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【讲堂】顶尖车企BBA用的就是最好的混动吗?

2017-10-25踢车帮

让我们来继续谈混动方案,还记得上期内容吗。说完了用于弱混的P0、P1方案,接下来说强混。P2、P3、P4以及PS均为强混方案,但在实际的应用领域、节油效果、动力表现方面有较大的区别。

第二节 P0、P1、P2、P3、P4、PS混动技术方案总览(续)

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P2方案的电机位于发动机和变速箱之间,中间通过离合器连接。这种模式和P1方案的ISG电机有些类似,电动机都是位于发动机的输出端,变速箱的输入端,如今某些集成度较高的设计甚至也将电动机集成于发动机壳体内部。于是区分P1、P2可以通过能否完全切断发动机,单独通过电动机驱动来分辨,并且,大多数P2混动在有驱动电机的同时,也会配备通常用于起动、发电的低压ISG/BSG电机。

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从这张Q7的动力系统结构图可以看出,P2方案对于车辆结构的改变不大,电机放在了发动机和变速箱之间,电池组放在后备厢地板下,发动机和电动机同轴输出,因此传动结构不需要大幅的重新设计和改动。

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但是需要注意的是,由于发动机电机同轴,还需要增加切换动力输出的离合器,因此,如果不大幅改动发动机舱布局尺寸(尤其是发动机横置车型),电动机的尺寸就会受到限制,因而其输出也会相对较小。图中红圈部分为Q7的电驱动部分,包括了电机、离合器、以及一系列的传感器。

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这张图则细致展示了上图红圈的结构。另一个限制P2电机输出的因素在于变速箱,我们都知道,变速箱是有最大耐受扭矩限制的,比如我们熟悉的DQ500双离合变速箱的耐受扭矩为600Nm,电动机+发动机输出可不能超过变速箱限制。

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A3是前横置平台,可以看到,对电动驱动部分的限制更大,前轴上绿色的电驱部分很小

由于P2方案只有一台电机(用于起动发动机的ISG电机功率过小,且为12V,不能并入电驱动结构中的高压线路),因此,单纯的P2方案只能够实现并联混动。缺少发动机发电,电动机驱动的串联模式,导致其在低电量低速行驶时表现不佳,因此,P2方案更加适合配合电池容量较大的插电式混合动力使用,低速行驶时尽量依靠纯电。

大多数德系混动都采用了P2方案,奔驰、宝马、奥迪、大众的主流混动产品均为P2方案,因为他们是纵置平台为主,发动机技术发达、同时基于品牌战略的考虑(还有早些年对混动重视程度不够,本身传统动力技术成熟、以及丰田专利限制等因素)选择了以发动机为主,电动机为辅的P2方案插电式路线。除此之外,日产、沃尔沃、现代起亚等品牌也都使用了P2方案。他们的车型也大多是插电式混动。

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比亚迪秦的P3混动系统结构(前轴)

P3方案则是将电动机放到了变速箱的输出端,一般和变速箱不同轴,直接和主减速器相连。比亚迪神车秦上用的DM II就是这一方案(唐和宋的方案又有不同,为P3P4方案,稍后讨论)。和P2相比,P3方案对于电机功率的限制就小多了。首先电机和发动机不同轴,对电机尺寸限制宽松了许多。第二,电机输出直接加诸主减速器,不经过变速箱,因此不受变速箱扭矩耐受限制,电机可以做的很强。对,比亚迪这么快的加速就是这么来的。比亚迪秦的电机输出达到了110kW,比市面上大部分P2混动车型的电机功率要大不少。

P4方案将电机和发动机完全脱离,单一的P4结构只能够实现并联,而且P2、P3结构能够实现的一边行驶一边充电的功能就没有了。也就是说,单P4结构必须要插电才能实用化,如果电池电量耗尽,就基本丧失功能了(不说完全是因为它还能靠动能回收一点点攒电量)。因此,一般来说,P4都会和其他混动方案系统结合使用。比如比亚迪唐,是P3P4结构,宝马X1 PHEV是P0P4结构,沃尔沃S60Le是P1P4结构,P0、P1、P3结构在前轴,而P4在后轴,前后轴之间没有机械连接。当然P4也有在前轴的,比如宝马i8就是中置发动机后驱,电动机在前轴的P4布局。

