混动技术路线解析及典型路线研究

曹亮，于忠贵，曹权佐，潘圣临，刘玉明

混动技术路线解析及典型路线研究

曹亮，于忠贵，曹权佐，潘圣临，刘玉明

（哈尔滨东安汽车发动机制造有限公司技术中心，黑龙江 哈尔滨 150060）

无论商用车，还是乘用车顺应市场竞争需求，满足法律法规要求都促使车企加快对于混动技术路线的研究。文章通过对于不同混合动力技术路线进行分类比较、分析出其技术路线优劣。一方面是为车企在选择混动技术架构时提供参考，另一方面是提出最为适合当前混动需求的典型路线技术。

混合动力；混动架构；典型路线

引言

混动形式千差万别，国内政策风云变幻，个人所见，多数的整车厂对混动的产业化，没有电动那么坚决，都在观望，一是看国家政策的方向，二是看混动架构孰优孰劣。

1 混合动力

混合动力汽车（Hybrid Electrical Vehicle，简称HEV）是指同时装备两种动力源—热动力源（由传统的汽油机和柴油机产生）与电动力源（电池与电机）的汽车。因此混合动力系统组合内燃机与电动机两种动力源并发挥各自的优点，互补各自缺点，由此提高整车效率。

混合动力系统主要有以下特点：

（1）停止内燃机的怠速或低速低负荷运行工况，有效降低燃料消耗。

（2）能量再生：在减速或制动时作为热能而散发的能量可转化为电能而回收，并将该电能作为起动电机或驱动电机的电能来再利用。

（3）电动机辅助：加速时可通过电机辅助发动机的驱动力，由此改善车辆的加速性能和最大能力点。

（4）更好的驾驶体验，如48 V起停比传统12 V起停更快速且噪音振动更小。

（5）高效率驾驶控制：在发动机效率低时，只用电动机驱动，在发动机效率高的工况则带动发电机发电，从而使整车综合效率达到最佳。

1.1 混动架构分析

通常，我们把混合动力分为普通混合动力、插电式混合动力以及增程式混合动力三种。其实，混合动力的结构形式也能分为三种，分别是串联结构、并联结构以及混联结构。其中增程式混合动力只能是串联结构，而并联结构和混联结构既可以应用于普通混合动力，也可以应用于插电式混合动力。

1.1.1串联式混合动力

串联式混动系统架构如图1所示，由发动机、发电机、电动机组成。发动机带动发电机发电，当发电机的输出功率大于电动机的功率时候，控制器控制发电机向电池充电，当发电机的输出功率低于电动机的功率时候，电池向电动机提供额外的动力，不同的行驶状态，不同工作模式。总之，发电机不够时用电池，发电机太多时存电池，电机控制车轮运动，串联混动系统的动力来源于电动机，发动机只能驱动发动机发电，并不能直接驱动车辆行驶。因此，串联结构中电动机功率通常要大于发动机功率。

图1 串联式混合动力架构

采用串联混合动力布置方式的车型较少，国内有传祺GA5，国外有NISSAN E-POWER，宝马i3等。宝马i3增程式与NISSAN E-POWER整车信息如图2所示，两者尽管架构相似，但是在控制策略上还略有不同，宝马i3动力电池SOC阀值设置低于50%发动机启动，一般在30%左右，而NISSAN E-POWER的动力电池SOC阀值设置在50%以上。且宝马i3的纯电续航里程要大于邮箱的燃油续航里程。

图2 串联式混合动力架构实车案例

1.1.2并联式混合动力

并联式混合动力架构如图3所示，并联结构就是在普通汽车的基础上加装一套电能驱动系统（电动机和动力电池），发动机和电动机都能单独驱动车轮，也可以同时工作，共同驱动车辆行驶。当动力电池电量不足时，发动机还能带动电动机反转为动力电池充电。

并联结构的混动车型一般有三种模式可以选择：纯电模式：发动机关闭，电池为电动机供电，驱动车辆行驶，该模式多用于中低速行驶，也有部分车型可以实现高速巡航纯油模式：发动机启动，驱动车辆行驶，同时能够带动电动机反转为动力电池充电混合模式：发动机和电动机同时启动，驱动车辆行驶，该模式多用于爬坡、急加速以及其他高负荷工作的情况。

