2015-01-24知識 ~~20170627更新~~ 最近這個回答又熱了起來。補充一些最近學習上汽電驅系統的心得拋磚引玉吧。 照例參照專欄文章 鍵盤俠專利拆解上汽電驅動系統 - 知乎專欄 一、 系統組成 如下為剛上市不久的上汽首款自主新能源SUV車型榮威eRX5的EDU電驅動系統介紹。由如下的介紹可見,EDU電驅動系統透過兩組離合器對發動機和兩台電機組成的三個動力源進行智能控制。 ↑上汽榮威eRX5 EDU電驅動系統介紹示意圖(來自上汽) 具體來說,上汽EDU電驅動系統包括液壓模組及齒輪組、ISG電機及整合離合器1和TM電機及整合離合器2組成。 液壓模組及齒輪組包括:液壓模組、液壓蓋、齒輪軸系、高壓線 ISG電機及整合離合器1包括:ISG殼體、ISG電機及旋變位置傳感器、C1離合器及驅動系統 TM電機及整合離合器2包括:TM後蓋、TM電機及旋變位置傳感器、C2離合器及驅動系統及TM殼體。 ↑上汽EDU電驅動系統爆炸檢視(來自上汽) 由如下上汽EDU電驅動系統組成框圖可見,其主要的功能為將發動機及ISG整合啟動電機、TM驅動電機的動力經兩檔變速箱及差速器輸送至車輪。 ↑上汽EDU電驅動系統組成框圖(來自上汽專利) 其具體的工作示意圖如下。可以看到發動機及ISG電機在兩檔齒輪組的左側,TM電機則位於兩檔齒輪組的右側。分別透過C1常開離合器和C2常閉離合器控制動力的結合或脫開。兩個電機都由電機控制器Inverter驅動。其能量來自高壓鋰電池。BMS電池管理模組負責監控電池的電量。HCU/TCU控制模組則負載混合動力模式的切換以及對應的換擋動作。 ↑上汽EDU電驅動系統工作原理示意圖(來自上汽TMC2015演講稿) 二、 液壓模組及齒輪組換擋機構 上文提到的兩檔齒輪組位於整個電驅變速箱EDU的中央部份。由液壓模組進行擋位選擇相關的控制。同時液壓模組還透過液壓活塞對C1,C2兩組離合器進行控制。 ↑上汽EDU電驅動拆解照片,液壓模組拆下後的齒輪組結構(來自汽車之家) 其中兩檔齒輪組部份主要包括輸入軸、一檔齒輪、二擋齒輪、同步器和差速器結構。其中一檔齒輪和二檔齒輪的選擇透過換擋撥叉完成。這一點和手動變速箱或者雙離合變速箱采用的機械結構非常類似。因此如果嚴格分類的話,這部份變速箱結構可以看成是AMT變速箱類別。而同步器則控制著三個動力源的動力是否與車輪脫開。其概念類似與傳統自動變速箱的N檔。同步器的脫開主要短時出現在擋位切換過程中,或者長時間出現在怠速充電或啟動發動機工況。 ↑上汽EDU電驅動拆解照片,齒輪組結構兩檔齒輪及同步器(來自汽車之家) ↑上汽EDU電驅動拆解照片,齒輪組結構差速器(來自汽車之家) 上汽EDU電驅動液壓模組是整個變速箱的電控核心。它包括電磁閥、儲能器、液壓模組、位置傳感器、閥體、撥叉、C1活塞總成、高壓油濾、油泵、C2活塞總成等部件。如下為具體的爆炸檢視和拆解照片。 ↑上汽EDU電驅動液壓模組爆炸檢視(來自上汽TMC2015演講稿) ↑上汽EDU電驅動拆解照片,液壓模組(來自汽車之家) 三、 動力電機及整合式離合器 ISG電機與TM電機組成了上汽EDU電驅動系統中綠芯動力部份,與發動機組成的藍芯部份配合輸出強大的動力。如下爆炸檢視所示,兩台電機的定子部份都做了水冷處理。用來最佳化電機的熱管理,從而最佳化長時間電機工作產生高溫下的表現。ISG電機和TM電機分別分布在兩檔齒輪組的兩側。內部份別整合了離合器C1和C2。從而控制動力的結合和脫開。 ↑上汽EDU電驅動系統TM電機及ISG電機爆炸檢視(來自上汽TMC2015演講稿) ↑上汽EDU電驅動系統TM電機及ISG電機透視檢視(來自網絡) ↑上汽EDU電驅動拆解照片,動力電機及整合式離合器(來自網絡) ISG電機和TM電機的定子和轉子結構分別如下。 ↑上汽EDU電驅動拆解照片,ISG電機定子及轉子(來自汽車之家) ↑上汽EDU電驅動拆解照片,TM電機定子(來自汽車之家) ↑上汽EDU電驅動拆解照片,TM電機轉子(來自汽車之家) 四、 工作模式 上汽EDU電驅動系統如下圖分別包含雙芯(ISG電機和TM電機組成的綠芯部份加發動機組成的藍芯部份)三核(如前提到的三個動力源),透過智能控制組成涵蓋純電、串聯、並聯、充電等共8種工作模式。 ↑上汽EDU電驅動系統雙芯三核及對應的八種模式示意圖(來自上汽) ↑上汽EDU電驅動系統的八種模式示意圖(來自上汽) 接下來具體來看這8種工作模式 1. 純電驅動模式 此模式下C1離合器斷開,C2離合器結合。由TM電機透過高壓電池的能量驅動車輛。 ↑上汽EDU電驅動系統純電驅動模式示意圖(來自上汽) ↑上汽EDU電驅動系統純電驅動模式示意圖(來自上汽) 2. 串聯驅動模式 此時C1離合器斷開,C2離合器結合。發動機工作透過ISG電機對高壓電池充電。由TM電機透過高壓電池的能量驅動車輛。 ↑上汽EDU電驅動系統串聯驅動模式示意圖(來自上汽) ↑上汽EDU電驅動系統串聯驅動模式示意圖(來自上汽) 3. 並聯驅動模式 此時C1和C2離合器均結合,此時發動機、ISG電機及TM電機都工作並輸出動力。該工況多用於急加速的場景。 ↑上汽EDU電驅動系統並聯驅動模式示意圖(來自上汽) ↑上汽EDU電驅動系統並聯驅動模式示意圖(來自上汽) 4. 能量回收模式 該能量回收模式既可以透過C1、C2離合器均結合時ISG和TM電機同時發電實作,也可以透過僅C2離合器結合由TM電機實作發電。從而靈活的回收制動能量。 ↑上汽EDU電驅動系統能量回收模式示意圖(來自上汽) ↑上汽EDU電驅動系統並聯驅動模式一示意圖(來自上汽) ↑上汽EDU電驅動系統並聯驅動模式二示意圖(來自上汽) 5. 行車充電模式 當電池電量低時,可切換至C1離合器結合,C2離合器斷開。從而讓發動機直接驅動車輛的同時,由ISG電機發電對電池進行充電。 ↑上汽EDU電驅動系統行車充電模式示意圖(來自上汽) ↑上汽EDU電驅動系統行車充電模式示意圖(來自上汽) 6. 發動機驅動模式 此時C1離合器結合,C2離合器斷開。發動機直接驅動車輛。ISG和TM電機都不工作。這種驅動模式多出現在發動機工作在高效轉速區域的工況下。比如在高速公路上中高速巡航駕駛。 ↑上汽EDU電驅動系統發動機驅動模式示意圖(來自上汽) ↑上汽EDU電驅動系統發動機驅動模式示意圖(來自上汽) 7. 怠速充電模式 當車輛靜止或者等紅燈時,C1離合器斷開,發動機透過ISG電機發電,對高壓電池充電。此時TM電機不工作。 ↑上汽EDU電驅動系統怠速充電模式示意圖(來自上汽) ↑上汽EDU電驅動系統怠速充電模式示意圖(來自上汽) 8.外接充電模式 此模式下,直接透過外接充電器對車輛的高壓電池進行充電。 ↑上汽EDU電驅動系統外接充電模式示意圖(來自上汽) ↑上汽EDU電驅動系統外接充電模式示意圖(來自上汽) 其實如果詳細查閱上汽相關專利的話,就會發現細節上其實工作模式超過8種。具體如下所示,只是某些工作模式由智能控制器切換,駕駛者感覺不到。因此某種程度上做了合並。可以看到幾乎所有的驅動模式都擁有一檔和二檔兩種工作狀態。對應地也給了該電驅動系統更靈活多變的工作模式。 ↑上汽EDU電驅動系統工作模式專利圖(來自上汽專利) 綜上所述,上汽EDU電驅動系統透過自主開發的兩檔齒輪組加雙電機及對應離合器組成的電驅動系統,達到了多樣的工作模式。如下總結表所示上汽EDU電驅動系統透過兩檔齒輪組與雙電機及對應離合器配合達到了小體積高效率的效果。雖然同屬雙電機電驅動系統,但由於兩檔齒輪組和兩組離合器的使用,繞開了豐田和本田對應的電驅動系統專利。同時實作了更多的工作模式和不錯的整合度。但由於使用兩檔齒輪組結構,換擋過程的控制始終是控制難點。如下圖換擋控制圖所示,首先需要同步器脫開實作動力短時中斷,相應電機再進行下一個擋位轉速扭矩的對接。其中換擋頓挫很難避免。透過不斷的改進以及對應專利的換擋策略開發,該部份駕駛感受正得到進一步的升級改善。 ↑上汽EDU電驅動系統效能參數匯總表(來自上汽TMC2015演講稿) ↑上汽EDU電驅動系統換擋切換過程示意圖(來自上汽TMC2015演講稿) 達到了不錯的效能,下一步是否是繼續降低整體電驅動系統的成本呢?據上汽不斷公布的官方詳細來看的話,上汽集團已經投入第二代電驅動系統的開發。如果留心如下專利的話,除了小星今天介紹的兩檔齒輪組加雙離合方案,上汽還擁有三離合器電驅動系統專利和額外的雙離合器加行星齒輪電驅動系統專利。會否考慮在第二代電驅動系統引入則有待更詳細的資訊公布啦。 實際上,小星主要是來羅列專利的 參考文獻及擴充套件閱讀 CN102085795A 一種車用離合器動力藕合約步器換檔混合動力驅動系統 CN102139615A 供熱通風與空調電控系統及混合動力汽車 CN102330757A 整合式離合器液壓缸及驅動系統 CN102330759B 液壓系統和包括其的混合動力車輛 CN102340211B 一種整合於電機轉子支架內的常開離合器和包括其的車輛 CN102463886A 混合動力傳動系統及其控制方法 CN103187832B 電機系統以及使用該電機系統的電動汽車或混合動力汽車 CN103475159A 驅動電機液冷冷卻裝置、其制造方法及驅動電機 CN103511618A 換擋執行裝置、包括其的電動汽車及換擋控制方法 CN201769685U 車輛用電驅動變速裝置 CN201802851U 換擋轉換機構 CN202756601U 換擋執行裝置及包括其的電動汽車 CN101920652A 一種車用串並聯雙電機多離合器混合動力驅動單元 CN101920653B 一種混合動力驅動系統的動力傳輸單元及傳輸控制方法 US8701808 Seriesparallel dual motor multi-clutch hybrid driving unit for vehicle US8727939 Hybrid electric drive unit, hybrid drive system and control method thereof ~~更新分割線~~ 目前市場上的混動車型主要分為兩大派。一派是雙電機動力分流,也就是榮威所使用的技術。另一派是單電機雙離合P2,也就是比亞迪所使用的技術。但是在細節上,兩家公司又透過各自的專利進行了相應的最佳化。當然問題和挑戰還是有的,兩家都在持續改進中,對應更新了很多專利。 先用之前寫的文章大概闡述一下吧,後期持續更新 作者:辣筆小星 連結:https:// zhuanlan.zhihu.com/p/22 580798 來源:知乎 著作權歸作者所有。商業轉載請聯系作者獲得授權,非商業轉載請註明出處。 隨著國家大力扶植新能源汽車行業,並且加大了插電式混合動力汽車的補貼力度,突然路上的混合動力汽車越來越多起來了。但是你知道實際上混合動力技術還分兩大陣營嗎?讓我們一起來看看這兩大陣營是分別如何基於各自的專利決戰中國的吧。 首先我們就來說說這兩大混合動力技術陣營分別是哪兩個門派吧。一大門派為雙電機動力分流(Power Split)派,其代表車企為豐田集團。另一大門派為單電機雙離合派,又稱P2(為啥叫P2我們後面詳細分解),其代表車企為大眾集團。一看兩個領軍車企分別位列全球銷量第一第二,有沒有?其中競爭激烈程度可想而知,而各車企決戰中國的砝碼就是各自的專利技術。話說要把這兩大陣營技術完整介紹清楚那必定寫成教科書那麽厚了。為了幫助各位更快的理解,我們這邊就挑最典型和容易理解的技術具體分析。大家感興趣的話就跟著文章一點一點深入研究吧。 雙電機動力分流派:顧名思義這個門派的最典型特征是有兩個電機一起和發動機配合實作混合動力模式。那麽我們首先說說雙電機動力分流派的特點: 1. 由兩套電機和行星輪系統組成eCVT,發動機一般工作在高效區,油耗低 2. 省略變速箱,不需要離合器,加速過程平穩 3. 兩套電機,系統相對復雜,成本相對較高 4. 發動機部份動力由電傳動,降低傳動效率 這個門派的宗師毋庸置疑就是豐田集團,代表車型就是目前全球銷量最好的混合動力車型豐田普銳斯。普銳斯最早在1997年開始銷售,發展到今天已經開發到了第三代。並且目前該混合動力技術已經推廣至豐田集團幾乎所有級別的車型上,包括卡羅拉混動版,凱美瑞混動版,漢蘭達混動版(海外),雷克薩斯CT200h,NX300h,RX450h,GS450h,LS600h,HS250h(海外)等等。根據豐田的官方數據,截止2014年9月豐田集團的混合動力車型累計銷量已經突破了700萬輛。而這些混合動力車型采用的都是豐田稱為混合協同驅動系統的HSD(Hybrid Synergy Drive)系統。豐田HSD系統的核心則是雙電機和動力分流裝置組成的eCVT電子無極變速箱。大家知道傳統的CVT無極變速箱是由連續可變的機械傳感裝置改變速比實作的。如下圖傳統CVT無極變速箱透過改變鋼帶所繞傳動軸的半徑連續改變速比。 但是豐田的eCVT系統並沒有以上的鋼帶組成的機械連續可變傳動系統,那它是透過什麽方法實作無極變速的呢?答案就是透過兩個電機的連續電控調速實作的。具體我們先來看一下這套eCVT系統的結構。如下分別是豐田普銳斯的eCVT系統刨面圖和動力部件示意框圖。 如上圖可以看到電機1(MG1)和電機2(MG2)中間隔了一個機械裝置,稱為動力分流裝置(Power Split Device)PSD。