混合動(dòng)力汽車(chē)驅(qū)動(dòng)模式解析(上)

◆文/北京 薛慶文

隨著汽車(chē)工業(yè)的快速發(fā)展，我國(guó)汽車(chē)保有量的不斷遞增，節(jié)能環(huán)保要求越來(lái)越高，政策導(dǎo)向越來(lái)越鼓勵(lì)發(fā)展節(jié)能型新能源汽車(chē)。由于種種原因目前一些特殊因素還限制新能源汽車(chē)的發(fā)展速度，在這種條件下屬于節(jié)能汽車(chē)的混合動(dòng)力車(chē)型，以及歸屬新能源范疇的插電混合動(dòng)力汽車(chē)發(fā)展勢(shì)頭迅猛，自2016年至今我們看到插電混合動(dòng)力汽車(chē)如雨后春筍，大部分中高端品牌都有屬于自己的插電混合動(dòng)力的車(chē)型。隨著混動(dòng)車(chē)型的逐年增多，維修售后技術(shù)人員就必須要掌握相應(yīng)的技術(shù)要求，因此關(guān)于混合動(dòng)力車(chē)型的技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)及結(jié)構(gòu)與控制特點(diǎn)等，我們可以從以下幾個(gè)方面一一進(jìn)行闡述。

一、混合動(dòng)力車(chē)型的標(biāo)準(zhǔn)和發(fā)展趨勢(shì)

1.電動(dòng)汽車(chē)及新能源汽車(chē)定義

根據(jù)GB/T 19596-2004，關(guān)于電動(dòng)汽車(chē)的定義如下：

電動(dòng)汽車(chē)：純電動(dòng)汽車(chē)、混合動(dòng)力(電動(dòng))汽車(chē)和燃料電池電動(dòng)汽車(chē)總稱(chēng)為電動(dòng)汽車(chē)；

純電動(dòng)汽車(chē)(BEV)：由電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的汽車(chē)，電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)電能來(lái)源于車(chē)載可充電蓄電池或其他能量?jī)?chǔ)存裝置；

混合動(dòng)力(電動(dòng))汽車(chē)(HEV)：能夠至少?gòu)南率鰞深?lèi)車(chē)載儲(chǔ)存的能量中獲得動(dòng)力的汽車(chē):可消耗的燃料，可再充電能/能量?jī)?chǔ)存裝置；

燃料電池電動(dòng)汽車(chē)(FCEV)：以燃料電池系統(tǒng)作為單一動(dòng)力源或者是以燃料電池系統(tǒng)與可充電儲(chǔ)能系統(tǒng)作為混合動(dòng)力源的電動(dòng)汽車(chē)。

2.當(dāng)前關(guān)于新能源汽車(chē)的定義(2019年新的標(biāo)準(zhǔn))

新能源汽車(chē)是指采用新型動(dòng)力系統(tǒng)，完全或主要依靠新型能源驅(qū)動(dòng)的汽車(chē)，包括純電動(dòng)汽車(chē)、插電式混合動(dòng)力(含增程式)汽車(chē)和燃料電池電動(dòng)汽車(chē)等。

節(jié)能汽車(chē)是指以?xún)?nèi)燃機(jī)為主要?jiǎng)恿ο到y(tǒng)，綜合工況燃料消耗量?jī)?yōu)于下一階段目標(biāo)值的汽車(chē)，包括先進(jìn)內(nèi)燃機(jī)汽車(chē)和傳統(tǒng)油電混合動(dòng)力汽車(chē)。

發(fā)展節(jié)能與新能源汽車(chē)首要因素是能源安全，此外降低汽車(chē)燃料消耗量，緩解燃油供求矛盾，減少尾氣排放，改善大氣環(huán)境，促進(jìn)汽車(chē)產(chǎn)業(yè)技術(shù)進(jìn)步和優(yōu)化升級(jí)的重要舉措。

3.新能源汽車(chē)的發(fā)展趨勢(shì)