图3 并联式混合动力架构

并联式混合动力根据电机布置位置的不同，细分为P0- P4架构，如图4并联式混合动力拓扑结构[1]所示。

图4 并联式混合动力拓扑结构

对于并联式混合动力的几种拓扑结构的运行模式或特性进行分析，如表1所示有如下特点：

（1）P1结构特点采用刚性连接，可以弥补P0的不足，但所需的力矩较高带来成本的提升。无论是P0[2]还是P1连接，电机都不能单独驱动车轮行驶，故都不适合电机和电池更大的强混系统。

（2）P2[3]结构的优点是电机可以单独驱动车轮且由于电机和轴之间有传动比故无须太大扭矩，可以降低成本和电机的体积。难点是若不集成电机和离合模块，则技术难度的降低带来的是整车布局的困难，若高度集成则结构复杂开发成本高。

（3）P3结构的优点是电机换挡是无极且无动力中断，减少一组离合器，在纯电驱动和动能回收下的效率更高。难点是电机无法启动发动机，一般需要P1位置的中低压启动发动机，本田i-MMD为P1/P3布置。

（4）P4结构的最大特点是电机与发动机不驱动同一轴，车辆可以实现四驱，并且省去了轮轴和差速器带来的效率损失和额外车重，不足之处是四驱动力的实现提升了动力性。但节油效果有限，并且P4混动在纯电驱动和发动机驱动之间的切换较难，目前P4大多用在插电混合弱混。

表1 并联式混合动力拓扑结构运行模式分析

混动方案方案特点代表车型混动应用混合动力驱动模式纯电驱动模式转矩增强模式(助力)能量回收模式启动/停止发动机定点待机发电 P0BSG电机位于发动机前端，通过皮带与发动机相连主要用于启停系统，降低发动机怠速过程中的油耗上汽荣威750、奇瑞A5无法用于PHEV×√√√√√√ P1ISG电机固联在发动机曲轴上，离合器之前，采用刚性连接可以实现P0的功能，减少发动机怠速与低速时的油耗与排放本田CR-Z、lnsight无法用于PHEV×√√√√√√ P2双离合器结构，发动机与电机，电机与变速器之间各有一个离合器与P1相似，但开发难度较高宝马X5、7系PHEV，捷豹XJ的PHEV，奥迪Q7、A3 e-Tron可用于PHEV，技术难度相对较低√√√√√√√ P3电机位于变速器输出端，是典型的并联式混合动力结构不改变传统发动机-变速器的动力输出形式，降低变速器负荷比亚迪-秦可用于PHEV，技术难度相对较低√√√√×√× P4通常在P1或P2的基础上在后桥上加装电机，即P1+P4或P2+P4保时捷918Spyder，讴歌NSX可用于PHEV，技术难度相对较高√√√√×√×

1.1.3混联式混合动力

图5 混联式混合动力架构

在并联的基础上加一个发电机就是混联，架构如图5所示，但它不使用传统的变速箱，而是用一种叫做“ECVT”的行星齿轮结构的耦合单元来代替。这种技术一直被丰田垄断，也有一些厂家在混联结构中使用普通的变速箱，如双离合变速箱、无级变速箱等，但是效果远不及这种叫做“ECVT”的变速结构。

混联结构在发动机和电动机协同驱动车辆行驶的同时，发动机还能带动发电机为动力电池充电，不再像并联结构中单一电动机需要身兼两职，并且理论上它能够实现发动机带动发电机发电，电动机驱动车辆的模式。因此，混联结构的驱动模式有，纯电模式、纯油模式、混合模式、充电模式四种。

混联的结构优点和使用优点更加接近于并联结构车型，但混联的驱动模式更加丰富，如表2所示，在并联的混合驱动模式基础上，加入了充电功能，这意味着发动机和电动机全力驱动车辆时也不用担心电量消耗的问题。并且得益于“ECVT”的加入，使电动机和发动机的配合更加默契，能够适应的工况更多，最大效度的提高整车燃油的经济性。

1.2 能量混合度分析[4]