而發動機、電機1、電機2實際上是同軸的透過動力分流裝置連線在一起的。動力透過動力分流裝置再分配以後透過電機2傳輸到了車輪上。如果各位看官之前研究過自動變速箱的話,一定知道其中的一個核心機械裝置叫做行星齒輪組Planetary Gear Set。其實動力分流裝置就是一組行星齒輪組。行星齒輪由太陽輪Sun Gear(縮寫S),行星齒輪架Planetary Carrier(縮寫C),內齒齒圈Ring Gear(縮寫R)組成。3組齒輪依次由內而外像天文行星系統一樣繞著同一個中心點(即太陽輪的中心點)同軸旋轉。如下即為行星齒輪示意圖和豐田HSD系統連線圖。可以看到發動機連在行星齒輪架上,電機1連在太陽輪上,電機2連在內齒齒圈上並作為輸出軸。 豐田的設計師們透過行星齒輪組將速比設定成發動機與電機1的轉速差與發動機與電機2的轉速差比例為2.6:1。速比設定圖如下。電機2(右側)連線在輸出軸上可以在+6500轉/分到-1500轉/分之間連續調節。對應車輛的實際行駛速度分別為180公裏/小時和-40公裏/小時。而發動機(中間)的1000到4500轉/分之間調節,而發動機被設定在最高效率轉速區間2000轉~3000轉執行。電機1(左側)被設定成可以在+6500轉/分和-6500轉/分連續可調來配合發動機和電機2(車速)的轉速差。 由於豐田eCVT電子無極變速箱中並沒有配置自動變速箱中的其他核心元件,比如液力變矩器,離合器(Clutch),鎖止器(Brake)等等一概沒有配備。因此發動機並不能從傳動系統中脫開。為了在純電行駛的時候保持發動機靜止,因此需要透過電機1和電機2分別呈相反方向旋轉來使得發動機靜止(根據速比,此時電機1的轉速為電機2轉速的2.6倍)。由於電機1轉速範圍的限制,如果前進車速需要大於40公裏則發動機就必須啟動。除了以上提到的轉速關系以外,動力分流裝置還能夠在不同的行駛模式下將動能透過機械方式和電子方式輸送到需要車輪上或者儲存到電池內。如下兩種不同的驅動模式,上下兩圖左側的發動機和兩個電機的轉速幾乎是一樣的。但是上圖工作在發動機驅動模式中,動力從發動機透過機械方式從動力分流裝置輸送到車輪上,同時發動機的部份動力被用作電機1發電並驅動電機2給出動力輸出到車輪上。而下圖為減速工況,車輪上的動力被電機2產生的再生制動力(Regeneration Brake)回收發電充入電池中。同時車輪上的部份動力透過動力分流裝置輸送到發動機上,維持發動機怠速工作。 其實關於動力靈活的透過機械方式和電子方式進行傳輸還有一些高階的用法,我們會在國內車企的方案對比中提到,各位可以耐心的再往後看。 目前雙電機動力分流系統不僅僅是豐田集團在使用,比較有名的比如福特集團的蒙迪歐)(海外稱Fusion)混動版和通用雪佛蘭的沃藍達Volt都是使用類似的技術。不過文章標題提到的決戰中國,各個車企分別都在使用各自的專利進行激烈的市場競爭。說到專利大戰可謂錙銖必較,每個字每個字都要仔細地扣仔細地推敲。你還別不相信,我們這邊就說一個小故事。實際上福特和日本愛信(Aisin)變速箱公司聯合開發的混合動力系統要稍早於豐田混合動力系統申請專利。愛信的專利於1995年生效,專利號為US5419406。而豐田的專利於1999年生效,專利號為US5904631。並且實際上豐田和愛信使用的技術理念幾乎是相同的,就是之前提到的eCVT系統。如果按照正常的專利程式,豐田必須向愛信支付高額的專利費。但是在愛信專利的權利聲明中偏偏提到了「電機和減速齒輪同軸布置用來驅動左右車輪」。就是這個同軸「coaxially」這個詞局限了權利範圍。而豐田將電機2設計成和發動機以及電機1同軸,而與減速齒輪即到車輪的輸出軸錯開不在一個軸上,繞開了愛信專利中提到同軸「coaxially」概念。而通用雪佛蘭的沃藍達Volt使用的混合動力技術更是為了繞開專利,同時也為了更加靈活的輸出動力,使用了多達2組行星齒輪和3個離合器。同時成本也相應的大大增加。如下即為沃藍達Volt的混合動力系統示意圖。 各大車企決戰的砝碼除了前面提到的專利以外,作為傳統車企他們還將積累了幾十年的發動機技術加持到了相應的混合動力系統中。其中以豐田混動系統為代表的就是其使用的艾堅遜迴圈(Atkinson Cycle)發動機。艾堅遜迴圈發動機的特點就是膨脹比較壓縮比大,這樣雖然發動機動力沒有普通的奧托迴圈(Otto Cycle)發動機大,但是在特定轉速區域特別省油。這一點非常符合其eCVT系統的特點。eCVT系統能夠透過電機連續調速將發動機的轉速穩定在一個非常高效的轉速區間。如下即為艾堅遜迴圈和奧托迴圈發動機的比較,可以看到艾堅遜迴圈發動機扭矩要低於奧托迴圈,但是在2000~4000的轉速區間艾堅遜迴圈燃油效率更高,油耗更低。 關於艾堅遜發動機感興趣的話可以參考小弟之前寫得另一篇文章: 發動機適度尺寸理念,奧迪EA888三代半 單電機雙離合派:顧名思義這個門派的最典型特征是只有一個電機加上兩個離合器和發動機配合實作混合動力模式。那麽我們也先說說單電機雙離合派的特點: 1. 發動機和電機的動力全部機械傳動,傳動效率高 2. 電機動態範圍小,有利於最佳化電機效率 3. 理論油耗降低空間更大(目前油耗仍稍高於雙電機動力分流系統) 4. 變速箱技術成熟,單電機雙離合器系統成本低,易於快速推廣 5. 需求的電機扭矩功率小,速度範圍小,成本低 6. 易於過度到插電式混合動力(支持更高車速的純電行駛) 這個門派的宗師則是大眾集團。其實大眾集團原來對於混合動力這件事是拒絕的。他們聲稱我的直噴發動機加渦輪增加技術有望做到比混合動力更低的油耗,為什麽還要開發混合動力系統呢?但是架不住市場的電氣化潮流,大眾發現還是得按照市場要求開發對應的混合動力車型。於是乎duang,duang,duang一下子就完成了十幾款車型的開發,包括最早的Jetta混動版,和之後平台化的MQB以及MLB的混動車型。比如大眾高爾夫GTE,帕薩特GTE,Cross Blue GTE,奧迪Q5,A3,A6,Q7的e-tron插電混動版等等。之所以大眾在晚於豐田集團多年但是又能夠迅速趕上市場主流,並且完成幾乎所有車型的混動化部署的主要功臣就是這裏提到的單電機雙離合器混動系統。因為這套系統最大程度的與之前傳統動力的發動機和變速箱相容,只是在變速箱中整合了一個電機而已。並且由於有變速箱的幫助,電機的扭矩功率也不需要太大,成本相對能夠接受,體積也比較小。如下分別為奧迪Q5(MLB平台)電機和A3(MQB平台)的DQ400E變速箱整合電機示意圖。 