動機拖曳扭矩的影響，具有以下優(yōu)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(xiàn)出更好的性能和更高的系統(tǒng)效率，整車動力性較好；

2）在發(fā)動機起停和負荷點轉(zhuǎn)移方面表現(xiàn)良好；

3）結(jié)構(gòu)簡單，成本低，改裝成本低，又具有平臺化優(yōu)勢。

P2構(gòu)型的局限性主要體現(xiàn)在以下方面：

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

2）電機既要驅(qū)動車輛，又要保留有足夠的啟動發(fā)動機的后備功率，對電機的控制要求較高，同時，發(fā)動機與電機的復(fù)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(fā)動機的小型車、中型車上布置相對困難，因此更多的應(yīng)用于縱置發(fā)動機平臺。

3.P3系統(tǒng)

該系統(tǒng)以比亞迪秦PHEV為代表，最大特點是驅(qū)動電機布置在變速器后端，使用雙離合變速器，傳動系統(tǒng)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(shù)檔位的一軸）。

從構(gòu)型上來說，該系統(tǒng)具備以下優(yōu)勢：

1）通過匹配大功率的電池/電機，就能具備較強的純電驅(qū)動/起步能力；

2）解決了P2系統(tǒng)的電機既要驅(qū)動車輛，又要起動發(fā)動機的控制問題，發(fā)動機和電機可工作于不同轉(zhuǎn)速下；

3）由于變速器前端只有發(fā)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(tǒng)的缺陷也非常明顯，主要體現(xiàn)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(zhuǎn)速下存在反電勢，對高壓安全、電池壽命產(chǎn)生影響；

2）電機無法用于啟動發(fā)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(fā)動機經(jīng)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(tài)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(tǒng)

P4構(gòu)型的優(yōu)勢在于，通過安裝在后驅(qū)動橋的電電機實現(xiàn)電動四驅(qū)功能。前驅(qū)動橋與后驅(qū)動橋分別由傳統(tǒng)動力總成和電橋獨立驅(qū)動，具有以下優(yōu)點：

1）四輪驅(qū)動功能；

2）作為擴展系統(tǒng)，與傳統(tǒng)動力總成可兼容；

3）可實現(xiàn)低速純電行駛；

4）通過后驅(qū)動橋搭載兩檔變速箱可實現(xiàn)高速下的電動巡航；

5）通過發(fā)動機解耦可顯著降低發(fā)動機摩擦與拖曳損失；

同時，難點也相當(dāng)明顯：前后驅(qū)動橋的轉(zhuǎn)矩協(xié)調(diào)、路面耦合的動態(tài)控制問題。

綜合并聯(lián)式混合動力來看，通常企業(yè)會在已有產(chǎn)業(yè)化平臺基礎(chǔ)上進行新能源汽車開發(fā)，在滿足國家油耗法規(guī)的情況下，并聯(lián)型混合動力系統(tǒng)在開發(fā)可行性、工藝性、市場覆蓋程度等方面均具有一定的優(yōu)勢。

（四）混聯(lián)式混合動力系統(tǒng)

1.串并聯(lián)混聯(lián)系統(tǒng)

典型的串并聯(lián)系統(tǒng)以本田iMMD系統(tǒng)為代表，通過兩種方式來進一步提升經(jīng)濟性：

在每一個模式下盡可能提高燃油經(jīng)濟性；

混動模式下，發(fā)動機和車輪實際上是機械解禍的，為了讓發(fā)動機工作在最佳燃油經(jīng)濟性的位置上。驅(qū)動電機的需求功率由電池彌補。Engine模式下，發(fā)動機與電機同時驅(qū)動，此時讓發(fā)電機和驅(qū)動電機參與調(diào)節(jié)發(fā)動機的工作點，使發(fā)動機工作在最佳燃油經(jīng)濟性的位置。

切換模式來提高燃油經(jīng)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(jīng)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(fā)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(tǒng)具有優(yōu)點包括：

