混合动力汽车(Hybrid Electrical Vehicle,简称HEV)是一种同时装备热动力源(如汽油机、柴油机)和电动力源(如电池、电机)的汽车。混合动力系统通过内燃机与电动机的组合,发挥各自优势,互补不足,提高整车效率。主要特点包括:内燃机在高效率区工作,降低燃料消耗;能量再生,回收减速或制动时的能量;电动机辅助,改善加速性能;提供更好的驾驶体验。混合动力系统可分为串联式、并联式和混联式三种类型。此外,根据电机输出功率占比,可分为微混合、中混合和强度混合系统。从电机位置角度看,有P0、P1、P2、P3和P4五种构型。P0构型使用带式起动/发电一体电机,实现怠速启停、Coasting滑行启停、制动能量回收和加速助力。P1构型电机位于变速箱离合器前,可实现高级起停、电动助力及能量回收。P2构型采用同轴式电机,支持纯电动模式、能量回收、加速助力等。P3构型电机位于变速箱输出端,纯电驱动更直接高效。P4构型电机放在后桥上,可驱动前轴/后轴或直接驱动车轮。各种构型的优缺点如下:- P0:成本低,节油效果一般,不支持纯电行驶。- P1:驱动力强,成本较高,无纯电行驶,动能回收效率一般。- P2:集成度高,支持纯电行驶,能量回收效率高,成本适中。- P3:纯电驱动高效,能量回收直接,成本较高,无自动启停功能。- P4:布局灵活,可实现四驱,成本高,控制要求高。此外,丰田的Ps混联式混合动力系统(如THS)采用行星齿轮机构和双电机,无离合器,机械配置少,工作类似于E-CVT,具有高效、平顺的特点。总的来说,不同混合动力技术各有优势,选择时需根据具体需求和成本考虑。微混系统成本较低,适合轻度混动需求;中混和强度混合系统节油效果更好,适合追求高效能的消费者;Ps系统则提供了高效、平顺的驾驶体验。随着技术的发展,未来混动技术将更加多样化,满足不同用户的需求。
我们先从混合动力的定义和分类开始说起。
一、首先我们先说下定义及其系统特点
混合动力汽车(HybridElectricalVehicle,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)使内燃机工作在高效率区,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48V起停比传统12V起停更快速且噪音振动更小。
二、那混合动力系统有几种类型呢?
对于混合动力系统的分类从不同角度看有不同的分类,当我们根据混合动力驱动的联结方式看时,混合动力系统主要分为串联式混合动力系统、并联式混合动力系统、混联式混合动力系统三类。
串联式混合动力系统
并联式混合动力系统
混联式混合动力系统
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为如下几类:
(1)微混合动力系统
微混的混合度一般在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BeltStarterGenerator,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P048V系统即属于微混合动力系统。
(2)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。
(3)强度混合系统
采用272~650V的高压电机,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30%~50%。
而当从电机在动力系统中位置的角度看时,混合动力系统又分为P0、P1、P2、P3和P4这五种构型。而这种分类方式也是我们经常听到和谈到的。
P0构型:
用带式起动/发电一体电机(Belt-DrivenStarter/Generator-BSG)代替传统车发动机前端发电机位置,可实现相比传统车更舒适的怠速启停及高端的Coasting滑行启停(该类启停需要变速箱的支持),同时还具备制动能量回收和加速助力功能,P0构型是通过皮带传动的,虽比普通皮带要求更高,但软性连接部件毕竟效率有限,因此不管是加力还是能量回收的功率都是有限的,此外受限于皮带传动,P0也不支持纯电行驶模式。
目前P0构型大都应用在48V微混系统中,通过对传统汽车的小幅改动,加上BSG、DC/DC和48V电池三大部件即可实现在NEDC工况下10%的节油率,这对于成本控制压力大的OEM来说无疑是划算的买卖,48VP0微混会保留12V传统起动机,因48V电池基本采用锂电池,其在低温下大电流能力差,因此保留12V传统电机起动机用于低温下发动机的起动。
国外很多供应商,如法雷奥、大陆和博世也都有48V系统的解决方案:
P1构型:
即电机位于变速箱离合器前,安装在发动机曲轴上,其用盘式一体化起动/发电机(ISG)固连在发动机上,取代传统飞轮,发动机曲轴充当了ISG的转子。
P1构型依然可采用传统变速箱(AT、CVT、DCT),其和P0一样可实现高级起停、电动助力及能量回收等功能,由于不像P0一样采用皮带传动而直接套在曲轴上,因此两者转速必须相等,所以P1电机相比P0电机要有更大的扭矩,其次还要降低体积才能放在飞轮处,因此成本相比P0电机要高。