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宝马i8前轴上使用的GKN e-Axle,输出96kW

P4最大的存在意义有两个,第一可以实现电动四驱,提升车辆的性能。第二则是改装方便,因为电机和发动机没有机械连接,而且电动机尺寸相对较小,转速区间宽泛,无需复杂变速机构,对结构、空间的需求小,因此,可以布置在非驱动轴上,对乘坐空间影响却不会太大。如今很多零部件厂商就在做这件事,比如GKN、ZF都有类似的 “电动后桥e-axle” 产品,GKN的产品是一台电动机集成减速器,体积小,不需太多改动就可以安装在车辆的后桥,X1 PHEV用的就是GKN的产品。ZF的产品更进一步,它提供了包括电驱动模块以及悬挂系统在内的完整后桥,大大简化了车企的工作量,能够相对很方便地将传统燃油汽车改造成一辆混动车甚至纯电动车。

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ZF的e-Axle,可以看到,比GKN的方案更进一步,电动机已经被整合在后桥之中,整体尺寸并不大,输出达到了150kW

P4技术虽然如今并不常见,但也许在不远的未来,零部件厂提供的解决方案更加完善之后,很可能将会成为继48V之后又一种降低油耗的流行趋势。48V只是弱混,电动后桥可是能够适配插混、强混、纯电动的,灵活性更大,对于排放积分的贡献也更大。

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沃尔沃V60插混(国内有国产的S60Le),可以发现前后置之间完全没有机械连接

接下来是PS(功率分流Power Split)方案,其实PS严格来说和上述P0至P4,拥有传统变速箱,并按照电机位置的分类方法完全不同(与之相对的概念是离合器切换型),但同样是P开头,而且也是主流方案,因此和P0-P4放一块说了。

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PS方案的特点在于需要一套或者更多的行星齿轮作为功率分流器(Power Split Device,PSD)来实现发动机功率的分流,并没有传统的变速箱存在,在变速箱栏中填的是E-CVT。最主要的代表就是丰田的THS,以普锐斯为首,各种双擎都是PS方案。其他还有和丰田有合作关系得到专利授权的福特,国内在售的蒙迪欧、MKZ的混动版本都是和丰田相似的单行星排双电机PS方案。

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凯迪拉克CT6插电式混合动力车

通用为了规避专利同时提升混动系统的效能(丰田的方案不适合跑高速),则鼓捣出了双行星排第二代Voltec技术(用于别克、雪佛兰的强混车型上如君越30H、迈锐宝XL全混动)和三行星排结构(凯迪拉克CT6插电式混动)方案。

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CHS系统结构简图

国内则有科力远、吉利、长安、云内等合作研发的CHS混合动力系统,这是一个双行星排双离合器双电机的方案。之前传闻将搭载于帝豪HEV上,但该车至今还没有确切的上市日期,跳票多次。CHS的前景还有些扑朔迷离。

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本田i-MMD混动结构及混动模式

除了上边这些P字辈之外,主流的混动方案还有离合器切换型混联混动,代表为本田的i-MMD,通过离合器的接合与否控制混动模式在并联和串联之间切换。上图最左边是纯电驱动,此时发动机不工作,离合器脱开,第二种是串联模式,离合器脱开,发动机驱动发电机,电动机驱动车辆,第三种是发动机直接驱动模式,此时两台电动机均不工作(查看各种资料,并没有发现锐·混动有发动机和电动机共同输出的真·并联模式,本田在售的这些锐混动车型第三个模式均为发动机直接驱动,但理论上这套结构是可以实现电动机和发动机共同驱动的并联混动的,可能是并联效果并不算特别好,本田并没有设置该模式)。

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上图是日产Tino混合动力车的动力系统结构图,同样是通过离合器来切换串并联输出,离合器断开串联,闭合并联,但BSG作为发电机功率必然不大,而且效率低下,串联模式节油效果不明显。整体布置上由于保留了CVT,虽然在并联模式下能够调节转速,但空间上限制更大,电机尺寸做不大,整车驱动仍严重依赖内燃机,对比本田i-MMD那种大电机方案,在驾驶感受和节油潜力上都有所逊色。