未來(lái)兩年是我國(guó)新能源汽車(chē)產(chǎn)業(yè)由“政策拉動(dòng)”向“市場(chǎng)引領(lǐng)發(fā)展”過(guò)渡的關(guān)鍵時(shí)期，產(chǎn)業(yè)即將進(jìn)入高度市場(chǎng)化、差異化發(fā)展的2.0時(shí)代。而從中、長(zhǎng)期來(lái)看，純電動(dòng)汽車(chē)和燃料電池汽車(chē)將共同主導(dǎo)中國(guó)新能源汽車(chē)市場(chǎng)的發(fā)展，純電動(dòng)汽車(chē)主導(dǎo)乘用車(chē)市場(chǎng)，燃料電池汽車(chē)主導(dǎo)商用車(chē)市場(chǎng)；從短、中期來(lái)看，裝備大容量動(dòng)力電池的插電式混合動(dòng)力汽車(chē)將在過(guò)渡期的市場(chǎng)占據(jù)重要的角色；在技術(shù)快速提升下，續(xù)航里程和充電便利性將不再是用戶(hù)購(gòu)買(mǎi)的阻礙因素，而智能化、網(wǎng)聯(lián)化、人性化的功能設(shè)計(jì)將成為新能源汽車(chē)產(chǎn)品差異化競(jìng)爭(zhēng)的關(guān)鍵；中外品牌、新舊力量、跨界巨頭等多方勢(shì)力間的全面競(jìng)爭(zhēng)將重塑中國(guó)新能源汽車(chē)行業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)格局；新能源汽車(chē)將汽車(chē)產(chǎn)業(yè)價(jià)值鏈向上、下游大幅延伸，產(chǎn)業(yè)利潤(rùn)結(jié)構(gòu)正在隨之改變，上游動(dòng)力電池和智能科技、下游終端市場(chǎng)用戶(hù)服務(wù)將成為重要利潤(rùn)池。

4.混合動(dòng)力汽車(chē)四大陣營(yíng)

(1)傳統(tǒng)混動(dòng)(HEV)，如圖1所示，最早是豐田及雷克薩斯品牌推出的，后來(lái)才陸續(xù)有其它品牌出現(xiàn)。它就是以油為主的混動(dòng)系統(tǒng)，無(wú)需充電，與傳統(tǒng)燃油汽車(chē)不同的就是它可以用相同的一箱油走更遠(yuǎn)的距離，就是說(shuō)增加了續(xù)航里程。主要特征：電池容量小、不能充電、純電續(xù)航短、油耗在4L/100km左右。

(2)插電混動(dòng)(PHEV)，如圖2所示。近幾年優(yōu)勢(shì)極其明顯，且發(fā)展勢(shì)頭迅猛。它的最大特點(diǎn)就是有電用電，沒(méi)電用油，而且和HEV本質(zhì)上沒(méi)有太大區(qū)別，只是電動(dòng)機(jī)功率更大一些、蓄電池組更多一些，在混動(dòng)系統(tǒng)上加上了充電功能。主要特征：電池容量大、能充電、純電續(xù)航長(zhǎng)、小排量車(chē)型油耗在2L/100km以下(充電環(huán)境好)。

圖1 傳統(tǒng)混動(dòng)HEV

圖2 插電混動(dòng)PHEV車(chē)型

(3)48V混動(dòng)系統(tǒng)，如圖3所示，以德系車(chē)為主的大排量車(chē)型，其混動(dòng)系統(tǒng)采用48V。48V系統(tǒng)是屬于HEV陣營(yíng)的，是歐洲車(chē)企為了對(duì)抗日系混動(dòng)系統(tǒng)而研發(fā)的，這兩套系統(tǒng)的不同點(diǎn)就是在傳統(tǒng)汽車(chē)結(jié)構(gòu)之外再加一套48V電動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，提升原車(chē)動(dòng)力性能同時(shí)，在某些環(huán)境下還能節(jié)省一定燃油。主要特征：電池容量小、電機(jī)功率小、不能充電、油耗略低于同排量燃油車(chē)。

(4)增程式混動(dòng)，如圖4所示。增程式混動(dòng)的特點(diǎn)就是雖然它也有正常的發(fā)動(dòng)機(jī)，但是它的動(dòng)力輸出是依靠電動(dòng)機(jī)的，發(fā)動(dòng)機(jī)只是用來(lái)發(fā)電為電動(dòng)機(jī)提供電力的，它既可以外接電源充電也可以加油。主要特征：電池容量中等、能充電、基本都是純電行駛、油耗在4L/100km左右。

圖3 德系車(chē)型的48V混動(dòng)

圖4 增程式混動(dòng)