由于P1电机直接放在发动机飞轮端因此驱动力可直接作用在曲轴输出端从而获得较高的驱动力使起步和急加速工况驾驶性更加。但另一方面由于电机旋转会连带发动机转,因此P1也不具备纯电行驶模式,其次在动能回收及滑行模式下,因会带动曲轴空转而浪费动能并增加噪声和振动。
P1构型代表车型是-HondaInsightHybrid2009(withIntegratedMotorAssisttechnology):
P2构型:
P2构型是叫的比较火的一种混动系统,想必大家一提P2都会不由自主想起舍弗勒的P2电机,毕竟在P2这块舍弗勒是做的很不错的,在太仓也对P2混合动力模块进行了投产。
P2构型采用同轴式电机(IMG),在发动机和电机间有一个C0离合器,在电机和变速箱间也有一个C1离合器。
P2构型中关键零部件就是P2模块,舍弗勒的P2模块主要由双质量飞轮、永磁同步电机、干式离合器和电子离合器控制单元等部件组成。
该P2模块可集成最大功率25~80kw的电机,通过单向离合器向变速箱可传递的扭矩最大可达到800N.m,而整个P2模块的轴向长度最小可达到约135mm(真牛逼),因此该模块集成度非常高,在整车空间紧张的今天,该模块无疑具有很强的灵活性,不管发动机横置还是纵置都可在发动机和变速箱之间塞入这玩意(发动机采用横置方案时由于横向尺寸非常有限,因此一般都采用三缸机),另外该模块也不挑变速箱,AT、CVT和DCT都可与之搭配。
P2工作模式主要有如下几种:
1、纯发动机模式:此时发动机单独输出动力,电机不参与控制,K0和K1离合器闭合
2、纯电动模式:P2相比P0和P1构型,支持纯电动模式,此时电机单独输出扭矩,K0脱开,K1闭合
3、能量回收模式:整车制动减速,K1闭合,K0脱开,电机为负扭矩模式,从而实现能量回收
4、加速助力模式:
此时,发动机和电机都输出扭矩,K0和K1离合器闭合
还有怠速及停机充电模式和行进间快速同步启动等模式。
同样P2也有劣势,它只有在变速箱切换到空挡的时候,才能切断与车轮的连接,从而启动发动机。但如果变速箱不能很快的切到空挡(基于行星齿轮的AT可以),就需要一个额外的启动电机来满足自动启停系统频繁快速启停电机的要求—或者是一个在P1位置的中低压启动电机,或者是一个在P0位置的48V以上的中高压BSG电机。另外在纯电模式行驶时,若要启动发动机快速同步当前车速保证从纯电模式到混动模式平顺的切换也很难控制。P2方面BMW530E、奔驰E300、Audi的A3etron都是这种构型。
P3构型:
与P2相比,电机被挪到了变速箱输出端,其电机一般与变速箱输出轴有一定距离,并采用齿轮或链条传动与变速箱输出轴进行耦合,模式是:发动机—离合器—变速箱—电机—减速器—车轮。
P3构型在纯电模式下起步时,电机可直接驱动减速器,减速器驱动传动轴,因此纯电驱动更为直接高效;在车辆制动或减速时,能量回收也更为直接,由于P3是分体设计(因不与发动机和变速箱进行整合),零部件的集成度相比P2要求要低很多,但需要占用额外的体积。
P3纯电模式驱动下需克服前面被拖变速箱的加速阻力,因此与P2相比需要更大的功率扭矩,此外由于电机必须与车轴相连,因此电机无法用于启动发动机,所以不具备自动启停功能,若有自动启停的需求,需要增加P1位置的中低压启动电机。
P4构型:
P4是电机放在后桥上,另外轮边驱动也叫P4,因此文章开头所展示的图中的P5可以看做是P4构型。P4布局的电机既可以通过链条或齿轮驱动前轴/后轴,也可以直接用两个轮毂电机直接驱动车轮(但轮毂电机的控制要求目前还不算成熟因此控制要求极高)。
通过上面的阐述最后以一张图做个P0~P4的总结:
三、优缺点
说完混合动力系统各种构型,下面简单汇总下各种构型的优缺点,认识有限,仅供参考
Ps是一种混联式混合动力拓扑,其使用行星齿轮机构和双电机,无离合器,机械配置少,工作类似于E-CVT,丰田Prius就是Ps的典型车型。
丰田混动系统从1997年第一代普锐斯推出到现在已有四代。搭载在第一代普锐斯的混动系统即为大名鼎鼎的THS(ToyotaHybridSystem),后续由于这套混动系统不断得到改良并被采用在其他车型上,如丰田、汉兰达、雷克萨斯上,因此后续版本都被称为HybridSynergyDrive(HSD),因此它有时也被称为THSII。
但不管这套系统如何改进,传动系统依然具有相同的基本特征:系统由两个MotorGenerator(分别是MG1和MG2)及行星齿轮系构成,行星齿轮系即为所谓的动力分配单元(PSD-PowerSplitDevice);因此HSD作为丰田开发的一套混动技术,结合了电驱动和无极变速器,丰田也将配置HSD的车型号称为E-CVT配置,所谓的E-CVT即为上面所述的PSD。
THS最核心的部件就是这个PSD,与传统变速箱相比,这套PSD可能非常简单,但实际的效果却非常强大。
这套THS的工作模式如下:
总之混动界有句话:混动只有日本混动和其他混动,足以证明这套THS的强大之处了,详细就不再说了。
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