混合動力汽車Px混動構型解析

連云港市工貿高等職業技術學校 黃 瑾

對混合動力比較關注的讀者，應該在閱讀一些文章時都接觸到所謂的“Px混動”的說法，那么“Px混動”是什么意思呢？其實這指的是電機的位置，用來區分各種有變速器的并聯與串并聯（混聯）混動構型。

P是Position（位置）的意思。對于單電機的混合動力系統，根據電機相對于傳統動力系統的位置，可以把單電機混動方案分為6大類，分別以P0、P1、P2、PS、P3、P4命名，各電機的安裝位置如圖1所示。

1 P0混動構型

傳統汽車發電機與發動機曲軸通過傳動帶柔性連接。當發動機運轉時，會有少量的能量傳遞過來帶動發電機發電。P0電機就位于發動機前端附件驅動系統（FEAD，Front End Accessory Drive）上，也就是普通汽車上發電機的位置。P0混動就是把這個發電機換成了一個功率比較大的BSG電機（Belt-driven Starter/Generator，帶傳動起動/發電一體化電機，圖2）。P0混動系統由于有功率較大的BSG，再配合較大的蓄電池，就可做到在等紅綠燈發動機停機時，帶動空調的機械壓縮機運轉。而P1系統如果要實現同樣的功能，就需要使用電壓縮機。但由于帶傳動容易打滑失效的特性，即使有張緊器，其傳動效率仍然有限，不支持其進行更大強度的動力輸出，無論是給發動機加力還是回收動能的功率都有限，因此，P0混動一般只應用于自動起停系統，以及12 V～25 V微混和48 V弱混，通常只支持發動機怠速停機、停機后的快速起動及制動時能量的回收。圖3所示為奔馳A級和B級車上使用的P0混動方案，采用了48 V的BSG電機，液壓轉動帶張緊器在P0混動中是一個比較重要的部件，要求其要比一般的張緊器具有更強的調節張力的能力，以保證在起動發動機和進行能量回收時有較高的傳動效率。

2 P1混動構型

圖1 電機的安裝位置

圖2 P0混動構型

圖3 奔馳A級和B級車上使用的P0混動方案

如圖4所示，P1電機放在發動機后、離合器前的位置（就是原來飛輪的位置）。其實P1混動與P0混動相仿，只不過P1混動是將ISG電機（Integrated Starter and Generator，盤式一體化起動/發動一體化電機）固連在了發動機上，取代了傳統的飛輪，發動機曲軸則充當了ISG電機的轉子，只要發動機在運轉，轉子就跟著旋轉，因此它同樣支持發動機起停、制動能量回收。由于電機與發動機采用剛性連接，因此P1混動可以實現動力輔助，在駕駛人踩下加速踏板后，控制單元會控制ISG電機立刻補充動力，以此讓汽車保持動力輸出與節油性的高度平衡。在不同程度的制動過程中，ISG電機都可以實現發動機制動能量的回收和儲存，在下長坡時其還會根據具體車速施加輔助制動力矩，以此提高車輛的安全性。采用機械連接的P1混動布局的傳動效率要比P0混動高得多，因此除了自動起停、微混和弱混外，還可以應用在100 V～200 V電壓的中混系統中。

圖4 P1混動構型

P1混動因為電機直接套在曲軸上，二者轉速必須相等，而不像通過轉動帶連接的P0混動布局有一個傳動比，因此電機需要有比較大的扭矩和體積，同時還需要做得比較薄，從而能放到原來飛輪的位置，成本較高。實際應用中，P1混動較高的驅動力矩使得車輛的駕駛性能更佳，與P0混動相比要更節油。

無論是P0混動還是P1混動，只要電機旋轉，發動機曲軸就必須旋轉，電機沒辦法單獨驅動車輪，因此，P1混動系統并沒有純電行駛模式。在動能回收和滑行模式下，也因為必須帶動曲軸空轉而浪費動能并增加噪音和振動。因此P0混動和P1混動都不適合電機、電池更大的強混系統。