根据电机的输出功率在整个系统输出功率所占的比重，也就是常说的混合度的不同，混合动力系统又可分四类，其特点如表3所示：

表2 混合动力结构对比分析

连接形式串联式并联式混联式 术语定义发动机、发电机、电池和电动机串联于同一条动力传输路径上，只有发电机直接为电动机提供电能，发动机只能驱动发电机为电动机提供电能（充电模式），不直接驱动车辆发动机与电动机（发电机）并联，可以由发动机（纯油模式）或者电池（纯电模式）单独驱动，也可由二者共同驱动（混合模式），电池耗尽时发动机可带动电动机反转为电池充电在并联基础上将发电机独立出来，与发动机和电池相连接，除并联式结构的三种驱动形式（纯油、纯电、混合）外，还可实现串联式结构下的充电模式 驱动模式1.动力电池直接驱动（纯电模式）2.发动机驱动发电机，进而为电动机提供电能（充电模式）1.发动机直接驱动（纯油模式）2.动力电池直接驱动（纯电模式）3.发动机与电池共同驱动（混合模式）1.纯油模式2.纯电模式3.混合模式4.充电模式 优劣势优势：结构简单、中低速下节油效果较好劣势：高速运行油耗较高优势：驱动模式较多，可适应不同工况，动力性能更好 劣势：混合模式下发动机无法为电池充电，电池耗尽后电动机无法继续驱动车辆优势：相比并联式结构，发动机可带动发电机持续为电池充电，不会造成电池耗尽劣势：结构复杂，依赖变速器性能 代表车型雪佛兰沃蓝达、宝马i3增程版、传祺GA5增程版宝马530、本田思域、比亚迪-秦丰田系混合动力车

表3 能量混合度分析

功能弱混中混重混充电式 启停系统√√√√ 能量回收√√√√ 电力驱动（几秒）√√√√ 电力驱动（中等距离） √√ 电力驱动（长距离）-可充电 √ 功率比率5%～10%10%～20%25%～40%50%～100% 电机功率/Kw1.5～105～2030～7570～100

弱混合动力系统，弱混的混合度一般在20%以下，该类混动通常在内燃机曲轴上加装皮带驱动起动电机（即Belt Starter Generator, BSG），该电机是起动发电一体式电机，除了用于控制发动机的起动和停机外，还能够在制动和下坡工况下实现对部分能量的回收及在部分工况下的电机助力，常见的P0 48 V系统即属于微混合动力系统，某联第一代48 V在NETC循环下可降低10%左右的油耗。

中混合动力系统，中混的混合度可达到30%左右，该类混动采用ISG系统，即采用高压电机，具备一定的纯电动行驶能力，制动能量回收效率也更高，发动机与电机之间的耦合方式更加丰富。

重度混合系统，混合度可达到50%以上，该类混动系统电池容量更大、电池功率更高，纯电行驶里程更长，整车性能更为出色，在城市循环工况下节油率可达到25%～40%。

插电式混合动力系统（Plugin Hybrid），该类混动利用电网对动力电池充电，一般插电式混动轿车都配有车载充电机，可利用家用电源为电池进行充电。

1.3 电气化程度分析

电气化程度是指混合动力系统使用能量的油电比例，如图6所示，从左往右分别是内燃动力（ICE）、非插电式混合动力（HEV）、插电式混合动力（PHEV）、与纯电动（EV）。HEV实际上仍然是使用燃油的动力系统，典型的HEV包括48V的微型混动（MHEV）与日系的各类混动系统。而HEV与PHEV的区别很好理解，因为他们在外观上有明显的区别：插不插点。可以说从ICE-HEV-PHEV-EV一方面反映了油电能量比例，另一方面是不断加严的油耗要求下的动力发展趋势。

图6 电气化程度趋势

2 典型路线

无论是从不同混动架构的技术比拼，还是从电气化程度的车型发展趋势，在很大程度上都能反映了新能源政策的引导。政策对于PHEV的引导趋势明显，以中国和欧洲的新能源汽车政策为代表，仅有EV和PHEV两类车型能够获得市场补贴，而中国PHEV定义政策则将要求插电混合动力的纯电续航里程在43公里以上，同时PHEV在上海、深圳等地都有着车牌、路权和购置税的优惠政策，这反映了高电气化PHEV在新能源汽车中的重要地位。

