比亞迪DM-i超級混動系統技術解析

江蘇省水文水資源勘測局辦公室 楊 俊

2020年6月，比亞迪發布了DM（Dual Mode，雙模：如果將純電動汽車簡稱為EV，混合動力汽車簡稱為HEV，則比亞迪DM電動汽車是EV+HEV）技術雙平臺戰略，即DM-p平臺和DM-i平臺。DM-p平臺的p即powerful，是指動力強勁、極速，滿足“追求更好駕駛樂趣”的用戶，DM-p是對比亞迪DM3強勁動力的延續。DM-i的i即intelligent，指智慧、節能、高效，滿足“追求極致的行車能耗”的用戶，比亞迪DM-i則是對比亞迪DM1的傳承。

1 比亞迪DM-i超級混動系統的架構和工作模式

比亞迪DM1的設計理念完全以節能為技術導向，通過雙電機（M1為25 kW，M2為50 kW，M2是主電動機，M1在需要時變成發電機）與單速減速器的結構（圖1）搭配1臺1.0 L自然吸氣汽油發動機（50 kW），實現了純電、增程、混動（包括直驅）三種驅動方式。如圖2所示，在DM1系統中，發動機與M1發電機（P1）直連，通過離合器與主減速器相連，M1發電機通過離合器與主減速器相連，使得M1發電機也同時具有驅動電機的動能。同時，與主減速器相連的M2驅動電機（P2）也同時具有發電機的功能。整個DM1系統的驅動模式有純電模式（發動機不起動，離合器分離，M2電機單獨驅動車輛行駛）、增程模式（發動機起動，M1發電，離合器分離，M2驅動車輛）和混動模式，其中混動模式還可以細分為巡行模式（發動機起動，M1不發電，離合器結合驅動車輛，M2不做功）、巡行發電模式（發動機起動，M1發電給電池充電，離合器結合驅動車輛，M2不做功）、加速模式（發動機起動，離合器結合，M1和M2電機都做功，共同驅動車輛行駛）和能量回收模式（離合器斷開，M2驅動電機回收動能）。

圖1 DM1系統雙電機與單速減速器的結構

圖2 DM1系統的雙電機串并聯架構

全新比亞迪DM-i超級混動系統由驍云-插混專用1.5 L/1.5Ti高效發動機、EHS電混系統、DM-i超級混動專用刀片電池、交直流車載充電器（17 kW快充，電量30%～80%充電需要30 min）等核心部件組成。比亞迪DM-i超級混動系統將DM1的1臺1.0 L自然吸氣汽油發動機（50 kW）+2臺電動機升級為熱效率超過43%的1.5 L/1.5Ti米勒循環（比亞迪對外宣稱是阿特金森循環）發動機+串并聯架構的雙電機（2個功率提升超過200%的電動發電機）EHS電混系統（圖3），創造性地定義了以電為主的混動技術，也就是圍繞著大功率電機驅動和大容量動力電池供能為主，發動機為輔的電混架構，實現了超低油耗、靜謐平順、卓越動力的整車表現。DM-i的核心是以電為主的混動技術。車輛在大部分使用場景中都可以只用大功率驅動電機來驅動車輛工作，電機的轉速可以在0 r/min～16 000 r/min自由調節，由此為整個系統省去了多擋變速器，提高了傳動效率。為此，比亞迪研發了高效的汽油機、高效且高功的電機、高效的電控及高效的電池。

圖3 EHS電混系統

在純電模式下，DM-i超級混動專用功率型刀片電池負責給驅動電機供電；在大部分混動模式下，由發動機帶動一臺高功率發電機給驅動電機供電，中高速行駛工況中，發動機適時直驅或和驅動電機一起并聯輸出動力。在DM-i系統中，起步或低速工況（或虧電狀態）下，發動機高轉速、高效率、低油耗運轉，驅動發電機發電，在中高速行駛工況時，發動機依然處于高轉速、高效率、低油耗的工況下工作，輔助電機驅動車輛。兩種工況下發動機的轉速均可固定在一個高轉速范圍內。

