前置后驅車型混合動力技術發展現狀與趨勢

張明宇 張春才 王文帥 王贏 趙東峰 張行

（中國第一汽車股份有限公司研發總院，長春 130013）

0 引言

近20年，我國工業化水平和社會經濟取得了前所未有的大發展，這很大程度地促進了我國汽車產業快速發展，伴隨而來的是日趨嚴重的全球氣候變化與空氣污染問題。為應對氣候變化、推動綠色發展，2020年10月，中國汽車工程學會發布了《節能與新能源汽車技術路線圖2.0》（簡稱“路線圖2.0”）[1]。

根據路線圖2.0的規劃，至2035年，我國汽車產業要實現全面電動化轉型，節能與新能源汽車年銷量將各占50%，傳統能源乘用車新車100 km平均油耗需達到4.0 L（WLTC工況），并100%實現混合動力化[2]。混合動力技術將在很長時間內持續扮演節能降碳重要角色。

本文通過對現有混合動力汽車節能技術調查研究，總結了典型前置后驅混合動力車型與技術方案，簡要分析了前置后驅混動車型的混合動力技術發展趨勢，為前置后驅混合動力車型開發和技術路線選擇提供參考。

1 混合動力技術背景與商業化發展

1.1 技術背景

雖然混合動力汽車并不是一個新概念，但混合動力技術仍屬于先進且復雜的汽車節能技術，如果總成選型與參數匹配不合理，便難以將發動機或電機的良好性能發揮出來[3]。

混合動力汽車優化了傳統內燃機汽車的油耗和排放，并且與純電動汽車比，混合動力汽車成本低，更符合現階段汽車市場發展需求，成為汽車企業產品技術升級的重要選擇[4-6]。

1.2 商業化發展

從20世紀90年代初開始，以美國、歐洲和日本為代表的國家和地區都在不斷加大汽車產業研發投入與政策扶持力度[7-9]。1997年，豐田汽車公司在日本推出了第一代普銳斯，并一直致力于混合動力技術發展，持續開發行業領先的混合動力技術[10]。

因混合動力汽車優勢明顯，繼豐田之后，各國加快了混合動力汽車產品化進程，如本田公司的In?sight、福特公司的Prodigy、通用公司的Precept、戴姆勒克萊斯勒的ESX3等，都是具有代表性的車型[11]。

隨著混合動力技術的不斷發展，目前許多國內汽車企業也都陸續推出混合動力汽車產品，較為典型混合動力汽車產品為比亞迪的秦和唐、吉利博瑞、廣汽傳祺等[12]。按照動力系統結構形式劃分，主要分為串聯式混合動力系統、并聯式混合動力系統和混聯式混合動力系統。伴隨著新一代混合動力技術產品力迅速提升，且價格持續下降，市場認可度大幅增加。

2 前置后驅混合動力技術現狀

2.1 主流前置后驅混合動力系統

近年，隨著互聯網發展和年輕富裕階層的崛起，豪華車市場已經出現了很多變化，科技元素和環保理念被提升到了前所未有的高度，全球各大汽車公司也紛紛在縱置車型上推出混合動力車型。以豐田、本田為代表的日本主流汽車品牌中，以PS+P3、P1+P3雙電機混聯式混動構型為主，以奔馳、寶馬、奧迪為代表的歐洲主流汽車品牌中，則以P2 并聯式混合動力構型為主[13]，國內外主流前置后驅混合動力技術如表1所示。

表1 國內外主流前置后驅混動系統

2.2 豐田LHD混合動力系統

豐田混合動力系統（Toyota Hybrid System，THS）是領先的混合動力技術，這套系統目前已發展至第4代，主要應用在前置前驅車型上。而作為豐田旗下豪華品牌，雷克薩斯所采用的混合動力系統（Lexus Hy?brid Drive,LHD），主要應用在前置后驅車型上[14]，如圖1所示。

圖1 豐田混合動力系統[14]

為了使雷克薩斯車型在動力性能上更符合豪華車定位，2006 年，豐田基于第3 代THS 開發了縱置雙電機變速器E-CVT L110，進一步擴大速比范圍，用兩種速比分別滿足高低速的動力性，其構型如圖2所示。

圖2 豐田E-CVT L110混合動力構型示意[15]

E-CVT L110由雙電機、動力分配單元以及2級電機減速裝置組成，2級減速器連接到驅動電機輸出端，對驅動電機進行調速[13]。

隨著技術發展，其2 級混合動力系統進一步升級為多級混合動力系統，在2022款的LC/LS車型上，搭載的是帶4級減速器的E-CVT L310，其構型如圖3所示。

圖3 豐田E-CVTL310混合動力構型示意[15]

E-CVTL310與E-CVTL110相比主要變化在減速器的布置位置與級數方面，首先減速器由2級升級為4 級，另外就是減速器由驅動電機后端移到了整個系統的后端，從而擴大發動機工作范圍。兩代混合動力系統的發動機轉速區域如圖4所示。

