混合动力汽车驱动模式解析(上)

◆文/北京 薛庆文

随着汽车工业的快速发展，我国汽车保有量的不断递增，节能环保要求越来越高，政策导向越来越鼓励发展节能型新能源汽车。由于种种原因目前一些特殊因素还限制新能源汽车的发展速度，在这种条件下属于节能汽车的混合动力车型，以及归属新能源范畴的插电混合动力汽车发展势头迅猛，自2016年至今我们看到插电混合动力汽车如雨后春笋，大部分中高端品牌都有属于自己的插电混合动力的车型。随着混动车型的逐年增多，维修售后技术人员就必须要掌握相应的技术要求，因此关于混合动力车型的技术发展趋势及结构与控制特点等，我们可以从以下几个方面一一进行阐述。

一、混合动力车型的标准和发展趋势

1.电动汽车及新能源汽车定义

根据GB/T 19596-2004，关于电动汽车的定义如下：

电动汽车：纯电动汽车、混合动力(电动)汽车和燃料电池电动汽车总称为电动汽车；

纯电动汽车(BEV)：由电动机驱动的汽车，电动机的驱动电能来源于车载可充电蓄电池或其他能量储存装置；

混合动力(电动)汽车(HEV)：能够至少从下述两类车载储存的能量中获得动力的汽车:可消耗的燃料，可再充电能/能量储存装置；

燃料电池电动汽车(FCEV)：以燃料电池系统作为单一动力源或者是以燃料电池系统与可充电储能系统作为混合动力源的电动汽车。

2.当前关于新能源汽车的定义(2019年新的标准)

新能源汽车是指采用新型动力系统，完全或主要依靠新型能源驱动的汽车，包括纯电动汽车、插电式混合动力(含增程式)汽车和燃料电池电动汽车等。

节能汽车是指以内燃机为主要动力系统，综合工况燃料消耗量优于下一阶段目标值的汽车，包括先进内燃机汽车和传统油电混合动力汽车。

发展节能与新能源汽车首要因素是能源安全，此外降低汽车燃料消耗量，缓解燃油供求矛盾，减少尾气排放，改善大气环境，促进汽车产业技术进步和优化升级的重要举措。

3.新能源汽车的发展趋势

未来两年是我国新能源汽车产业由“政策拉动”向“市场引领发展”过渡的关键时期，产业即将进入高度市场化、差异化发展的2.0时代。而从中、长期来看，纯电动汽车和燃料电池汽车将共同主导中国新能源汽车市场的发展，纯电动汽车主导乘用车市场，燃料电池汽车主导商用车市场；从短、中期来看，装备大容量动力电池的插电式混合动力汽车将在过渡期的市场占据重要的角色；在技术快速提升下，续航里程和充电便利性将不再是用户购买的阻碍因素，而智能化、网联化、人性化的功能设计将成为新能源汽车产品差异化竞争的关键；中外品牌、新旧力量、跨界巨头等多方势力间的全面竞争将重塑中国新能源汽车行业的竞争格局；新能源汽车将汽车产业价值链向上、下游大幅延伸，产业利润结构正在随之改变，上游动力电池和智能科技、下游终端市场用户服务将成为重要利润池。

4.混合动力汽车四大阵营

(1)传统混动(HEV)，如图1所示，最早是丰田及雷克萨斯品牌推出的，后来才陆续有其它品牌出现。它就是以油为主的混动系统，无需充电，与传统燃油汽车不同的就是它可以用相同的一箱油走更远的距离，就是说增加了续航里程。主要特征：电池容量小、不能充电、纯电续航短、油耗在4L/100km左右。

(2)插电混动(PHEV)，如图2所示。近几年优势极其明显，且发展势头迅猛。它的最大特点就是有电用电，没电用油，而且和HEV本质上没有太大区别，只是电动机功率更大一些、蓄电池组更多一些，在混动系统上加上了充电功能。主要特征：电池容量大、能充电、纯电续航长、小排量车型油耗在2L/100km以下(充电环境好)。

图1 传统混动HEV

图2 插电混动PHEV车型

(3)48V混动系统，如图3所示，以德系车为主的大排量车型，其混动系统采用48V。48V系统是属于HEV阵营的，是欧洲车企为了对抗日系混动系统而研发的，这两套系统的不同点就是在传统汽车结构之外再加一套48V电动驱动系统，提升原车动力性能同时，在某些环境下还能节省一定燃油。主要特征：电池容量小、电机功率小、不能充电、油耗略低于同排量燃油车。

(4)增程式混动，如图4所示。增程式混动的特点就是虽然它也有正常的发动机，但是它的动力输出是依靠电动机的，发动机只是用来发电为电动机提供电力的，它既可以外接电源充电也可以加油。主要特征：电池容量中等、能充电、基本都是纯电行驶、油耗在4L/100km左右。

图3 德系车型的48V混动

图4 增程式混动

二、混动及插电混动的结构类型及变速器驱动模式分析

1.结构类型

目前混合动力系统按动力系统结构分为：串联式、并联式和混联式；按混合度分为：微混、轻混和强混；按外充电能力分为：可外接充电式(插电式混动)和不可外接充电式；按照驱动电机在动力传动系统中的位置分为：P0、P1、P2、P3、P4、和PS。

