从专利分析角度看比亚迪插电混动架构技术路线

陈正军 苏海新 文/图

前言

随着城市化进程不断加快和汽车保有量的持续增加、石油资源的渐趋匮乏、机动车排放的污染物造成空气质量的日益恶化，使得开发低排放低油耗的新型汽车成为当今世界汽车发展的紧迫任务。电动汽车是一种电力驱动的道路交通工具。电动汽车包括纯电动汽车、混合动力电动汽车(简称HEV)和燃料电池电动汽车，是理想的零排放或低排放车辆，而且具有无污染、低噪声、结构简单、维修方便等优点，并且还可以利用煤炭、水利等其它非石油资源，因此，是解决问题最有效的途径。其中，融合内燃机汽车和电动汽车优点的混合动力电动汽车(HEV)，在世界范围内成为新型汽车开发的热点，成为当前解决节能、环保问题切实可行的过渡方案。

使用专利信息对技术创新与科技管理方面进行研究得到越来越多学者们的关注，专利信息为跟踪技术变化提供了非常有价值的信息来源。通过对专利信息的研究，学者们可以掌握一个国家或某一产业的技术发展水平，也可以了解某一组织的创新侧重点、技术竞争力以及技术扩散情况等。

本文拟通过分析混动领域重点申请人的专利情况，研究其技术发展路线，可以供产业界了解最新技术发展情况、竞争对手的技术发展趋势和未来的企业发展方向。

插电混动架构技术简介

现在大部分的HEV 是在传统的发动机汽车上增加高性能动力蓄电池组作为电能存储装置，通过电动机/发电机将电能转化为机械能。根据HEV 零部件的种类、数量和连接关系可以将HEV 的动力系统分为3 种基本结构类型：串联式、并联式和混联式。

对于单电机的混合动力系统，根据电机相对于传统动力系统的位置，可以把单电机混动方案分为五类，分别以P0、P1、P2、P3、P4 命名。用来区分各种有变速器的并联与串并联(混联)混动构型。

P0 位于发动机前端附件驱动系统，也就是普通汽车逆变器的位置。P0 一般只应用于自动启停系统，以及12-25V微混和48V 弱混。

P1 电机放在发动机后离合器前原来飞轮位置，与P0 相仿，只不过P1 将ISG 固连在发动机，取代传统的飞轮，发动机曲轴充当ISG 电机的转子，所以同样支持发动机启停、制动能量回收发电。

P2 布置在发动机和变速器中间，P2在纯电动模式下可以和发动机断开连接， P2 的模式是：发动机-离合器1-电机

-离合器2-变速器-差速器-车轮。P2 是目前市面混动车型采用最多的模式。

P3 是电机放在变速器后面直接驱动主减，模式是：发动机-离合器--变速器-电机-减速器-车轮。P3 模式下的纯电动驱动需要克服前面被拖动的变速器的加速阻力，电机的换挡是无级且无动力中断。相比电机在变速器前的P0、P1 和P2 布局，P3 最主要的优势是纯电驱动和动能回收的效率，其缺点是电机无法与变速器或发动机进行整合，需要占用额外的体积。P3 比较适合后驱车，有充足的空间予以布置，也可以增加P0 位置的BSG 电机连上高压电，由此变身为“P0-P3 构型”的串并联混动。

P4 模式是把电动机放在驱动桥，直接驱动车轮。P4 布局的电机既可以通过链条或齿轮驱动前轴/后轴，也可以干在一侧取消轮轴，而直接用2 个轮毂电机，P4 布局最大的特点是，电机与发动机不驱动同一轴，P4 布局的特性与P3布局大体相似。为了保证时常有电量驱动另一轴的电机，在发动机的驱动轴也有一个电机，宝马在P0，沃尔沃T8 在P2，一来用于启动发动机，二来可以给电池充电，三来也能给前轴提供驱动力。这两个构型可以分别称为P0-P4 和P2-P4。其中宝马的P0-P4 构型因为发动机-P0 部分可以与车轮断开连接，实现了停车充电的功能，甚至也提供了串联模式-主电机在前轴驱动汽车，而发动机在后轴负责带动P0 电机充电。

