混合動力汽車驅動模式解析(上)

◆文/北京 薛慶文

隨著汽車工業的快速發展，我國汽車保有量的不斷遞增，節能環保要求越來越高，政策導向越來越鼓勵發展節能型新能源汽車。由于種種原因目前一些特殊因素還限制新能源汽車的發展速度，在這種條件下屬于節能汽車的混合動力車型，以及歸屬新能源范疇的插電混合動力汽車發展勢頭迅猛，自2016年至今我們看到插電混合動力汽車如雨后春筍，大部分中高端品牌都有屬于自己的插電混合動力的車型。隨著混動車型的逐年增多，維修售后技術人員就必須要掌握相應的技術要求，因此關于混合動力車型的技術發展趨勢及結構與控制特點等，我們可以從以下幾個方面一一進行闡述。

一、混合動力車型的標準和發展趨勢

1.電動汽車及新能源汽車定義

根據GB/T 19596-2004，關于電動汽車的定義如下：

電動汽車：純電動汽車、混合動力(電動)汽車和燃料電池電動汽車總稱為電動汽車；

純電動汽車(BEV)：由電動機驅動的汽車，電動機的驅動電能來源于車載可充電蓄電池或其他能量儲存裝置；

混合動力(電動)汽車(HEV)：能夠至少從下述兩類車載儲存的能量中獲得動力的汽車:可消耗的燃料，可再充電能/能量儲存裝置；

燃料電池電動汽車(FCEV)：以燃料電池系統作為單一動力源或者是以燃料電池系統與可充電儲能系統作為混合動力源的電動汽車。

2.當前關于新能源汽車的定義(2019年新的標準)

新能源汽車是指采用新型動力系統，完全或主要依靠新型能源驅動的汽車，包括純電動汽車、插電式混合動力(含增程式)汽車和燃料電池電動汽車等。

節能汽車是指以內燃機為主要動力系統，綜合工況燃料消耗量優于下一階段目標值的汽車，包括先進內燃機汽車和傳統油電混合動力汽車。

發展節能與新能源汽車首要因素是能源安全，此外降低汽車燃料消耗量，緩解燃油供求矛盾，減少尾氣排放，改善大氣環境，促進汽車產業技術進步和優化升級的重要舉措。

3.新能源汽車的發展趨勢

未來兩年是我國新能源汽車產業由“政策拉動”向“市場引領發展”過渡的關鍵時期，產業即將進入高度市場化、差異化發展的2.0時代。而從中、長期來看，純電動汽車和燃料電池汽車將共同主導中國新能源汽車市場的發展，純電動汽車主導乘用車市場，燃料電池汽車主導商用車市場；從短、中期來看，裝備大容量動力電池的插電式混合動力汽車將在過渡期的市場占據重要的角色；在技術快速提升下，續航里程和充電便利性將不再是用戶購買的阻礙因素，而智能化、網聯化、人性化的功能設計將成為新能源汽車產品差異化競爭的關鍵；中外品牌、新舊力量、跨界巨頭等多方勢力間的全面競爭將重塑中國新能源汽車行業的競爭格局；新能源汽車將汽車產業價值鏈向上、下游大幅延伸，產業利潤結構正在隨之改變，上游動力電池和智能科技、下游終端市場用戶服務將成為重要利潤池。

4.混合動力汽車四大陣營

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

(2)插電混動(PHEV)，如圖2所示。近幾年優勢極其明顯，且發展勢頭迅猛。它的最大特點就是有電用電，沒電用油，而且和HEV本質上沒有太大區別，只是電動機功率更大一些、蓄電池組更多一些，在混動系統上加上了充電功能。主要特征：電池容量大、能充電、純電續航長、小排量車型油耗在2L/100km以下(充電環境好)。

圖1 傳統混動HEV

圖2 插電混動PHEV車型

(3)48V混動系統，如圖3所示，以德系車為主的大排量車型，其混動系統采用48V。48V系統是屬于HEV陣營的，是歐洲車企為了對抗日系混動系統而研發的，這兩套系統的不同點就是在傳統汽車結構之外再加一套48V電動驅動系統，提升原車動力性能同時，在某些環境下還能節省一定燃油。主要特征：電池容量小、電機功率小、不能充電、油耗略低于同排量燃油車。

(4)增程式混動，如圖4所示。增程式混動的特點就是雖然它也有正常的發動機，但是它的動力輸出是依靠電動機的，發動機只是用來發電為電動機提供電力的，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 德系車型的48V混動

圖4 增程式混動

二、混動及插電混動的結構類型及變速器驅動模式分析

1.結構類型

目前混合動力系統按動力系統結構分為：串聯式、并聯式和混聯式；按混合度分為：微混、輕混和強混；按外充電能力分為：可外接充電式(插電式混動)和不可外接充電式；按照驅動電機在動力傳動系統中的位置分為：P0、P1、P2、P3、P4、和PS。