目前不僅是大眾集團,其他多家車企也采用了類似的單電機加雙離合器系統,比如寶馬的530Le,X5 xdrive 40e,奔馳的C350eL,S500eL,GLE 500e,英菲尼迪M35hL等等車型。那麽我們此處就借用英菲尼迪M35hL的兩張示意圖來說明一下系統構成以及工作模式。首先如下圖所示電機位於兩個離合器之間。左側依次為發動機(第一位置),離合器1,電機(第二位置),離合器2,變速箱,輸出至車輪。由於電機處於發動機右側,變速箱左側的第二位置,因此也稱為P2系統。而上圖為電機純電行駛模式,此時電機透過離合器2結合變速箱驅動車輪前進,離合器1斷開發動機靜止。而下圖為發動機透過離合器1連線電機在透過離合器2結合變速箱驅動車輛前進的混合動力模式。 那麽單電機雙離合器系統也不是一個十全十美的系統,它存在的最大挑戰就是當車輛純電行駛的時候電機高速轉動,而發動機靜止,在如此高的轉速差下如果要切換成混合動力模式,啟動發動機的瞬間如何避免出現明顯的車速波動。為了解決好這個問題,各家都使出了看家本領並且申請的專利相互之間競爭。那麽我們就來看看大眾是怎麽去應對這個挑戰的。簡單來說大眾透過換擋的間隙進行電機的減扭然後與發動機結合的方法,將轉速波動限制在一個非常有限的範圍內,並且借助自身強大的變速箱技術使得轉速波動和動力中斷幾乎無法被察覺。感興趣的朋友可以參考一下大眾的專利US8020651。如下專利說明圖即來自所提到的專利文件。 那麽同樣的大眾集團也為自家的混合動力系統加持了非常優異的發動機技術。那就是MQB發動機橫置化平台中使用的帶主動閉缸ACT功能的EA211發動機。它大大降低了混合動力系統的油耗,同時也是和電機系統配合的絕佳選擇。 說完了混合動力技術的兩大門派和對應的宗師,讓我們再來看看國內車企開發的混合動力汽車分別屬於哪個陣營,又有一些什麽樣的中國特色吧。就目前的市場表現來說插電式混合動力車型賣的最好的還要數比亞迪秦和上汽榮威550Plug-in兩款車型。但你研究過他們屬於哪個混動技術陣營嗎?其實從配置來看,簡單地可以認為比亞迪秦只有一個電機並與雙離合變速箱配合工作因此屬於單電機雙離合器派。而上汽榮威550Plug-in由於有兩個電機應該屬於雙電機動力分流派。話說相對於國外車企有很多官方的宣稱資料介紹他們各自的混合動力系統,國內的車企對於各自的混動技術卻貌似並沒有那麽開放。唯一比較官方的渠道就是車企各自申請的專利。既然前面提到了專利大戰,那麽就讓我們隨著比亞迪和上汽的混合動力專利一起看看他們具體到底用了什麽樣的技術,又分別有些什麽樣的中國特色吧。 首先基於比亞迪的專利CN103029558A,可以看到雖然比亞迪秦屬於單電機雙離合器配置,但是其卻不是嚴格意義上的P2系統。因為按照如下專利圖電機被配置在了變速箱的末端。因此從最左側的發動機開過來,分別是發動機(第一位置),離合器,變速箱(第二位置),離合器,電機(第三位置)。因此業界將比亞迪這樣的系統定義為P3系統。 這樣設計可能有部份原因是需要避開國外的專利,但一個更重要的原因就是要適應中國關於新能源推廣的政策導向。如果大家註意目前的新能源政策的話,會發現目前重點扶植的方向是純電動汽車或者是能夠純電動行駛50公裏以上的插電式混動汽車。不難發現政策還是重電機純電行駛而輕發動機混合動力行駛。這可能與最早業界提出的彎道超車發展方向有一定的關系。既然發動機技術與國外有差距,不如發展電機驅動技術。至少與國外處於同一起跑線上起步。因此不管是比亞迪秦還是上汽榮威550Plug-in,其電機的驅動能力都要比國外的混合動力電機大不少,成本當然也要貴一些。另外一個體現國內重電機純電行駛而輕發動機混合動力行駛方面就是油耗的計算方法上。如果大家留意秦和550的廣告的話就會發現宣稱的油耗都只有2L甚至小於2L每百公裏的油耗。此處的油耗其實不是真正混合動力行駛模式下的工信部工況油耗,而是加入了純電行駛裏程後折算油耗。國外的混合動力汽車在混合動力模式下綜合油耗差不多都在4L~5L每百公裏之間,而根據車友的實際體驗秦和550的實際綜合油耗應該要大於7L每百公裏。因此油耗方面還是存在差距的,並且國家還是提倡盡量多的純電行駛。具體折算方法可以參考如下的說客文章。 混合動力汽車到底有多省油? 另一個需要提的一點就是前面提到的單電機雙離合器系統最大的挑戰就是如何克服純電行駛向混合動力行駛模式切換時發動機啟動造成的轉速波動。目前比亞迪秦的一些使用者反饋當發動機啟動以後就能夠明顯的感覺到頓挫,可能就是由於這個問題造成的。不過比亞迪也在不斷地設計控制策略改進中。 對應的基於上汽的專利CN101920652A,可以看到雖然比上汽榮威550 Plug-in屬於雙電機配置,但是其卻不是嚴格意義上的動力分流系統。從如下的專利說明圖中可以看到兩個電機之間原來動力分流裝置(行星齒輪組)的位置被替換成了離合器裝置。可能由於需要避開國外專利或者更靈活地控制混合動力模式的考慮,上汽的雙電機混合動力系統被設計成了透過兩個離合器進行耦合。業界也有稱如下系統為同軸耦合式混合動力系統的說法。 這樣的設計由於取消了動力分流裝置的速比控制,當離合器結合以後兩側的電機就需要保持同樣的轉速,或者就需要透過離合器斷開的情況下進行電子方式的動力傳輸(發動機帶動電機1發電,然後用電能驅動電機2帶動車輛前進)。這樣設計方式最大的挑戰就是如何讓發動機工作在一個合適的轉速區間內。根據車友的使用反饋,當550的發動機啟動工作進入混合動力模式時有時發動機會升高到非常高的的轉速(5000轉/分),此時發動機噪音很大同時油耗也很驚人。特別感覺臨界點好像被設計在了時速65公裏左右,一旦過了65公裏,發動機轉速就能夠下降到一個比較合理的範圍。可能其中一部份的原因就是取消動力分流裝置無法靈活控制速比導致的。那麽此處就要講一下豐田是如何透過前面提到的動力分流裝置將發動機的轉速控制在一個非常高效的範圍內的。如下三張圖分別是常規的混動控制模式,特殊能量再迴圈的混動控制模式,以及兩種模式之間的比較。可以看到豐田透過靈活地控制兩個電機的動力使得輸出到車輪的動力相同的情況下,發動機的轉速可以按需降低到一個合理的工作範圍。比如第三張圖左側為常規工作模式發動機轉速較高為2000轉以上,但是使用右側的特殊模式以後發動機轉速一下子降到了1500轉一下。 其實不管是上汽榮威550Plug-in還是比亞迪秦,兩家車企都在積極按照市場的範圍更新控制策略,使得使用者體驗不斷提升。比如之前提到的550在混動模式下小於時速65公裏是發動機轉速過高的問題就聽說已經透過控制策略升級明顯改善。希望越來越完善,越來越多的混合動力車型可以在中國的市場上推出,給各位車友便利的同時,也能夠改善環境何樂而不為呢?