混联构型可以同时实现串联与并联功能，其中的典型代表是功率分流与串并联，分别使用了行星齿轮排与串并联机构，如表4所示，都可以更加灵活地根据工况来调节内燃机的功率输出和电机的运转。混联的PHEV量产车型较并联PHEV少一些，以日系车企从非插电HEV衍生而来的车型为主，在原有的混动系统基础上，增大了电池、调整了控制逻辑，技术成熟但相对复杂。

表4 典型混动技术路线

类别THSiMMD 混动类型功率分流P13（串并联） 发电机23110 电动机53135 平行轴个数45 行星排个数10 发动机档位ECVT 1 EV档位21 发动机轴TSD+OWCTSD+C 直接连接车轮不直接连车轮 MG1轴NAClutch 系统效率中低车速范围较高，高车速范围较低中低车速范围较高，高车速范围较低 结构特点功率分流路线需要布置在2～4根轴上实现行星排可以使结构更紧凑P13路线平行轴布置需要布置在5～6根轴上实现通过行星排可缩减到4根轴结构紧凑 优劣势优势：油耗低，THS系统发动机产生的能量可以直接驱动车辆劣势：其实从驱动电机到车轮，也是不能换挡的，大部分工况为并联式结构，发动机的部分功率用来发电，怠速充电为串联式结构优势[5]：1.能量传递路径短，机械效率 2.动力性能好3.高加入了一套离合器和高档位传动齿轮，高速巡航场景，发动机可以直接通过传动齿轮直接驱动车轮4.灵活性高—发动机可以并联也可以串联5.可以实现增程长距离电动行驶，向新能源靠得更近劣势：要匹配一个很大功率的驱动电机，才能保证车辆动力性

本田的P13结构本质上是电动机为主，内燃机为辅的混动系统，其对电机功率要求较高，可适当放低对内燃机的要求。而本田的功率分流结构本质上是以内燃机为主，电机为辅的混动系统，其对内燃机的要求较高，可适当放低对电机功率的要求。可以说两种方案各有千秋，本田的P13结构相似短跑型选手，而丰田的功率分流更像是长跑型选手。

3 总结

混合动力汽车的关键是混合动力系统，它的性能直接关系到混合动力汽车整车性能。混合动力系统总成已经从原来发动机与电机离散结构向发动机、电机和变速器一体化结构发展，即集成化混合动力总成系统。

[1] 杨文斌.何东伟.Position 2(P2)构型混合动力文献综述[J].科技视野,2018(33):82-83.

[2] 王建勋,辛海霞,方立辉,等.48VBSG混合动力系统控制策略研究[J].汽车实用技术,2020,45(17):73-76.

[3] 李永钧.48V轻混系统的应用与发展[J].汽车工程师,2018(8):15-17.

[4] 贾林娜,闫立君,张世伟,等.混合动力政策和技术分析概述[J].汽车实用技术,2016(10):8-12.

[5] Higuchi N.,Sunaga Y,Tanaka,M,et al.Development of a New Two- Motor Plug-In Hybrid System[J].SAE International Journal of Alter- native Powertrains, 2013, 2(1):135-145.

Analysis of Hybrid Technology Route and Research on Typical Route

CAO Liang, YU Zhonggui, CAO Quanzuo, PAN Shenglin, LIU Yuming

( Technology center of Harbin Dong'an Automobile Engine Manufacturing Co., Ltd., Heilongjiang Harbin 150060 )

Whether commercial vehicles or passenger vehicles comply with the market competition demand and meet the requirements of laws and regulations, it forces vehicle enterprises to speed up the research on hybrid technology routes. This paper compares different hybrid technology routes and analyzes their advantages and disadvantages. On the one hand, it provides reference for vehicle enterprises in choosing hybrid technology architecture, on the other hand, it proposes the typical route technology which is most suitable for the current hybrid demand.

Hybrid;Hybrid architecture;Typical route

A

1671-7988(2021)22-205-05

U461

A

1671-7988(2021)22-205-05

CLC NO.: U461

曹亮（1983—），男、主任、高级工程师，就职于哈尔滨东安汽车发动机制造有限公司技术中心，研究方向：内燃机设计。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2021.022.053