目前采用P1混動的以中混汽車為主，由于可靠性高且成本較低，國內公交車和自主品牌車多采用P1混動構型。本田思域混動和Insight車裝備的第一代本田IMA混動及奔馳S400混動車型（圖5）采用的就是P1混動布局。

3 P2混動構型

圖5 奔馳S400混動車型的P1混動構型

圖6 寶馬（BMW）530E的P2混動構型

圖7 電機直接套在變速器輸入軸上

跟P1電機一樣，P2電機也需要布置在發動機和變速器中間，但因為不必像P1電機那樣整合在發動機外殼中，而是在變速器與發動機中間的離合器之后安裝電機（圖6），其布置形式更加靈活，不僅可以直接套在變速器輸入軸上（這樣一般需要重新設計變速器，圖7），也可以通過傳動帶或齒輪傳動與變速器輸入軸連接（圖8），甚至也可以使用減速齒輪（體積較大）帶動P2電機工作。此外，P2混動構型也有一些變種，比如榮威550插電混動車，如圖9所示，實際上是沒有傳統變速器的，但通過離合器的切換，實際上電機和發動機既可以在同一軸以同轉速耦合后，再選擇2條減速路徑中的一條共同驅動車輪；也可以分別以不同的減速比共同驅動車輪。這相當于一個為插電混動定制的兩擋變速器。

P2混動構型在純電動模式下可以和發動機斷開連接，因為電機和發動機之間還有個離合器，因此在純電動模式下發動機并不會被拖動，同時由于P2電機的后面有變速器，因此變速器的所有擋位都可以被電機利用。

圖8 電機通過傳動帶或齒輪傳動與變速器輸入軸連接

圖9 榮威550插電混動車無傳統變速器的P2混動構型

P2混動是目前市面上混動車型采用最多的Px混動構型。電機放在離合器后變速器前，通過在發動機與變速器之間插入2個離合器和1套電機來實現混動，是一種并聯式的、2個離合器的混合動力系統。P2和P1模式基本相同，唯一的區別在于電動機和發動機之間有沒有離合器，是不是可以切斷電機的輔助驅動。和P1混動不同的是，P2混動系統由于P2電機和發動機之間有離合器，故可以用電機單獨驅動車輪，實現純電行駛模式，且在動能回收時也可以切斷與發動機的連接。但P2也有劣勢，它只有在變速器切換到空擋時，才能切斷與車輪的連接，進而可以用于起動發動機，但如果變速器不能很快地切換到空擋（基于行星齒輪的自動變速器可以），就需要一個額外的起動電機來滿足自動起停系統頻繁快速起停電機的要求，或者是一個在P1位置的中低壓起動電機，或者是一個在P0位置的48 V以上的中高壓BSG電機。后者有2個電機接了中高壓，因此一般也被稱為“P0P2系統”，是雙電機直連混動（串并聯）的一種。

綜上所述，仿真結果、理論計算結果、實測結果是基本一致的，在誤差允許的范圍內，從而驗證了理論計算方法的正確性。

從P2混動系統的結構原理可知，P2混動系統是在發動機和變速器中間硬生生地加入了1個離合器和1個電機，這無疑將會出現一個極其麻煩的問題——軸向尺寸增加。為了解決這個硬件上的問題，工程師們采用了很多措施——發動機減缸（四缸變三缸、六缸變四缸）、殼體一體化設計、將離合器進一步縮入電機內部等。例如舍弗勒的P2混動構型（圖10）就是將離合器系統集成至電機的定子中，采用了電動中心式執行機構（ECA），在減少執行機構體積的同時提高了離合器的控制精度。舍弗勒P2混動構型的最大特點是可以與現有的發動機和變速器構成的動力總成相配合達成混動系統，可以適應包括從中混到插電重混的各種車型。舍弗勒P2混動系統以一種創新性的方式來分配動力走向，扭矩由電機向發動機方向傳遞起動發動機時，其由可分離式離合器（Disconnect clutch）傳遞，可傳輸最大300 N·m的扭矩；而發動機和電機向變速器側輸出動力時，其通過單向離合器（One way clutch）傳輸扭矩，最大可達到800 N·m。奧迪A3 e-Tron混動車型就是采用的舍弗勒的P2混動系統。