比亞迪DM-i超級混動系統架構如圖4所示，以比亞迪宋PLUS DM-i為例，該系統具有純電模式、HEV串聯模式（就等同于增程式，發動機負責發電而不參與驅動）、發動機直驅模式（發動機在最經濟的高速巡行工況工作，直接驅動車輛行駛，畢竟發電不如直驅的效率高）、HEV并聯模式（在高速工況中以發動機直驅為主，此時的并聯混動是電助油，而不是通常的油助電，而在低速工況中，開啟HEV模式與SPORT模式的最強動力組合，發動機也不會介入）等4種驅動模式。具體到DM-i系統的工作邏輯上，如圖4所示，在離合器分離時，發動機帶動發電機（G）產生電能，為驅動電機（MG）供電，車輪上的動力全部來自驅動電機，此時，系統處于串聯狀態，工作邏輯類似增程式純電動車，如果有多余的電量可以保存至電池中。這種工作模式主要適合在車速較慢的城市工況，避免了發動機高負荷運轉，而是讓其高效發電。而在高速工況，如果再用增程式邏輯就會造成能量兩級浪費，因為高速巡行是發動機效率較高的工作區間。因此，DM-i系統中離合器此時會結合，發動機可以直接向車輪輸出動力，工作邏輯變為發動機直驅模式。如果此時需要急加速、超車，驅動電機可以與發動機并聯，共同參與驅動。如果系統有多余電量，發動機則帶動驅動電機產生電能，存儲到電池中。也就是說，在擁堵工況下，發動機發電，在高速HEV工況下，發動機參與驅動。EHS電混系統的變速器只有一個適用于高速工況齒比，擁堵工況中發動機無法實現低速的強勁低扭，因此在DM-i進入高速工況之前發動機不參與直驅，從而保證發動機始終保持在經濟轉速。低速工況的純電或增程式模式+高速工況的發動機直驅或HEV并聯模式，是DM-i的節能秘訣。如果有時間充電且能充到便宜的電，該車就一直可以用EV純電模式行駛；如果跑長途沒時間充電，該車就用HEV模式。由此可見，比亞迪DM-i的運行模式非常類似本田的i-MMD混動系統，系統邏輯完全圍繞著“盡可能用電驅動，發動機只工作在高效區間”的展開。二者的區別主要有2點：本田i-MMD的雙電機是同軸的，而比亞迪前后橋各一個；另外，本田i-MMD較少用到并聯模式，而比亞迪驅動電機并聯更為積極，發動機可以更多地工作在高效區間。

圖4 DM-i超級混動系統架構

2 比亞迪DM-i超級混動系統主要技術創新

2.1 曉云-插混專用1.5 L高效發動機

驍云插混專用的1.5 L高效發動機的熱效率高達43.04%，源于這款發動機的存在完完全全是為電服務的，對發動機做減法，專心致力于提高工況熱效率。

普通發動機的能量損失主要是不完全燃燒導致的熱損失、冷卻損失、排氣損失、泵氣損失（也可稱為進氣損失）和機械損失。比亞迪為達到43.04%的熱效率，比亞迪在以下幾個方面進行了改進。

（1）米勒循環（比亞迪對外宣稱是阿特金森循環，其實是米勒循環）。比亞迪的驍云發動機通過延后進氣門的關閉時間，讓活塞上升一段距離后再關閉，此時氣缸內的氣體會從進氣門排出去一部分，從而減少了整體進氣量，使其實際壓縮行程變短，從而可使壓縮比變相減小，且能讓真實的壓縮比依然保持在正常范圍內，從而減少了壓縮行程的能量消耗。由于膨脹行程保持不變，從而使得燃燒做功更加充分，提高了燃燒能量的利用率，減少了排氣損失。

（2）15.5的超高壓縮比。比亞迪宣稱的15.5的壓縮比，其實是做功行程的容積與壓縮上止點燃燒室容積之比是15.5，如果考慮到進氣門遲閉減少的進氣量，實際壓縮比應該會在12以內，以確保可以使用95號甚至92號的汽油。15.5的壓縮比加上效率導向的氣門正時，可以有效降低排氣損失和進氣損失。

（3）高EGR率的低溫廢氣再循環裝置。廢氣再循環是有效降低燃燒溫度，降低進氣損失及降低氮氧化合物（NOx）排放的有效手段。廢氣再循環是指把發動機排出的部分廢氣回送到進氣歧管，并與新鮮混合氣一起再次進入氣缸的技術。首先廢氣中的二氧化碳和水蒸氣等提高了混合氣的比熱容，同時也稀釋了氧氣的濃度，使得燃燒速度變慢，燃燒的最高溫度和平均溫度下降，極大地減少了氮氧化合物的生成，提高了環保性，也使得發動機的冷卻負荷略有下降，從而減少了在冷卻上的消耗，這是EGR最初的目的。另外，由于EGR會增加發動機的進氣量，降低進氣歧管的真空度，高EGR率可以有效減少發動機在中低負荷工況下的進氣損失。由于發動機在高負荷工況下缸內溫度過高時會通過多噴油的方式來降低缸內溫度，而利用EGR降低發動機燃燒室溫度來替代多噴油可以大大降低燃油消耗，同時缸內溫度降低后也可以嘗試更高的缸壓來進一步提高壓縮比，而壓縮比越高，發動機的熱效率也越高。因此，比亞迪把EGR率提高到25%，從而可以從多個方面極大地提高熱效率。

（4）分體冷卻技術。氣缸蓋和氣缸體分成2個獨立的冷卻回路，配合電動冷卻液泵、電子雙節溫器，實現了氣缸體和氣缸蓋的分體冷卻技術。電動冷卻液泵功耗更低，電子節溫器控制更精確，分體冷卻可以讓發動機更快地進入工作溫度，并精確保持在最佳工作溫度。