~~20170627更新~~ 最近這個回答又熱了起來。補充一些最近學習上汽電驅系統的心得拋磚引玉吧。 照例參照專欄文章 鍵盤俠專利拆解上汽電驅動系統 - 知乎專欄 一、 系統組成 如下為剛上市不久的上汽首款自主新能源SUV車型榮威eRX5的EDU電驅動系統介紹。由如下的介紹可見,EDU電驅動系統透過兩組離合器對發動機和兩台電機組成的三個動力源進行智能控制。 ↑上汽榮威eRX5 EDU電驅動系統介紹示意圖(來自上汽) 具體來說,上汽EDU電驅動系統包括液壓模組及齒輪組、ISG電機及整合離合器1和TM電機及整合離合器2組成。 液壓模組及齒輪組包括:液壓模組、液壓蓋、齒輪軸系、高壓線 ISG電機及整合離合器1包括:ISG殼體、ISG電機及旋變位置傳感器、C1離合器及驅動系統 TM電機及整合離合器2包括:TM後蓋、TM電機及旋變位置傳感器、C2離合器及驅動系統及TM殼體。 ↑上汽EDU電驅動系統爆炸檢視(來自上汽) 由如下上汽EDU電驅動系統組成框圖可見,其主要的功能為將發動機及ISG整合啟動電機、TM驅動電機的動力經兩檔變速箱及差速器輸送至車輪。 ↑上汽EDU電驅動系統組成框圖(來自上汽專利) 其具體的工作示意圖如下。可以看到發動機及ISG電機在兩檔齒輪組的左側,TM電機則位於兩檔齒輪組的右側。分別透過C1常開離合器和C2常閉離合器控制動力的結合或脫開。兩個電機都由電機控制器Inverter驅動。其能量來自高壓鋰電池。BMS電池管理模組負責監控電池的電量。HCU/TCU控制模組則負載混合動力模式的切換以及對應的換擋動作。 ↑上汽EDU電驅動系統工作原理示意圖(來自上汽TMC2015演講稿) 二、 液壓模組及齒輪組換擋機構 上文提到的兩檔齒輪組位於整個電驅變速箱EDU的中央部份。由液壓模組進行擋位選擇相關的控制。同時液壓模組還透過液壓活塞對C1,C2兩組離合器進行控制。 ↑上汽EDU電驅動拆解照片,液壓模組拆下後的齒輪組結構(來自汽車之家) 其中兩檔齒輪組部份主要包括輸入軸、一檔齒輪、二擋齒輪、同步器和差速器結構。其中一檔齒輪和二檔齒輪的選擇透過換擋撥叉完成。這一點和手動變速箱或者雙離合變速箱采用的機械結構非常類似。因此如果嚴格分類的話,這部份變速箱結構可以看成是AMT變速箱類別。而同步器則控制著三個動力源的動力是否與車輪脫開。其概念類似與傳統自動變速箱的N檔。同步器的脫開主要短時出現在擋位切換過程中,或者長時間出現在怠速充電或啟動發動機工況。 ↑上汽EDU電驅動拆解照片,齒輪組結構兩檔齒輪及同步器(來自汽車之家) ↑上汽EDU電驅動拆解照片,齒輪組結構差速器(來自汽車之家) 上汽EDU電驅動液壓模組是整個變速箱的電控核心。它包括電磁閥、儲能器、液壓模組、位置傳感器、閥體、撥叉、C1活塞總成、高壓油濾、油泵、C2活塞總成等部件。如下為具體的爆炸檢視和拆解照片。 ↑上汽EDU電驅動液壓模組爆炸檢視(來自上汽TMC2015演講稿) ↑上汽EDU電驅動拆解照片,液壓模組(來自汽車之家) 三、 動力電機及整合式離合器 ISG電機與TM電機組成了上汽EDU電驅動系統中綠芯動力部份,與發動機組成的藍芯部份配合輸出強大的動力。如下爆炸檢視所示,兩台電機的定子部份都做了水冷處理。用來最佳化電機的熱管理,從而最佳化長時間電機工作產生高溫下的表現。ISG電機和TM電機分別分布在兩檔齒輪組的兩側。內部份別整合了離合器C1和C2。從而控制動力的結合和脫開。 ↑上汽EDU電驅動系統TM電機及ISG電機爆炸檢視(來自上汽TMC2015演講稿) ↑上汽EDU電驅動系統TM電機及ISG電機透視檢視(來自網絡) ↑上汽EDU電驅動拆解照片,動力電機及整合式離合器(來自網絡) ISG電機和TM電機的定子和轉子結構分別如下。 ↑上汽EDU電驅動拆解照片,ISG電機定子及轉子(來自汽車之家) ↑上汽EDU電驅動拆解照片,TM電機定子(來自汽車之家) ↑上汽EDU電驅動拆解照片,TM電機轉子(來自汽車之家) 四、 工作模式 上汽EDU電驅動系統如下圖分別包含雙芯(ISG電機和TM電機組成的綠芯部份加發動機組成的藍芯部份)三核(如前提到的三個動力源),透過智能控制組成涵蓋純電、串聯、並聯、充電等共8種工作模式。 ↑上汽EDU電驅動系統雙芯三核及對應的八種模式示意圖(來自上汽) ↑上汽EDU電驅動系統的八種模式示意圖(來自上汽) 接下來具體來看這8種工作模式 1. 純電驅動模式 此模式下C1離合器斷開,C2離合器結合。由TM電機透過高壓電池的能量驅動車輛。 ↑上汽EDU電驅動系統純電驅動模式示意圖(來自上汽) ↑上汽EDU電驅動系統純電驅動模式示意圖(來自上汽) 2. 串聯驅動模式 此時C1離合器斷開,C2離合器結合。發動機工作透過ISG電機對高壓電池充電。由TM電機透過高壓電池的能量驅動車輛。 ↑上汽EDU電驅動系統串聯驅動模式示意圖(來自上汽) ↑上汽EDU電驅動系統串聯驅動模式示意圖(來自上汽) 3. 並聯驅動模式 此時C1和C2離合器均結合,此時發動機、ISG電機及TM電機都工作並輸出動力。該工況多用於急加速的場景。 ↑上汽EDU電驅動系統並聯驅動模式示意圖(來自上汽) ↑上汽EDU電驅動系統並聯驅動模式示意圖(來自上汽) 4. 能量回收模式 該能量回收模式既可以透過C1、C2離合器均結合時ISG和TM電機同時發電實作,也可以透過僅C2離合器結合由TM電機實作發電。從而靈活的回收制動能量。 ↑上汽EDU電驅動系統能量回收模式示意圖(來自上汽) ↑上汽EDU電驅動系統並聯驅動模式一示意圖(來自上汽) ↑上汽EDU電驅動系統並聯驅動模式二示意圖(來自上汽) 5. 行車充電模式 當電池電量低時,可切換至C1離合器結合,C2離合器斷開。從而讓發動機直接驅動車輛的同時,由ISG電機發電對電池進行充電。 ↑上汽EDU電驅動系統行車充電模式示意圖(來自上汽) ↑上汽EDU電驅動系統行車充電模式示意圖(來自上汽) 6. 發動機驅動模式 此時C1離合器結合,C2離合器斷開。發動機直接驅動車輛。ISG和TM電機都不工作。這種驅動模式多出現在發動機工作在高效轉速區域的工況下。比如在高速公路上中高速巡航駕駛。 ↑上汽EDU電驅動系統發動機驅動模式示意圖(來自上汽) ↑上汽EDU電驅動系統發動機驅動模式示意圖(來自上汽) 7. 怠速充電模式 當車輛靜止或者等紅燈時,C1離合器斷開,發動機透過ISG電機發電,對高壓電池充電。此時TM電機不工作。 ↑上汽EDU電驅動系統怠速充電模式示意圖(來自上汽) ↑上汽EDU電驅動系統怠速充電模式示意圖(來自上汽) 8.外接充電模式 此模式下,直接透過外接充電器對車輛的高壓電池進行充電。 ↑上汽EDU電驅動系統外接充電模式示意圖(來自上汽) ↑上汽EDU電驅動系統外接充電模式示意圖(來自上汽) 其實如果詳細查閱上汽相關專利的話,就會發現細節上其實工作模式超過8種。具體如下所示,只是某些工作模式由智能控制器切換,駕駛者感覺不到。因此某種程度上做了合並。可以看到幾乎所有的驅動模式都擁有一檔和二檔兩種工作狀態。對應地也給了該電驅動系統更靈活多變的工作模式。 ↑上汽EDU電驅動系統工作模式專利圖(來自上汽專利) 綜上所述,上汽EDU電驅動系統透過自主開發的兩檔齒輪組加雙電機及對應離合器組成的電驅動系統,達到了多樣的工作模式。如下總結表所示上汽EDU電驅動系統透過兩檔齒輪組與雙電機及對應離合器配合達到了小體積高效率的效果。雖然同屬雙電機電驅動系統,但由於兩檔齒輪組和兩組離合器的使用,繞開了豐田和本田對應的電驅動系統專利。同時實作了更多的工作模式和不錯的整合度。但由於使用兩檔齒輪組結構,換擋過程的控制始終是控制難點。如下圖換擋控制圖所示,首先需要同步器脫開實作動力短時中斷,相應電機再進行下一個擋位轉速扭矩的對接。其中換擋頓挫很難避免。透過不斷的改進以及對應專利的換擋策略開發,該部份駕駛感受正得到進一步的升級改善。 ↑上汽EDU電驅動系統效能參數匯總表(來自上汽TMC2015演講稿) ↑上汽EDU電驅動系統換擋切換過程示意圖(來自上汽TMC2015演講稿) 達到了不錯的效能,下一步是否是繼續降低整體電驅動系統的成本呢?據上汽不斷公布的官方詳細來看的話,上汽集團已經投入第二代電驅動系統的開發。如果留心如下專利的話,除了小星今天介紹的兩檔齒輪組加雙離合方案,上汽還擁有三離合器電驅動系統專利和額外的雙離合器加行星齒輪電驅動系統專利。會否考慮在第二代電驅動系統引入則有待更詳細的資訊公布啦。 實際上,小星主要是來羅列專利的 參考文獻及擴充套件閱讀 CN102085795A 一種車用離合器動力藕合約步器換檔混合動力驅動系統 CN102139615A 供熱通風與空調電控系統及混合動力汽車 CN102330757A 整合式離合器液壓缸及驅動系統 CN102330759B 液壓系統和包括其的混合動力車輛 CN102340211B 一種整合於電機轉子支架內的常開離合器和包括其的車輛 CN102463886A 混合動力傳動系統及其控制方法 CN103187832B 電機系統以及使用該電機系統的電動汽車或混合動力汽車 CN103475159A 驅動電機液冷冷卻裝置、其制造方法及驅動電機 CN103511618A 換擋執行裝置、包括其的電動汽車及換擋控制方法 CN201769685U 車輛用電驅動變速裝置 CN201802851U 換擋轉換機構 CN202756601U 換擋執行裝置及包括其的電動汽車 CN101920652A 一種車用串並聯雙電機多離合器混合動力驅動單元 CN101920653B 一種混合動力驅動系統的動力傳輸單元及傳輸控制方法 US8701808 Seriesparallel dual motor multi-clutch hybrid driving unit for vehicle US8727939 Hybrid electric drive unit, hybrid drive system and control method thereof ~~更新分割線~~ 目前市場上的混動車型主要分為兩大派。一派是雙電機動力分流,也就是榮威所使用的技術。另一派是單電機雙離合P2,也就是比亞迪所使用的技術。但是在細節上,兩家公司又透過各自的專利進行了相應的最佳化。當然問題和挑戰還是有的,兩家都在持續改進中,對應更新了很多專利。 先用之前寫的文章大概闡述一下吧,後期持續更新 作者:辣筆小星 連結:https:// zhuanlan.zhihu.com/p/22 580798 來源:知乎 著作權歸作者所有。商業轉載請聯系作者獲得授權,非商業轉載請註明出處。 隨著國家大力扶植新能源汽車行業,並且加大了插電式混合動力汽車的補貼力度,突然路上的混合動力汽車越來越多起來了。但是你知道實際上混合動力技術還分兩大陣營嗎?讓我們一起來看看這兩大陣營是分別如何基於各自的專利決戰中國的吧。 首先我們就來說說這兩大混合動力技術陣營分別是哪兩個門派吧。一大門派為雙電機動力分流(Power Split)派,其代表車企為豐田集團。另一大門派為單電機雙離合派,又稱P2(為啥叫P2我們後面詳細分解),其代表車企為大眾集團。一看兩個領軍車企分別位列全球銷量第一第二,有沒有?其中競爭激烈程度可想而知,而各車企決戰中國的砝碼就是各自的專利技術。話說要把這兩大陣營技術完整介紹清楚那必定寫成教科書那麽厚了。為了幫助各位更快的理解,我們這邊就挑最典型和容易理解的技術具體分析。大家感興趣的話就跟著文章一點一點深入研究吧。 雙電機動力分流派:顧名思義這個門派的最典型特征是有兩個電機一起和發動機配合實作混合動力模式。那麽我們首先說說雙電機動力分流派的特點: 1. 由兩套電機和行星輪系統組成eCVT,發動機一般工作在高效區,油耗低 2. 省略變速箱,不需要離合器,加速過程平穩 3. 兩套電機,系統相對復雜,成本相對較高 4. 發動機部份動力由電傳動,降低傳動效率 這個門派的宗師毋庸置疑就是豐田集團,代表車型就是目前全球銷量最好的混合動力車型豐田普銳斯。普銳斯最早在1997年開始銷售,發展到今天已經開發到了第三代。並且目前該混合動力技術已經推廣至豐田集團幾乎所有級別的車型上,包括卡羅拉混動版,凱美瑞混動版,漢蘭達混動版(海外),雷克薩斯CT200h,NX300h,RX450h,GS450h,LS600h,HS250h(海外)等等。根據豐田的官方數據,截止2014年9月豐田集團的混合動力車型累計銷量已經突破了700萬輛。而這些混合動力車型采用的都是豐田稱為混合協同驅動系統的HSD(Hybrid Synergy Drive)系統。豐田HSD系統的核心則是雙電機和動力分流裝置組成的eCVT電子無極變速箱。大家知道傳統的CVT無極變速箱是由連續可變的機械傳感裝置改變速比實作的。如下圖傳統CVT無極變速箱透過改變鋼帶所繞傳動軸的半徑連續改變速比。 但是豐田的eCVT系統並沒有以上的鋼帶組成的機械連續可變傳動系統,那它是透過什麽方法實作無極變速的呢?答案就是透過兩個電機的連續電控調速實作的。具體我們先來看一下這套eCVT系統的結構。如下分別是豐田普銳斯的eCVT系統刨面圖和動力部件示意框圖。 如上圖可以看到電機1(MG1)和電機2(MG2)中間隔了一個機械裝置,稱為動力分流裝置(Power Split Device)PSD。