串聯混合(Series hybrid)：發動機僅驅動發電機給電池充電，電池帶動電動機來驅動車輪，驅動車輪只靠電動機完成(兩個電機)如圖5所示。

圖5 串聯式混動

并聯混合(Parallel hybrid)：有兩個動力源用來驅動車輪，發動機為主，電機輔助。(一個電機)發動機可以驅動車輪，也可以驅動電機給電池充電。發動機驅動車輪的同時，電池也可以帶動電機驅動車輪(圖6)。

圖6 并聯式混動

串并聯混合式：串并聯也叫混聯，混聯式混合動力同樣有兩個動力源來驅動車輪，電動機為主，發動機輔助。(兩個電機)起步低速運行時，電池帶動電動機驅動車輪。發動機可以驅動發電機給電池充電，電池帶動電動機來驅動車輪。發動機也可以直接驅動車輪，同時電池帶動電動機也驅動車輪(圖7)。因此本系統可看作是串聯和并聯的組合。

圖7 串并聯混動

當前從混合度及節油率上分微混、輕混和全混(也叫重混或強混)。微混合型混合動力電動汽車以發動機為主要動力源，電機作為輔助動力，具備制動能量回收功能的混合動力電動汽車，電機的峰值功率和總功率的比值小于10%，僅具有停車怠速停機功能。輕度混合型混合動力電動汽車以發動機為主要動力源，電機作為輔助動力，在車輛加速和爬坡時，電機可向車輛行駛系統提供輔助驅動力矩，一般情況下，電機的峰值功率和總功率的比值大于10% 。重度混合(強混合)型混合動力電動汽車以發動機和／或電機為動力源，一般情況下，電機的峰值功率和總功率的比值大于30% ，且電機可以獨立驅動車輛正常行駛。

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

P0高壓系統其實就是以皮帶傳動的系統，這個小型電動機既不驅動車輪也不會協助發動機輸出動力，它的作用是通過皮帶啟動發動機，或通過皮帶驅動發電機(圖9)。

圖8 電動機位置布局

圖9 P0系統

P1系統其實就是并聯結構中單電機的一種類型，多采用盤式電機，集中繞組，功率偏小，大多屬于輕混類型，系統結構相對簡單，但通常無法實現純電驅動功能(圖10)。

圖10 P1類型

P2系統跟P1沒有太大區別，也是并聯結構中單電機的一種類型， 只不過在發動機和變速器之間多了一個分離離合器，因此可以實現純電動驅動。多采用永磁同步電機，集中繞組，功率偏中大，大多屬于輕混，可實現插電充電。系統結構相對簡單，可實現純電驅動功能，PHEV是優先使用電能驅動(圖11)。

圖11 P2類型

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的一種傳動類型。它是把電機布置在奇數擋或偶數檔中。多采用永磁同步電機，集中繞組，功率偏中大，大多屬于輕混，可實現插電充電。系統結構相對簡單，可實現純電驅動功能，PHEV是優先使用電能驅動(圖12)。

圖12 P2.5結構類型

P3系統的電機位于變速器輸出軸上，電機轉速偏低，電機很難啟動發動機(圖13)。代表有比亞迪等車型。

P4類型的電動機被直接安裝在差速器系統中或直接驅動車輪，一般不會獨立出現，常見類型為P0+P4、P2+P4、P3+P4、PS+P4等(圖14)，P4驅動橋設計方案有單電機驅動(帶差速器)和雙電機驅動(無差速器)。

圖13 P3結構類型

圖14 P4結構類型

PS是目前混動系統中較多的一種結構類型(圖15)，前輪驅動的像豐田普銳斯、漢蘭達、凱美瑞、本田思鉑睿、別克君越等，后輪驅動的有雷克薩斯h600、凱迪拉克凱雷德、凱迪拉克CT6等。因此PS就是串并聯，兩個電機都集成于變速器內部，電機轉速偏低，電機很難啟動發動機。

圖15 PS結構類型

2.驅動模式分析

就目前而言混動及插電混動的驅動模式一般有：啟動發動機模式、怠速充電模式、發動機驅動模式、EV驅動模式(純電動驅動)、油電驅動模式(混合動力)、減速制動回收模式等。接下來我們以豐田及雷克薩斯的P310和P410混動變速器的驅動模式為例進行分析。

P310和P410混動變速器的結構特點是：它屬于PS結構類型，兩個電動機，兩套行星齒輪組，但并沒有濕式離合器或制動器，兩個電機的轉子分別與兩套行星齒輪組的兩個太陽輪相連，兩組行星齒輪共用一個齒圈并作為輸出元件出現。發動機經過一個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系，同時還驅動油泵，該油泵泵出的油壓主要用來潤滑和冷卻，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結構類型的混動變速器

(未完待續)