圖10 舍弗勒的P2混動構型

4 P3混動構型

P3混動構型是將電機挪到了變速器的末端，電機與變速器的輸出軸耦合，可以離變速器有一定距離，更靠近傳動軸，一般采用齒輪或鏈條傳動，其工作模式是：發動機→離合器→變速器-電機→減速器→車輪。但P3混動模式下的純電動驅動需要克服前面被拖動的變速器的加速阻力。相比電機在變速器前的P0、P1和P2混動布局，P3混動構型最主要的優勢是純電驅動和動能回收的效率高。因為其避開了傳統車用變速器造成的較大損耗，這對電驅比例較高的插電混動車而言是非常重要的。

P3混動因為電機必須與車軸相連，因此電機無法用于起動發動機，因此在P1位置仍然需要中低壓起動電機，以滿足發動機自動起停需要，電機的功率不能太小，電池也需要加大。但一個新的問題出現了，如果自駕、露營時需要用電，當電池電量用完后，P3混動構型便只能放棄電器，而P2混動則可以起動發動機發電，來滿足電磁爐等大功率用電電器的用電需求。雖然P2混動和P3混動都能單獨純電驅動行駛，能充電，還能油電一起驅動行駛，能省油，但由于P3混動比P2混動少一組離合器，因此純電傳動更為直接，更高效。由于P3混動構型的電機無法與變速器或發動機進行整合，需要占用額外的空間，理論上來說，P3混合構型比較適合后驅車，因為有充足的空間可以布置P3電機。此外，也可以增加P0位置的BSG電機，變身為“P0+P3構型”的串并聯混動。本田i-DCD車、比亞迪秦、長安逸動等采用就是這種P3混動系統。

5 PS混動構型

PS混動構型是介于P2混動和P3混動之間的一種混動形式，也稱為P2.5混動構型。PS混動構型的電機位于變速器內部。在很多文章中，PS混動與P3混動被統一稱為P3混動，但實際上兩者是有區別的，P3混動的電機在變速器的輸出軸耦合，可以離變速器有一定距離，更靠近傳動軸，一般采用齒輪或鏈條傳動，而PS混動的電機則是直接整合在變速器內部。PS混動系統多是基于雙離合變速器的，它能很好地利用雙離合變速器可以在2個輸入軸之間切換的特點，將電機集成到了其中一根軸（一般是偶數擋位軸）上面。這種混合動力更像是P2混動構型，它擁有3種工作模式。

（1）2個輸入軸都松開（相當于空擋），電機可以單獨驅動車輪，也可以在不帶動曲軸的情況下進行動能回收。這比需要經過一整個變速器傳動的P2混動構型的效率更高。

（2）電機所在的輸入軸接合發動機，發動機和電機以相同傳動比旋轉，相當于直接套在變速器輸入軸上的P2混動構型。

（3）沒有電機的輸入軸接合發動機，發動機和電機以不同傳動比（且可以分別選擇擋位）旋轉，相當于以齒輪驅動的P2混動構型（而且還能變速）。

相比電機置于發動機輸出端的P1混動構型及電機置于變速器輸入端的P2混動構型，PS混動構型在油電銜接瞬時減輕沖擊方面更具優勢。相比電機置于變速器輸出端的P3混動構型，PS混動構型可將電機的力矩通過變速器多擋位放大，不僅能讓電機經濟運行區域更廣，而且選型時也可以考慮采用功率更小的電機。