而發動機、電機1、電機2實際上是同軸的透過動力分流裝置連線在一起的。動力透過動力分流裝置再分配以後透過電機2傳輸到了車輪上。如果各位看官之前研究過自動變速箱的話,一定知道其中的一個核心機械裝置叫做行星齒輪組Planetary Gear Set。其實動力分流裝置就是一組行星齒輪組。行星齒輪由太陽輪Sun Gear(縮寫S),行星齒輪架Planetary Carrier(縮寫C),內齒齒圈Ring Gear(縮寫R)組成。3組齒輪依次由內而外像天文行星系統一樣繞著同一個中心點(即太陽輪的中心點)同軸旋轉。如下即為行星齒輪示意圖和豐田HSD系統連線圖。可以看到發動機連在行星齒輪架上,電機1連在太陽輪上,電機2連在內齒齒圈上並作為輸出軸。 豐田的設計師們透過行星齒輪組將速比設定成發動機與電機1的轉速差與發動機與電機2的轉速差比例為2.6:1。速比設定圖如下。電機2(右側)連線在輸出軸上可以在+6500轉/分到-1500轉/分之間連續調節。對應車輛的實際行駛速度分別為180公裏/小時和-40公裏/小時。而發動機(中間)的1000到4500轉/分之間調節,而發動機被設定在最高效率轉速區間2000轉~3000轉執行。電機1(左側)被設定成可以在+6500轉/分和-6500轉/分連續可調來配合發動機和電機2(車速)的轉速差。 由於豐田eCVT電子無極變速箱中並沒有配置自動變速箱中的其他核心元件,比如液力變矩器,離合器(Clutch),鎖止器(Brake)等等一概沒有配備。因此發動機並不能從傳動系統中脫開。為了在純電行駛的時候保持發動機靜止,因此需要透過電機1和電機2分別呈相反方向旋轉來使得發動機靜止(根據速比,此時電機1的轉速為電機2轉速的2.6倍)。由於電機1轉速範圍的限制,如果前進車速需要大於40公裏則發動機就必須啟動。除了以上提到的轉速關系以外,動力分流裝置還能夠在不同的行駛模式下將動能透過機械方式和電子方式輸送到需要車輪上或者儲存到電池內。如下兩種不同的驅動模式,上下兩圖左側的發動機和兩個電機的轉速幾乎是一樣的。但是上圖工作在發動機驅動模式中,動力從發動機透過機械方式從動力分流裝置輸送到車輪上,同時發動機的部份動力被用作電機1發電並驅動電機2給出動力輸出到車輪上。而下圖為減速工況,車輪上的動力被電機2產生的再生制動力(Regeneration Brake)回收發電充入電池中。同時車輪上的部份動力透過動力分流裝置輸送到發動機上,維持發動機怠速工作。 其實關於動力靈活的透過機械方式和電子方式進行傳輸還有一些高階的用法,我們會在國內車企的方案對比中提到,各位可以耐心的再往後看。 目前雙電機動力分流系統不僅僅是豐田集團在使用,比較有名的比如福特集團的蒙迪歐)(海外稱Fusion)混動版和通用雪佛蘭的沃藍達Volt都是使用類似的技術。不過文章標題提到的決戰中國,各個車企分別都在使用各自的專利進行激烈的市場競爭。說到專利大戰可謂錙銖必較,每個字每個字都要仔細地扣仔細地推敲。你還別不相信,我們這邊就說一個小故事。實際上福特和日本愛信(Aisin)變速箱公司聯合開發的混合動力系統要稍早於豐田混合動力系統申請專利。愛信的專利於1995年生效,專利號為US5419406。而豐田的專利於1999年生效,專利號為US5904631。並且實際上豐田和愛信使用的技術理念幾乎是相同的,就是之前提到的eCVT系統。如果按照正常的專利程式,豐田必須向愛信支付高額的專利費。但是在愛信專利的權利聲明中偏偏提到了「電機和減速齒輪同軸布置用來驅動左右車輪」。就是這個同軸「coaxially」這個詞局限了權利範圍。而豐田將電機2設計成和發動機以及電機1同軸,而與減速齒輪即到車輪的輸出軸錯開不在一個軸上,繞開了愛信專利中提到同軸「coaxially」概念。而通用雪佛蘭的沃藍達Volt使用的混合動力技術更是為了繞開專利,同時也為了更加靈活的輸出動力,使用了多達2組行星齒輪和3個離合器。同時成本也相應的大大增加。如下即為沃藍達Volt的混合動力系統示意圖。 各大車企決戰的砝碼除了前面提到的專利以外,作為傳統車企他們還將積累了幾十年的發動機技術加持到了相應的混合動力系統中。其中以豐田混動系統為代表的就是其使用的艾堅遜迴圈(Atkinson Cycle)發動機。艾堅遜迴圈發動機的特點就是膨脹比較壓縮比大,這樣雖然發動機動力沒有普通的奧托迴圈(Otto Cycle)發動機大,但是在特定轉速區域特別省油。這一點非常符合其eCVT系統的特點。eCVT系統能夠透過電機連續調速將發動機的轉速穩定在一個非常高效的轉速區間。如下即為艾堅遜迴圈和奧托迴圈發動機的比較,可以看到艾堅遜迴圈發動機扭矩要低於奧托迴圈,但是在2000~4000的轉速區間艾堅遜迴圈燃油效率更高,油耗更低。 關於艾堅遜發動機感興趣的話可以參考小弟之前寫得另一篇文章: 發動機適度尺寸理念,奧迪EA888三代半 單電機雙離合派:顧名思義這個門派的最典型特征是只有一個電機加上兩個離合器和發動機配合實作混合動力模式。那麽我們也先說說單電機雙離合派的特點: 1. 發動機和電機的動力全部機械傳動,傳動效率高 2. 電機動態範圍小,有利於最佳化電機效率 3. 理論油耗降低空間更大(目前油耗仍稍高於雙電機動力分流系統) 4. 變速箱技術成熟,單電機雙離合器系統成本低,易於快速推廣 5. 需求的電機扭矩功率小,速度範圍小,成本低 6. 易於過度到插電式混合動力(支持更高車速的純電行駛) 這個門派的宗師則是大眾集團。其實大眾集團原來對於混合動力這件事是拒絕的。他們聲稱我的直噴發動機加渦輪增加技術有望做到比混合動力更低的油耗,為什麽還要開發混合動力系統呢?但是架不住市場的電氣化潮流,大眾發現還是得按照市場要求開發對應的混合動力車型。於是乎duang,duang,duang一下子就完成了十幾款車型的開發,包括最早的Jetta混動版,和之後平台化的MQB以及MLB的混動車型。比如大眾高爾夫GTE,帕薩特GTE,Cross Blue GTE,奧迪Q5,A3,A6,Q7的e-tron插電混動版等等。之所以大眾在晚於豐田集團多年但是又能夠迅速趕上市場主流,並且完成幾乎所有車型的混動化部署的主要功臣就是這裏提到的單電機雙離合器混動系統。因為這套系統最大程度的與之前傳統動力的發動機和變速箱相容,只是在變速箱中整合了一個電機而已。並且由於有變速箱的幫助,電機的扭矩功率也不需要太大,成本相對能夠接受,體積也比較小。如下分別為奧迪Q5(MLB平台)電機和A3(MQB平台)的DQ400E變速箱整合電機示意圖。 