1）結(jié)合了串聯(lián)構(gòu)型和并聯(lián)構(gòu)型的優(yōu)勢，行駛工況適應(yīng)性好；

2）消除了并聯(lián)結(jié)構(gòu)中發(fā)動機轉(zhuǎn)速與車輪轉(zhuǎn)速無法解耦的缺陷，使得發(fā)動機轉(zhuǎn)速可控，從發(fā)動機最優(yōu)經(jīng)濟性運行曲線角度考慮，提高了節(jié)能減排的效果；

3）在發(fā)動機直驅(qū)效率較高的工況，通過結(jié)合離合器，使發(fā)動機能夠以并聯(lián)結(jié)構(gòu)直接驅(qū)動整車；

4）離合器意味著整車起步后，傳動系與發(fā)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(gòu)型該構(gòu)型中發(fā)動機、電機沒有多個檔位進行工作點的調(diào)整，想得到更好的燃油經(jīng)濟性，對系統(tǒng)動力部件的高效區(qū)以及最高效率都提出了較高的要求，系統(tǒng)成本較高。

2.功率分配混聯(lián)系統(tǒng)

功率分流構(gòu)型以豐田系統(tǒng)為代表，由于裝配了電機減速行星齒輪，MG2的扭矩可以設(shè)定的更小，轉(zhuǎn)速卻相應(yīng)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(xiàn)更小的徑向尺寸，使得整個系統(tǒng)更加緊湊。

該系統(tǒng)的局限性主要有三點：

1）中高車速階段存在功率循環(huán)。在中高車速范圍內(nèi)，系統(tǒng)仍然有功率分流，此時發(fā)動機部分能量經(jīng)發(fā)動機→MG1→動力電池→MG2→車輪，需進行機械能→電能→機械能的轉(zhuǎn)換，存在功率循環(huán)，效率較低。

2）主驅(qū)動電機MG2對車速的跟隨。主驅(qū)動電機MG2的轉(zhuǎn)速將始終跟隨車輪轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速提出更高的需求，同時過高轉(zhuǎn)速階段電機效率將難以保證，造成資源成本和系統(tǒng)效率的降低），同時也無法實現(xiàn)MG1、MG2的雙電機調(diào)速控制，無法更有效的使雙電機運行在高效區(qū)。

3）結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高，且具有多種模式的切換，使得系統(tǒng)控制難度加大。

三、國內(nèi)混動研發(fā)情況總結(jié)

受國家政策、開發(fā)周期、開發(fā)難度的影響，國內(nèi)車企多數(shù)集中研發(fā)純電動汽車，同時，部分主流企業(yè)已經(jīng)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(shù)自主研發(fā)的技術(shù)實力并成功推出了的量產(chǎn)車型，如表1所示：

業(yè)內(nèi)主流觀點還是認(rèn)為混聯(lián)式混合動力系統(tǒng)是自由度最高的構(gòu)型，單純的串聯(lián)或并聯(lián)構(gòu)型無法實現(xiàn)發(fā)動機能效的最優(yōu)化。

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

四、結(jié)論

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

另外，基于以上論述，每種混動構(gòu)型都有其優(yōu)缺點，主機廠在確定混動構(gòu)型時，需充分考慮自身的研發(fā)水平、技術(shù)優(yōu)勢來確定適合自身量產(chǎn)開發(fā)的混動構(gòu)型，對于國內(nèi)目前的技術(shù)現(xiàn)狀，推薦選用構(gòu)型相對簡單的系統(tǒng)，同時也要注重開發(fā)高效的混動專用發(fā)動機、電機、電池等關(guān)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(tǒng)構(gòu)型分析[J].研究與開發(fā)，2016.05.

[2]袁慶強，新型混合動力驅(qū)動系統(tǒng)與控制策略的設(shè)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(tǒng)歸類分析[J].北京理工大學(xué)學(xué)報，2008，25（3）：197-201.