圖4 兩代混合動力系統發動機轉速區域[14]

混合動力系統變速器趨向多級化發展，從最低擋位充分挖掘加速能力，總輸出扭矩比上一代增加50%，0~100 km/h 加速時間降低13%[14]，在最高擋位讓高效區覆蓋到最頻繁使用工況，這樣做可以獲得更強勁的動力性和更優秀的燃油經濟性。

搭載LHD 混合動力系統車輛的工作模式如表2所示。

表2 豐田LHD混合動力系統工作模式

經過歷代發展，豐田前置后驅混合動力系統性能不斷迭代升級，其主要參數對比如表3所示。

表3 豐田LHD混合動力系統主要參數[15]

豐田LHD混合動力系統始終堅持功率分流構型，電機系統通過轉子磁路及定子扁線設計、逆變器芯片技術及冷卻技術，實現產品向高性能和小型化迭代升級，轉矩和功率密度均有提升。

電池系統在繼續推進成熟的鎳氫電池產品同時，逐漸發展三元鋰離子電池技術。雖然在技術成熟度、安全性和使用壽命方面，鎳氫電池有著顯著的優勢，但相對較小的能量密度難以滿足更高電動化程度需求。隨著鋰電池技術的高速迭代，不僅彌補了其相對鎳氫電池技術的不足，并且以高性能、高效率的優勢，滿足豐田LHD 混合動力系統迭代高功率電機的技術需求。

2.3 本田SH-AWD混合動力系統

目前，本田混合動力系統包括3種，除了用于低端車型的i-DCD（intelligent Dual Clutch Drive）系統，用于中端車型的iMMD（intelligent Multi Mode Drive）系統外，還包括應用于高端車型的SH-AWD（Sports Hy?brid-Super Handling-All Wheel Drive）系統[16]，其系統原理如圖5所示。

圖5 本田SH-AWD混合動力系統[16]

SH-AWD混合動力系統本質上，仍屬于串并聯式混合動力系統，前軸配置了3.5 L排量的直噴發動機，匹配內置電機的7速雙離器合變速器，可認為是動力強勁版的i-DCD 系統，在傳遞扭矩方面得到升級，并且i-DCD采用的是干式離合器，而SH-AWD采用的是濕式離合器。后軸為內置左右相同輸出功率且獨立控制的雙電機單元[17]。

搭載SH-AWD 混合動力系統的車輛工作模式如表4所示。

表4 本田SH-AWD混合動力系統工作模式

目前本田SH-AWD 混合動力系統主要應用于Acura MDX車型，主要參數如表5所示。

表5 本田SH-AWD混合動力系統主要參數[16]

SH-AWD四驅混合動力系統沒有分動箱、中央差速器和差速鎖，SH-AWD通過對前后軸動力系統的控制協調，可以實現四輪驅動，并且通過調整后軸處2臺電機的動力輸出，可以在左右后輪之間形成扭矩差，從而提升彎道性能。

2.4 通用GRE混合動力系統

通用公司是除了豐田以外，少數幾家掌握功率分流混合動力先進技術的主機廠之一。2006年，通用聯合戴姆勒、寶馬及克萊斯勒公司，共同推出雙模式混合動力系統，該系統由三行星排雙電機組成，與豐田混合動力系統的單模式相比，結構更為復雜，也成就了動力分流最優化的通用公司新能源電驅動系統平臺，能夠滿足HEV、PHEV、REEV車型性能需求[13]。

基于相同的構型原理，通用公司就效率更高、動力性更好的雙星排雙電機、三行星排雙電機多種結構進行了更為深入的研發[18]，并陸續應用到量產車型上。

而在Cadillac CT6 混合動力車型上，搭載的是后輪驅動混合動力系統（Global Rear-wheel-drive EVT，GRE），這是一套更為復雜的混合動力系統，其構型如圖6所示。

圖6 通用GRE混合動力構型示意[13]

這套混合動力系統采用三行星排雙電機結構，發動機、雙電機可以通過不同的離合器分別接入其中的行星齒輪架、太陽輪和外齒圈[19]，更多的行星齒輪和離合器，意味著更大的變速范圍以及更靈活的動力分配模式。

通用GRE 混合動力系統和豐田LHD 混合動力系統同屬功率分流式混合動力系統，但前者具有輸入動力分流和混合動力分流多種模式，后者只有輸入動力分流一種模式。通用GRE 混合動力系統中具有發動機、電機1 和電機2 動力源，通過3 個行星齒輪和5 個離合器，能夠實現4 種純電模式和7 種增程模式[20]，各個模式間存在重疊，保證在全速度區間內都能夠得到良好的平順性及輸出特性，最終實現混合動力版車型CT6 能耗與性能的最佳平衡，解決低速和高速2 種工況下的最佳效率不能兼顧的問題。