二、混動(dòng)及插電混動(dòng)的結(jié)構(gòu)類(lèi)型及變速器驅(qū)動(dòng)模式分析

1.結(jié)構(gòu)類(lèi)型

目前混合動(dòng)力系統(tǒng)按動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分為：串聯(lián)式、并聯(lián)式和混聯(lián)式；按混合度分為：微混、輕混和強(qiáng)混；按外充電能力分為：可外接充電式(插電式混動(dòng))和不可外接充電式；按照驅(qū)動(dòng)電機(jī)在動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)中的位置分為：P0、P1、P2、P3、P4、和PS。

串聯(lián)混合(Series hybrid)：發(fā)動(dòng)機(jī)僅驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)給電池充電，電池帶動(dòng)電動(dòng)機(jī)來(lái)驅(qū)動(dòng)車(chē)輪，驅(qū)動(dòng)車(chē)輪只靠電動(dòng)機(jī)完成(兩個(gè)電機(jī))如圖5所示。

圖5 串聯(lián)式混動(dòng)

并聯(lián)混合(Parallel hybrid)：有兩個(gè)動(dòng)力源用來(lái)驅(qū)動(dòng)車(chē)輪，發(fā)動(dòng)機(jī)為主，電機(jī)輔助。(一個(gè)電機(jī))發(fā)動(dòng)機(jī)可以驅(qū)動(dòng)車(chē)輪，也可以驅(qū)動(dòng)電機(jī)給電池充電。發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)車(chē)輪的同時(shí)，電池也可以帶動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)車(chē)輪(圖6)。

圖6 并聯(lián)式混動(dòng)

串并聯(lián)混合式：串并聯(lián)也叫混聯(lián)，混聯(lián)式混合動(dòng)力同樣有兩個(gè)動(dòng)力源來(lái)驅(qū)動(dòng)車(chē)輪，電動(dòng)機(jī)為主，發(fā)動(dòng)機(jī)輔助。(兩個(gè)電機(jī))起步低速運(yùn)行時(shí)，電池帶動(dòng)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)車(chē)輪。發(fā)動(dòng)機(jī)可以驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)給電池充電，電池帶動(dòng)電動(dòng)機(jī)來(lái)驅(qū)動(dòng)車(chē)輪。發(fā)動(dòng)機(jī)也可以直接驅(qū)動(dòng)車(chē)輪，同時(shí)電池帶動(dòng)電動(dòng)機(jī)也驅(qū)動(dòng)車(chē)輪(圖7)。因此本系統(tǒng)可看作是串聯(lián)和并聯(lián)的組合。

圖7 串并聯(lián)混動(dòng)

當(dāng)前從混合度及節(jié)油率上分微混、輕混和全混(也叫重混或強(qiáng)混)。微混合型混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)以發(fā)動(dòng)機(jī)為主要?jiǎng)恿υ?，電機(jī)作為輔助動(dòng)力，具備制動(dòng)能量回收功能的混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)，電機(jī)的峰值功率和總功率的比值小于10%，僅具有停車(chē)怠速停機(jī)功能。輕度混合型混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)以發(fā)動(dòng)機(jī)為主要?jiǎng)恿υ?，電機(jī)作為輔助動(dòng)力，在車(chē)輛加速和爬坡時(shí)，電機(jī)可向車(chē)輛行駛系統(tǒng)提供輔助驅(qū)動(dòng)力矩，一般情況下，電機(jī)的峰值功率和總功率的比值大于10% 。重度混合(強(qiáng)混合)型混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)以發(fā)動(dòng)機(jī)和／或電機(jī)為動(dòng)力源，一般情況下，電機(jī)的峰值功率和總功率的比值大于30% ，且電機(jī)可以獨(dú)立驅(qū)動(dòng)車(chē)輛正常行駛。

再就是按電動(dòng)機(jī)的安裝位置可分為：P0、P1、P2、P2.5、P3、P4和PS(圖8)。

P0高壓系統(tǒng)其實(shí)就是以皮帶傳動(dòng)的系統(tǒng)，這個(gè)小型電動(dòng)機(jī)既不驅(qū)動(dòng)車(chē)輪也不會(huì)協(xié)助發(fā)動(dòng)機(jī)輸出動(dòng)力，它的作用是通過(guò)皮帶啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，或通過(guò)皮帶驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)(圖9)。

圖8 電動(dòng)機(jī)位置布局

圖9 P0系統(tǒng)

P1系統(tǒng)其實(shí)就是并聯(lián)結(jié)構(gòu)中單電機(jī)的一種類(lèi)型，多采用盤(pán)式電機(jī)，集中繞組，功率偏小，大多屬于輕混類(lèi)型，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，但通常無(wú)法實(shí)現(xiàn)純電驅(qū)動(dòng)功能(圖10)。