（5）無輪系設計。比亞迪DM-i超級混動系統以電為主的理念，充分聚焦發動機的工況熱效率，讓發動機設計時盡量給發動機做減法，為此比亞迪取消了這款發動機的輪系，不再需要傳統發動機的機械壓縮機、機械真空泵、機械轉向助力泵、機械冷卻液泵等，這些設備在比亞迪車上全面電動化了。

另外，比亞迪為了能讓DM-i能夠覆蓋C級車，還專門設計了增壓1.5Ti高效發動機，其熱效率也高達40%。增壓器采用了可變截面渦輪增壓器，可在更寬的轉速范圍內提供增壓，特別是可以在保證低轉速增壓效果的時候不影響高轉速的排氣壓力。

2.2 DM-i系統的核心——EHS電混系統

DM-i超級混動的核心系統比亞迪稱之為EHS電混系統，是串并聯架構的雙電機結構，工作原理傳承自DM1，以電驅動為中心重新設計并進行了全面的優化，并根據驅動電機的功率分為EHS132、EHS145和EHS160三款，其中EHS132和EHS145采用驍云1.5 L高效發動機，EHS160采用驍云1.5Ti高效發動機。EHS系統的2個超高轉速電機為并列式設計，發電機直連發動機，通過離合器與減速器通過減速齒輪相連。驅動電機直接通過減速齒輪與減速器相連。

比亞迪DM-i超級混動系統采用的電機是扁線電機（圖5，也叫發卡電機），扁線電機相較于傳統的電機（采用圖6所示的銅線繞組，因為銅線為圓形截面，且多股線并行纏繞，所以槽滿率，也就是固定銅線的開槽中銅線的比例，比較低，空間浪費多；加上纏繞結構問題，散熱較難，發熱量較大，功率密度很難進一步提升），槽滿率高（比傳統電機高50%以上，可以達到70%甚至更高）、散熱性能好（一方面是表面積加大，散熱面積大；另一方面是繞組之間接觸面積大，空隙小，導熱能力更好）、繞組端部短（繞組兩頭接線所需要的空間更小，節省更多的空間）、體積更小（可以有效減小電機的體積，提升功率密度）、NVH更好（因為開槽形狀不一樣，電磁噪音更低）。比亞迪在傳統的扁線電機基礎上又進行了優化和改進，采用扁線成型繞組技術（圖7），讓電機的最高效率達到了97.5%，通過技術優化，電機的額定功率提高32%，高效區間（效率大于90%的區間）占比高達90.3%，質量功率密度達到了的5.8 kW/kg，升功率密度提升至44.3 kW/L。

圖5 扁線電機繞組

圖6 傳統的銅線繞組

圖7 比亞迪的扁線成型繞組

比亞迪雙電機采用直噴式轉子油冷技術，相較以往電機通過在外殼上設計水道降溫這種間接降溫方式，縮短了傳遞路徑，通過冷卻油直接均勻地冷卻扁線繞組，散熱能力大大加強。由于電機轉子的永磁鐵十分懼怕高溫，以往的散熱方式無法對轉子進行冷卻，比亞迪的直噴式轉子油冷技術可以直接冷卻轉子，使得電機在極端工況下可以堅持更長的時間，提供更高的性能。

比亞迪的雙電機控制器高度集成，并且采用電動與電機三相直連技術，極大地減少了連接線纜帶來的能量損耗。同時，采用比亞迪第4代IGBT技術，電控的綜合效率高達98.5%，并且使得電控高效區（即電控效率超過90%的區域）占比高達93%，極大地降低了電控損耗，提高效率。

2.3 DM-i超級混動專用功率型刀片電池

比亞迪又針對混動平臺開發出混動專用的功率型刀片電池，通過內部串聯電芯的設計，在一節刀片電池內串聯了6節軟包卷繞式電芯，單節20 V的設計也保證了低電池容量的混動電池包可以有足夠的電壓來保證驅動效率。電池包的刀片電池采用縱向排列方式，這比橫向排列方式更進一步節省了電池包的空間，提高了電池包的功率密度。電芯采樣線、電線、數據線等只需要布置在車頭這一側即可。另外，電池包采用無模組設計，刀片電池和包體設計融為一體，形成穩固的蜂窩狀結構，大大提升了電池包的強度，提升了電池包的能量密度。刀片電池采用了最新的脈沖自加熱和冷媒直冷的技術。電池控制器通過控制電池高頻大功率充放電，讓電池內部發熱，達到了加熱電池的效果，同時也滿足高安全的要求。因為是自體加熱，加熱均勻性更好，而且發出的熱量全部用于提高電池溫度，比傳統的加熱冷卻液再加熱電池包的方式，加熱效率提升10%以上。而冷媒直冷技術就是將冷媒直接通入位于電池包上層的冷卻板上，冷卻板直接冷卻電芯，比以前通過水冷的方式，換熱效率更高。

在充電方面，比亞迪的DM-i不僅搭載了3.3 kW和6.6 kW的交流充電，DM-i超級混動長里程版還搭載了大功率直流充電，可以實現30 min充電80%。同時，通過設置預約充電可實現峰谷用電。