比亚迪插电混动有超过10 年的技术经验积累，目前全球装机量超30 万套，具有最成熟的插电式混合动力技术。2008 年，比亚迪推出搭载第1 代双模技术(DM1.0)的F3DM 车型，采用P1+P3 双电机串、并联方案。由此，比亚迪开启了中国插电式混合动力车之路。但一个挡位的第1 代双模技术在匹配不同车型时，需根据发动机高效区间参数及车型参数来更改唯一的速比。2013年，第2 代双模技术(DM2.0)是基于多速DCT(双离合自动变速器)的并联架构，属于P3 单电机方案，搭载比亚迪秦DM 等，可外插电。相对于第1 代双模技术，第2 代双模技术的动力传动系统可实现的工作模式更多，动力系统集成度高，解决了第1 代的不足。第2 代双模的DCT 速比范围较宽，可适配不同发动机、不同车型，满足不同工况需求。2018 年，第3 代双模技术(DM3.0)搭载宋Pro DM 及其他王朝车型。第3 代双模技术并不仅限于一种动力架构，它按电机位置来区分(BSG 电机位于P0，前驱动电机位于P3、后驱动电机位于P4)，共呈现3 种不同的动力架构，分别为：P0+P3(前驱)、P0+P4(双擎四驱)、P0+P3+P4(三擎四驱)，可外插电。

比亚迪混动架构技术专利分析

本文以截至2020 年2 月9 日，在incopat 检索平台以比亚迪作为申请人，以混合动力、混动等作为关键词，全面梳理了比亚迪涉及混合动力汽车的专利，其中涉及动力构型的相关专利共计446篇。从申请量上看，比亚迪2003 年开始布局混动领域，申请量一路攀升至2008 年，后受到金融危机影响，申请量下滑较快，直到2012 年，又开始有一定量的申请，比亚迪也开始在国内电动车市场独占鳌头，尤其是其插电混动车型，在市场很受欢迎。

比亚迪插电混合动力构型技术路线如图所示。比亚迪最早期涉及插电式混合动力的动力架构专利出现在2004年，采用P1+P2 混联式架构，如文献号CN1736750A，包括发动机、变速器、动力电池组和电控离合器，动力系统增设有发动机侧电机、变速器侧电机、两电机控制器、中央控制器，发动机侧电机转子与电控离合器的主动元件相联，变速器侧电机与电控离合器的从动轴元件相联，能够实现发动机驱动、并联驱动、串联驱动以及纯电动驱动模式，以及P3单电机单离合并联和P3 混联架构，如CN1769085A，包括一个内燃机、一个变速器、一个电动机、一个离合器和若干差速器，该系统对传统汽车的改动最小，可以最大限度地应用原来的技术，只需增加一套电动机/发电机系统和带式耦合器装置，即可纯电、混合以及发动机直接驱动3 种模式。

2005 年，出现P1 双电机并联构型，如文献CN1986268A，包括内燃机和助力电动机，还包括一体化起动/发电机、调速电动机和行星排单元，通过利用与内燃机输出轴配合的一体化起动/发电机，可以及时响应内燃机的脉动，改善内燃机的工作条件。

2006-2007 年，比亚迪的专利主要集中在P13 和P3 架构以及相应的改进上，如文献CN101152837A，采用P13双电机单离合架构，包括发动机、启动发电机、离合器、变速机构、电动发电机和储能系统，其中储能系统与启动发电机和电动发电机电连接，启动发电机的转子轴连接到发动机的输出轴，离合器连接在启动发电机的转子轴与变速机构的输入轴之间，电动发电机的转子轴连接到变速机构的输出轴，并且变速机构的输出轴通过传动机构传递到车轮，由于取消了结构复杂的动力分配机构，因此本发明的混合动力车驱动装置结构简单紧凑，布置相对灵活。类似专利CN101373006A，其采用的也是P13 双电机单离合架构，这些专利即为比亚迪第1 代F3DM 车型的基础专利，其没有动力分配装置，通过简单的离合器将1.0 L 发动机和2 台电机连在一根轴上，再经过减速器后直接驱动车轮，既绕开了丰田THS 的专利又实现混联目的，但发动机机输出端没有变速机构，会导致在高车速时振动噪声较大。

图1 比亚迪插电混动架构技术发展路线图

随后，比亚迪尝试的技术方向有在改进P3 架构上，如采用单电机单离合混联模式，如文献号CN101450609A，有P12 双电机单离合混联架构，如CN101445041A， 包括接收、储存和提供电能的电池组、从外接电源接收电能的电能功率输入装置、发动机、连接发动机、并提供动力给发动机以起动发动机以及用来接收来自发动机的动力产生电能的第一电机、连接至少一个车轮、并当接收到电能时用来提供动力给至少一个车轮以及当从至少一个车轮处接收到动力时用来产生电能的第二电机；允许驾驶员在第一操作模式和第二操作模式之间进行选择的模式选择开关。在整个驱动系统运行过程中，第二电机作为主动力源驱动车辆行驶，发动机始终工作在最佳效率点，从而能够在满足需求功率的同时，实现对能量最大效率的利用，以达到提高燃油利用率、减少尾气排放的目的。