通用GRE 混合動力系統其主要參數如表6 所示。這套混合動力系統中電機1為交流感應電機，電機2為永磁同步電機，這樣的組合在保證高功率輸出的同時，大幅度降低稀土磁性材料的使用，從而降低了成本。

表6 通用GRE混合動力系統主要參數[21]

2.5 寶馬eDrive混合動力系統

寶馬早在2008年開始電動化進程，在陸續推出多款測試車后，于2013 年正式量產BMWi 品牌下2 款混合動力車型i3 和i8。經過多年發展，如今寶馬已在3系、5系、7系、X5車系上推出多款混合動力車型，其發展歷程如圖7所示。

圖7 寶馬混合動力技術發展歷程

寶馬混合動力系列車型的關鍵技術在于具有電機和變速器結構一體化的典型P2 構型混合動力8AT 技術，8AT 中傳統變速器原來安裝液力變矩器的位置被一臺永磁同步電機取代，其構型如圖8 所示。

圖8 eDrive混合動力構型示意[22]

隨著全球各地對新能源汽車需求增多，寶馬推出了以電動機、高壓鋰離子電池和智能能量管理系統3大部件為核心的eDrive 混合動力技術。這種并聯式P2 構型，在離合器與變速器之間增加電機，通過電機實現純電動行駛、助力和調節發動機工作點以及制動能量回收功能[22]。

搭載eDrive混合動力系統的車輛工作模式如表7所示。

表7 寶馬eDrive混合動力系統工作模式

寶馬eDrive混合動力系統主要參數如表8所示。

表8 寶馬eDrive混合動力系統主要參數[21]

寶馬eDrive 混合動力系統對整車傳動系統改動小、成本低、結構簡單、控制方便，發動機和電機均可單獨作為動力源工作，不僅能提高系統可靠性，還能充分發揮歐洲汽車主機廠在傳統內燃機動力系統上的技術積累和技術優勢。

2.6 長城越野超級混合動力系統

2022年，長城汽車正式發布了越野超級混合動力架構，與寶馬eDrive 混合動力系統相似，同樣采用P2并聯式混合動力構型，搭載自主研發的9HAT 混合動力變速器，匹配2.0T 和3.0T 兩種高熱效率發動機，在提供強勁越野動力的同時，滿足用戶對低油耗、長續駛里程的核心需求，從而兼容戶外越野與城市出行需求，其主要參數如表9所示。

表9 長城越野超級混合動力系統主要參數[21]

3 縱置混合動力技術發展趨勢

3.1 縱置混合動力技術發展前景廣闊

在低碳經濟的推動下，混合動力汽車既具有傳統燃油汽車與新能源汽車的雙重優勢，又在節能減排與環保方面有著出色表現。同時，伴隨著電池、電機和電控系統及發動機的技術進步，縱置混合動力車型競爭力持續提升，已凸顯出比燃油車明顯的競爭優勢。目前，主流縱置混合動力系統構型對比如表10所示。

表10 混合動力系統構型對比

基于當前主流前置后驅混合動力技術衍變歷程，以及智能化、電動化的協同發展分析，總結發展趨勢如下：

（1）雙電機混合動力構型可實現在多種工作模式下，動力性和經濟性能得到更好地平衡，符合混合動力汽車取代傳統燃油車的發展需求。

（2）電機應用高性能電磁拓撲、多層扁線繞組、工況效率定向優化技術，實現混合動力系統高性能和小型化。

（3）變速器采用基于行星排的多擋傳動構型、大容量離合器和制動器無感結合、高效液壓及熱管理系統方案，在結構緊湊、換擋舒適、效率提升方面持續升級。

（4）動力電池功率密度及能量密度持續提升，帶來體積不斷減小，結合高效液冷技術，可提升電力驅動工況占比，并降低噪聲影響。

（5）通過功率分配策略合理優化，以及基于車路協同的能量管理策略，更好地實現混合動力系統在不同工況下的適應能力。

3.2 混合動力汽車技術研發競爭加劇

當前，世界各國都已經注意到了發展混合動力汽車的必要性，在未來的一段時間內，混合動力汽車發展必將面臨著激烈競爭。國內外很多新技術已經投放市場，各國也在多方面加強對于混合動力汽車技術開發的政策傾斜，已經進入產業化階段，技術發展相當迅速。競爭會帶來進步，未來我國混合動力汽車無論是在技術提升與創新、行業扶持和資金投入方面都會獲得更多機遇，而混合動力技術的迅速迭代也會大大降低生產成本、增強市場競爭力、提升市場占有率，未來發展前景十分廣闊。

4 結束語

隨著社會的快速發展，人們對于環保問題日益重視。前置后驅車型的混合動力化發展，能更好地切合與滿足用戶在節能與環保上的需求，更加受到青睞，將會成為中大型豪華車向新能源汽車發展過渡階段的重要支撐橋梁。因此，大力促進高油耗車型混合動力化發展，提升前置后驅混合動力技術水平，是前置后驅豪華車市場發展趨勢。