圖10 P1類(lèi)型

P2系統(tǒng)跟P1沒(méi)有太大區(qū)別，也是并聯(lián)結(jié)構(gòu)中單電機(jī)的一種類(lèi)型， 只不過(guò)在發(fā)動(dòng)機(jī)和變速器之間多了一個(gè)分離離合器，因此可以實(shí)現(xiàn)純電動(dòng)驅(qū)動(dòng)。多采用永磁同步電機(jī)，集中繞組，功率偏中大，大多屬于輕混，可實(shí)現(xiàn)插電充電。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，可實(shí)現(xiàn)純電驅(qū)動(dòng)功能，PHEV是優(yōu)先使用電能驅(qū)動(dòng)(圖11)。

圖11 P2類(lèi)型

P2.5是介于在P2和P3之間的一種，主要在以雙離合器變速器為基礎(chǔ)的一種傳動(dòng)類(lèi)型。它是把電機(jī)布置在奇數(shù)擋或偶數(shù)檔中。多采用永磁同步電機(jī)，集中繞組，功率偏中大，大多屬于輕混，可實(shí)現(xiàn)插電充電。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，可實(shí)現(xiàn)純電驅(qū)動(dòng)功能，PHEV是優(yōu)先使用電能驅(qū)動(dòng)(圖12)。

圖12 P2.5結(jié)構(gòu)類(lèi)型

P3系統(tǒng)的電機(jī)位于變速器輸出軸上，電機(jī)轉(zhuǎn)速偏低，電機(jī)很難啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)(圖13)。代表有比亞迪等車(chē)型。

P4類(lèi)型的電動(dòng)機(jī)被直接安裝在差速器系統(tǒng)中或直接驅(qū)動(dòng)車(chē)輪，一般不會(huì)獨(dú)立出現(xiàn)，常見(jiàn)類(lèi)型為P0+P4、P2+P4、P3+P4、PS+P4等(圖14)，P4驅(qū)動(dòng)橋設(shè)計(jì)方案有單電機(jī)驅(qū)動(dòng)(帶差速器)和雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)(無(wú)差速器)。

圖13 P3結(jié)構(gòu)類(lèi)型

圖14 P4結(jié)構(gòu)類(lèi)型

PS是目前混動(dòng)系統(tǒng)中較多的一種結(jié)構(gòu)類(lèi)型(圖15)，前輪驅(qū)動(dòng)的像豐田普銳斯、漢蘭達(dá)、凱美瑞、本田思鉑睿、別克君越等，后輪驅(qū)動(dòng)的有雷克薩斯h600、凱迪拉克凱雷德、凱迪拉克CT6等。因此PS就是串并聯(lián)，兩個(gè)電機(jī)都集成于變速器內(nèi)部，電機(jī)轉(zhuǎn)速偏低，電機(jī)很難啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)。

圖15 PS結(jié)構(gòu)類(lèi)型

2.驅(qū)動(dòng)模式分析

就目前而言混動(dòng)及插電混動(dòng)的驅(qū)動(dòng)模式一般有：?jiǎn)?dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)模式、怠速充電模式、發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)模式、EV驅(qū)動(dòng)模式(純電動(dòng)驅(qū)動(dòng))、油電驅(qū)動(dòng)模式(混合動(dòng)力)、減速制動(dòng)回收模式等。接下來(lái)我們以豐田及雷克薩斯的P310和P410混動(dòng)變速器的驅(qū)動(dòng)模式為例進(jìn)行分析。

P310和P410混動(dòng)變速器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是：它屬于PS結(jié)構(gòu)類(lèi)型，兩個(gè)電動(dòng)機(jī)，兩套行星齒輪組，但并沒(méi)有濕式離合器或制動(dòng)器，兩個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)子分別與兩套行星齒輪組的兩個(gè)太陽(yáng)輪相連，兩組行星齒輪共用一個(gè)齒圈并作為輸出元件出現(xiàn)。發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)過(guò)一個(gè)減震裝置直接與其中一組行星齒輪組中的行星架形成連接關(guān)系，同時(shí)還驅(qū)動(dòng)油泵，該油泵泵出的油壓主要用來(lái)潤(rùn)滑和冷卻，另外一組行星齒輪組的行星架則與變速器殼體相連(圖16)。

圖16 豐田及雷克薩斯PS結(jié)構(gòu)類(lèi)型的混動(dòng)變速器

(未完待續(xù))