自2011 年起，比亚迪的技术方向主要集中在P3 构架及其相应的改进上，如采用单电机双离合变速器的CN103029558A，包括电机、发动机、双离合变速器，可以实现纯电动模式、混合驱动模式和发动机驱动模式。该专利所代表的就是比亚迪DM 二代混动系统，也就是比亚迪秦所采用的系统，其最重要的方面是引入了双离合变速器，用功率质量比更好的电机取代之前两台小电机，在结构上不再是混联模式，而是并联混动模式，抛弃了发动机驱动电机一为电机二供电驱动车辆的串联模式。DCT 双离合变速器的加入使得传动比更加宽泛，发动机可以保持在经济高效区域，并且电机位于变速器的输出端，电机输出的功率不必经过变速器而是经减速器放大扭矩可直接输出车轮，增大输出功率。

随后，2014 年，比亚迪进一步在DM 二代即P3 架构的基础上，通过在后轴增加一台电机，使得前轮能够实现由发动机或电机单独驱动也可混合驱动，后轮则由后轴电机直接驱动，共同组成全时四驱模式，即P3+P4的双电机双离合混联模式，如文献号CN105459788A，该专利所代表的就是比亚迪唐所采用的三擎双模四驱系统，其搭载了三擎双模动力系统，其由一台2.0TI 涡轮增压发动机和前后两个电机组成，可实现前轮与后轮独立动力输出。

文献号CN104290586A，包括发动机单元，多个输入轴，发动机单元可选择性地与多个输入轴中的一个接合，每个输入轴上设置有主动齿轮；输出轴和联齿齿轮结构，联齿齿轮结构相对于输出轴可差速转动，联齿齿轮结构具有多个齿轮部，齿轮部与主动齿轮啮合；输出部，输出部固定在输出轴上且驱动车辆的前轮；同步器，同步器设置在输出轴上且用于接合联齿齿轮结构；分别用于驱动前轮和后轮的第二、第三电动发电机，第二、第三电动发电机均为轮边电机，设置两个第二电动发电机作为轮边电机来驱动前轮，设置两个第三电动发电机作为轮边电机来驱动后轮，该专利应为即将上市的比亚迪明的六擎双模全轮轮毂电机独立驱动的系统的相关专利。

2015 年至今，比亚迪主要在提高传动效率和丰富传动模式上进行改进，文献号CN106476609A，其采用P13 双电机双离合混联架构，包括发动机、第二行星齿轮机构、第二电动发电机、第一行星齿轮机构和第一电动发电机以及动力输出部和制动动力输入轴的第一制动装置，第一个行星齿轮机构的太阳轮与第一电动发电机刚性连接，第一个行星齿轮机构的行星架与动力输入轴刚性连接且可与第一电动发电机的转子同步且其齿圈与第二个行星齿轮机构的行星架刚性连接且可与第二电动发电机的转子同步，第二个行星齿轮机构的太阳轮与第二电动发电机的转子刚性连接且其齿圈与动力输出部联动以输出动力。根据本发明实施例的动力传动系统，各工况下保持较佳的燃油经济性。CN107539092A，采用P34 双电机双离合混联架构，动力驱动系统传动模式丰富，并具有多个如7 个前进挡位，能够更好地满足车辆行驶时对动力与转矩的需求。文献CN108016274A，采用P3、P13、P134等多种架构，通过设置模式转换装置，其可以增加动力传动系统的挡位数目，且动力传动系统的工作模式更为多样。

据现有专利及市场分析，未来比亚迪高性能插电混动，很有可能是2 条技术路线：一是唐2 代的路线——前轴发动机+发电电动一体机+双离合变速器的混动系统+后桥中心电机；二是明的路线——前轴发动机+发电电动一体机+四轮轮毂电机，实现了四轮完全独立驱动，理论上可以做到原地0 转弯半径调头、横向停车这些传统四驱无法做到的高难度动作。

小结

通过梳理比亚迪近15 年来涉及混动领域的专利申请情况，研究其每个阶段的专利技术方案，并与每个阶段推出的混动车型相比较，可以比较清晰地分析出该公司的混动技术发展路线，也能够从该公司新近的专利申请技术方案和趋势中，窥探其未来可能采取的混动架构技术。文中所述技术路线适用于所有电动汽车，比如电动客车，电动轿车等，能够为其他电动车生产商的混动车型的方向确定和研发提供一定的帮助。