离合器切换型方案不能像PS方案那样在串联和并联之间无极调节,离合器切换型要么是100%的串联(发动机功率全部用于发电),要么是100%的并联(发动机功率全部用于驱动),而PS方案则可以做到1%串联99%并联(1%发动机功率用于发电99%功率用于驱动)一直到99%串联1%并联之间的平顺变换(但两方面都很难到达100%,无法实现完全解耦),因此极限不及PS方案高。不过正因为其能够完全解耦,传动部件更少,在各自领域反而可能会比PS方案表现稍强一点。这也是雅阁锐·混动表现稍强于凯美瑞双擎的主要原因。

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上汽EDU离合器切换型混合动力系统结构

采用离合器切换型混动模式的还有上汽的EDU混动,以及广汽传祺的G-MC混合动力系统。上汽EDU的原创度比广汽G-MC更高一些,且配备有一具两挡AMT变速箱,在转速控制方面更有优势,广汽G-MC则基本是i-MMD的翻版。

第三节 顶尖车企BBA用的就是顶尖的混动方案吗?

先上结论:并不是。BBA不约而同的采用了保留传统变速箱的P“X”方案,X为0-4(大部分混动车型采用了P2方案),而且大部分都是插电式并联混合动力。

从功能实现上来说,P2方案可实现的混动模式有:纯发动机驱动、纯电驱动、混合驱动、发动机驱动同时发电、停车发电、能量回收。缺少纯粹的串联模式,因此在低速低电量情况下(如城市内长时间堵车),发动机处在既要发电又要驱动车辆的低转速高负荷工况,油耗很高。为了避免这种工况,或者减少这种工况,就必须采用能够长时间纯电行驶的插电式混动。因此,如果一辆P2方案的插电式混动车没有为你提供手动切换的Battery Saving(电量保持)模式,那它一定是一辆不合格的混动车,千万不要买。

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那么这种P2方案到底节不节油呢?肯定是节油的,因为除了串联模式最为擅长的低速工况,包括急加速、起步、动能回收等方面都能够节省下不少的燃油消耗。对比P3、P4等方案,P2在燃油经济性方面的表现会更加出色一些。不过和完整的混联如PS和离合器切换型相比,缺少串联模式、不能灵活调速的P2方案节油潜力就十分有限了。

之所以德系都采用了这样一套方案,个人认为原因有三,一是他们在一开始并不重视混动车型的发展。和日系美系不同,德系偏好使用柴油作为应对排放油耗指标的对策。混动只是一个补充,因此并没有投入精力去开发有效的,完全能以节油为目的的混动,结果大众排放丑闻完全打乱了德系的计划。

二是德系在传统动力方面具有深厚的基础,不论是车型平台还是发动机技术方面,比起抛弃变速箱,弱化内燃机作用的其他混动,P2方案更能够发挥他们在内燃机方面的优势,也不会打乱平台开发的步骤。或许零部件巨头们在其中也起到了一定的左右。

三是品牌规划或者说德国国情导致,拥有不限速高速公路的德国,缺少变速箱,偏重低速性能的PS和离合器切换型方案都不可能适应这种工况,反倒是P2是几种方案中最适合的。何况三驾马车对于运动都是有追求的,电动机叠加输出方面P2方案的能力也是在几种方案中相对最为出色的(P3虽然在加速性能方面表现会更好,但电动机缺少变速箱调速,高速巡航的表现同样糟糕,不是不能改善,只是改善起来可能得不偿失,其他方案同理)。

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奔驰的混动控制策略中强调了通过预见性驾驶提升混动系统的效能

所以说,从技术角度,三驾马车虽然是顶尖车企,他们的混动技术都算不上顶尖,甚至可以说技术含量比较低。但是这却是非常适合他们自身的一种混动技术,何况,BBA在混动控制策略方面做得很棒,在一定程度上弥补了结构上略有的先天不足。

本期内容暂告一段落,下期内容将具体分析,都是混动,为什么你家的比我省油。应该可以讲到前一期的标题,为什么THS不能跑高速,而DM II没电后不省油的问题。看我能扯多少吧。

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