目前不僅是大眾集團,其他多家車企也采用了類似的單電機加雙離合器系統,比如寶馬的530Le,X5 xdrive 40e,奔馳的C350eL,S500eL,GLE 500e,英菲尼迪M35hL等等車型。那麽我們此處就借用英菲尼迪M35hL的兩張示意圖來說明一下系統構成以及工作模式。首先如下圖所示電機位於兩個離合器之間。左側依次為發動機(第一位置),離合器1,電機(第二位置),離合器2,變速箱,輸出至車輪。由於電機處於發動機右側,變速箱左側的第二位置,因此也稱為P2系統。而上圖為電機純電行駛模式,此時電機透過離合器2結合變速箱驅動車輪前進,離合器1斷開發動機靜止。而下圖為發動機透過離合器1連線電機在透過離合器2結合變速箱驅動車輛前進的混合動力模式。 那麽單電機雙離合器系統也不是一個十全十美的系統,它存在的最大挑戰就是當車輛純電行駛的時候電機高速轉動,而發動機靜止,在如此高的轉速差下如果要切換成混合動力模式,啟動發動機的瞬間如何避免出現明顯的車速波動。為了解決好這個問題,各家都使出了看家本領並且申請的專利相互之間競爭。那麽我們就來看看大眾是怎麽去應對這個挑戰的。簡單來說大眾透過換擋的間隙進行電機的減扭然後與發動機結合的方法,將轉速波動限制在一個非常有限的範圍內,並且借助自身強大的變速箱技術使得轉速波動和動力中斷幾乎無法被察覺。感興趣的朋友可以參考一下大眾的專利US8020651。如下專利說明圖即來自所提到的專利文件。 那麽同樣的大眾集團也為自家的混合動力系統加持了非常優異的發動機技術。那就是MQB發動機橫置化平台中使用的帶主動閉缸ACT功能的EA211發動機。它大大降低了混合動力系統的油耗,同時也是和電機系統配合的絕佳選擇。 說完了混合動力技術的兩大門派和對應的宗師,讓我們再來看看國內車企開發的混合動力汽車分別屬於哪個陣營,又有一些什麽樣的中國特色吧。就目前的市場表現來說插電式混合動力車型賣的最好的還要數比亞迪秦和上汽榮威550Plug-in兩款車型。但你研究過他們屬於哪個混動技術陣營嗎?其實從配置來看,簡單地可以認為比亞迪秦只有一個電機並與雙離合變速箱配合工作因此屬於單電機雙離合器派。而上汽榮威550Plug-in由於有兩個電機應該屬於雙電機動力分流派。話說相對於國外車企有很多官方的宣稱資料介紹他們各自的混合動力系統,國內的車企對於各自的混動技術卻貌似並沒有那麽開放。唯一比較官方的渠道就是車企各自申請的專利。既然前面提到了專利大戰,那麽就讓我們隨著比亞迪和上汽的混合動力專利一起看看他們具體到底用了什麽樣的技術,又分別有些什麽樣的中國特色吧。 首先基於比亞迪的專利CN103029558A,可以看到雖然比亞迪秦屬於單電機雙離合器配置,但是其卻不是嚴格意義上的P2系統。因為按照如下專利圖電機被配置在了變速箱的末端。因此從最左側的發動機開過來,分別是發動機(第一位置),離合器,變速箱(第二位置),離合器,電機(第三位置)。因此業界將比亞迪這樣的系統定義為P3系統。 這樣設計可能有部份原因是需要避開國外的專利,但一個更重要的原因就是要適應中國關於新能源推廣的政策導向。如果大家註意目前的新能源政策的話,會發現目前重點扶植的方向是純電動汽車或者是能夠純電動行駛50公裏以上的插電式混動汽車。不難發現政策還是重電機純電行駛而輕發動機混合動力行駛。這可能與最早業界提出的彎道超車發展方向有一定的關系。既然發動機技術與國外有差距,不如發展電機驅動技術。至少與國外處於同一起跑線上起步。因此不管是比亞迪秦還是上汽榮威550Plug-in,其電機的驅動能力都要比國外的混合動力電機大不少,成本當然也要貴一些。另外一個體現國內重電機純電行駛而輕發動機混合動力行駛方面就是油耗的計算方法上。如果大家留意秦和550的廣告的話就會發現宣稱的油耗都只有2L甚至小於2L每百公裏的油耗。此處的油耗其實不是真正混合動力行駛模式下的工信部工況油耗,而是加入了純電行駛裏程後折算油耗。國外的混合動力汽車在混合動力模式下綜合油耗差不多都在4L~5L每百公裏之間,而根據車友的實際體驗秦和550的實際綜合油耗應該要大於7L每百公裏。因此油耗方面還是存在差距的,並且國家還是提倡盡量多的純電行駛。具體折算方法可以參考如下的說客文章。 混合動力汽車到底有多省油? 另一個需要提的一點就是前面提到的單電機雙離合器系統最大的挑戰就是如何克服純電行駛向混合動力行駛模式切換時發動機啟動造成的轉速波動。目前比亞迪秦的一些使用者反饋當發動機啟動以後就能夠明顯的感覺到頓挫,可能就是由於這個問題造成的。不過比亞迪也在不斷地設計控制策略改進中。 對應的基於上汽的專利CN101920652A,可以看到雖然比上汽榮威550 Plug-in屬於雙電機配置,但是其卻不是嚴格意義上的動力分流系統。從如下的專利說明圖中可以看到兩個電機之間原來動力分流裝置(行星齒輪組)的位置被替換成了離合器裝置。可能由於需要避開國外專利或者更靈活地控制混合動力模式的考慮,上汽的雙電機混合動力系統被設計成了透過兩個離合器進行耦合。業界也有稱如下系統為同軸耦合式混合動力系統的說法。 這樣的設計由於取消了動力分流裝置的速比控制,當離合器結合以後兩側的電機就需要保持同樣的轉速,或者就需要透過離合器斷開的情況下進行電子方式的動力傳輸(發動機帶動電機1發電,然後用電能驅動電機2帶動車輛前進)。這樣設計方式最大的挑戰就是如何讓發動機工作在一個合適的轉速區間內。根據車友的使用反饋,當550的發動機啟動工作進入混合動力模式時有時發動機會升高到非常高的的轉速(5000轉/分),此時發動機噪音很大同時油耗也很驚人。特別感覺臨界點好像被設計在了時速65公裏左右,一旦過了65公裏,發動機轉速就能夠下降到一個比較合理的範圍。可能其中一部份的原因就是取消動力分流裝置無法靈活控制速比導致的。那麽此處就要講一下豐田是如何透過前面提到的動力分流裝置將發動機的轉速控制在一個非常高效的範圍內的。如下三張圖分別是常規的混動控制模式,特殊能量再迴圈的混動控制模式,以及兩種模式之間的比較。可以看到豐田透過靈活地控制兩個電機的動力使得輸出到車輪的動力相同的情況下,發動機的轉速可以按需降低到一個合理的工作範圍。比如第三張圖左側為常規工作模式發動機轉速較高為2000轉以上,但是使用右側的特殊模式以後發動機轉速一下子降到了1500轉一下。 其實不管是上汽榮威550Plug-in還是比亞迪秦,兩家車企都在積極按照市場的範圍更新控制策略,使得使用者體驗不斷提升。比如之前提到的550在混動模式下小於時速65公裏是發動機轉速過高的問題就聽說已經透過控制策略升級明顯改善。希望越來越完善,越來越多的混合動力車型可以在中國的市場上推出,給各位車友便利的同時,也能夠改善環境何樂而不為呢?