串联混合(Series hybrid)：发动机仅驱动发电机给电池充电，电池带动电动机来驱动车轮，驱动车轮只靠电动机完成(两个电机)如图5所示。

图5 串联式混动

并联混合(Parallel hybrid)：有两个动力源用来驱动车轮，发动机为主，电机辅助。(一个电机)发动机可以驱动车轮，也可以驱动电机给电池充电。发动机驱动车轮的同时，电池也可以带动电机驱动车轮(图6)。

图6 并联式混动

串并联混合式：串并联也叫混联，混联式混合动力同样有两个动力源来驱动车轮，电动机为主，发动机辅助。(两个电机)起步低速运行时，电池带动电动机驱动车轮。发动机可以驱动发电机给电池充电，电池带动电动机来驱动车轮。发动机也可以直接驱动车轮，同时电池带动电动机也驱动车轮(图7)。因此本系统可看作是串联和并联的组合。

图7 串并联混动

当前从混合度及节油率上分微混、轻混和全混(也叫重混或强混)。微混合型混合动力电动汽车以发动机为主要动力源，电机作为辅助动力，具备制动能量回收功能的混合动力电动汽车，电机的峰值功率和总功率的比值小于10%，仅具有停车怠速停机功能。轻度混合型混合动力电动汽车以发动机为主要动力源，电机作为辅助动力，在车辆加速和爬坡时，电机可向车辆行驶系统提供辅助驱动力矩，一般情况下，电机的峰值功率和总功率的比值大于10% 。重度混合(强混合)型混合动力电动汽车以发动机和／或电机为动力源，一般情况下，电机的峰值功率和总功率的比值大于30% ，且电机可以独立驱动车辆正常行驶。

再就是按电动机的安装位置可分为：P0、P1、P2、P2.5、P3、P4和PS(图8)。

P0高压系统其实就是以皮带传动的系统，这个小型电动机既不驱动车轮也不会协助发动机输出动力，它的作用是通过皮带启动发动机，或通过皮带驱动发电机(图9)。

图8 电动机位置布局

图9 P0系统

P1系统其实就是并联结构中单电机的一种类型，多采用盘式电机，集中绕组，功率偏小，大多属于轻混类型，系统结构相对简单，但通常无法实现纯电驱动功能(图10)。

图10 P1类型

P2系统跟P1没有太大区别，也是并联结构中单电机的一种类型， 只不过在发动机和变速器之间多了一个分离离合器，因此可以实现纯电动驱动。多采用永磁同步电机，集中绕组，功率偏中大，大多属于轻混，可实现插电充电。系统结构相对简单，可实现纯电驱动功能，PHEV是优先使用电能驱动(图11)。

图11 P2类型

P2.5是介于在P2和P3之间的一种，主要在以双离合器变速器为基础的一种传动类型。它是把电机布置在奇数挡或偶数档中。多采用永磁同步电机，集中绕组，功率偏中大，大多属于轻混，可实现插电充电。系统结构相对简单，可实现纯电驱动功能，PHEV是优先使用电能驱动(图12)。

图12 P2.5结构类型

P3系统的电机位于变速器输出轴上，电机转速偏低，电机很难启动发动机(图13)。代表有比亚迪等车型。

P4类型的电动机被直接安装在差速器系统中或直接驱动车轮，一般不会独立出现，常见类型为P0+P4、P2+P4、P3+P4、PS+P4等(图14)，P4驱动桥设计方案有单电机驱动(带差速器)和双电机驱动(无差速器)。

图13 P3结构类型

图14 P4结构类型

PS是目前混动系统中较多的一种结构类型(图15)，前轮驱动的像丰田普锐斯、汉兰达、凯美瑞、本田思铂睿、别克君越等，后轮驱动的有雷克萨斯h600、凯迪拉克凯雷德、凯迪拉克CT6等。因此PS就是串并联，两个电机都集成于变速器内部，电机转速偏低，电机很难启动发动机。

图15 PS结构类型

2.驱动模式分析

就目前而言混动及插电混动的驱动模式一般有：启动发动机模式、怠速充电模式、发动机驱动模式、EV驱动模式(纯电动驱动)、油电驱动模式(混合动力)、减速制动回收模式等。接下来我们以丰田及雷克萨斯的P310和P410混动变速器的驱动模式为例进行分析。

P310和P410混动变速器的结构特点是：它属于PS结构类型，两个电动机，两套行星齿轮组，但并没有湿式离合器或制动器，两个电机的转子分别与两套行星齿轮组的两个太阳轮相连，两组行星齿轮共用一个齿圈并作为输出元件出现。发动机经过一个减震装置直接与其中一组行星齿轮组中的行星架形成连接关系，同时还驱动油泵，该油泵泵出的油压主要用来润滑和冷却，另外一组行星齿轮组的行星架则与变速器壳体相连(图16)。

图16 丰田及雷克萨斯PS结构类型的混动变速器

(未完待续)