不過，采用PS混動構型將會面臨巨大的挑戰：當電機始終驅動二軸工作時，一旦發動機提供的動力切入二軸，便會在變速器的二軸上產生力的耦合過程，如果匹配程序不夠完善，將會在變速器內部產生明顯的換擋沖擊。PS混動構型給人最大的感覺就是復雜，結構本身復雜，相信對系統的匹配和調校也比較復雜，比如C1和C2離合器的接合控制、發動機和電機都作用到二軸上的動力融合等，都需要長時間的經驗積累。吉利博瑞GE車PHEV版本采用的動力系統便是1.5T+7DCT，并采用了PS混動構型的混合動力系統。

實際應用中被人們稱為P3混動構型的，實際上往往是PS混動構型，比如大眾速騰混動、沃爾沃T5前驅混動、比亞迪秦等，使用PS混動構型的包含了中混、強混、混合策略插電混動，以及增程式插電混動。

在PS混動構型中還有一個構型是不得不說的。那就是豐田汽車的THS系統（Toyota Hybrid System，豐田混合動力系統），該系統的核心部件是一套豐田公司稱之為“動力分配器”的行星齒輪組（圖11），采用了雙電機、單行星排架構，其真正的內涵是通過行星排的三自由度、雙電機及智能控制的相互配合，實現動力的強勁、順暢輸出。而通用汽車則是采用了雙電機、雙星行排的PS混動技術架構（可以簡單地理解成“雙THS”技術，圖12），效率更高、動力輸出更平順。

6 P4混動構型

P4混動構型是把電機安裝在非內燃機驅動的軸上，直接驅動車輛行駛。另外，輪邊驅動電機（圖13）也叫P4混動構型。P4混動構型的電機既可以通過鏈條或齒輪驅動前軸/后軸，也可以直接用輪轂電機驅動車輪，從而大大提高了車輛的轉彎性能，并省去了輪軸和差速器帶來的效率損失和額外車重。

圖11 豐田THS系統（PS混動構型）

圖12 通用汽車第二代Voltec車采用PS混動構型結構簡圖

P4混動布局最大的特點是，電機與發動機不驅動同一軸，這意味著：車輛可以實現四驅；電機與發動機實際上是通過地面耦合的，工作性質雖然跟其他簡單并聯很類似，但在車內部不存在任何機械連接。

圖13 輪邊驅動電機（P4混動構型）

P4混動布局的特性與P3混動布局大體相似。不過，大部分P4混動布局（只有一個P4電機接了高壓電）不能隨意在純電驅和純發動機驅動之間切換，這意味著前后驅的切換不利于車輛操控性和舒適性。P4混動構型大多應用于各種插電式混動或者弱混模式，因為不方便純電驅與純發動機驅動間的切換，P4強混反而是比較少的。因此，P4混動要么采用插電式混動，以電機后驅為主，只有在需要更大功率時才起動發動機驅動前軸；要么像沃爾沃前驅平臺SUV的T8混動四驅及寶馬后驅平臺轎車的混動四驅一樣，P4電機只作為輔助驅動，車輛仍然以發動機驅動為主。而為了保證時常有電量驅動P4電機，這兩款車同時在發動機的驅動軸也有一個電機，寶馬是P0電機，沃爾沃T8是P2電機，一來用于起動發動機，二來可以給動力電池充電，三來也能給前軸提供驅動力。這兩個構型可以分別稱為P0+P4和P2+P4。比較特殊的像比亞迪唐（圖14），以主電機（P3電機）在前軸電驅為主，但用來增程的發動機也放在前軸，后軸只有小電機（P4電機）。這是因為比亞迪唐的發動機除了增強動力外，還要負責用來增程，而不像寶馬車的發動機主要是用來增加動力，因此主電機（P3電機）和發動機放在同一軸上。

圖14 比亞迪唐的P3+P4混動構型