插电式混合动力技术剖析

插电式混合动力技术剖析

插电混动车型PHEV是英语plug in hybrid electric vehicle的缩写,意思是插电式混合动力汽车。它是介于纯电动车与燃油车两者之间的一种车:电池容量比较大,有较长的纯电续航里程;有充电接口,一般需要专用的供电桩进行供电,在电能充足时候,采用电动机驱动车辆,电能不足时,发动机发电给动力电池。这种车型可以不用加油,当做纯电动车使用,具有电动车的优点。

下面介绍PHEV的6种主流构型:

1 串联

串联式混动就是只靠电机为车辆提供驱动力,发动机只负责给发电机机械能,不直接参与对车轮的输出工作,然后靠发电机产生的电能为车辆的电池组进行充电,或者把电池输出的电结合起来,为驱动电机供电。

由于有发动机能为电池充电,所以这种混动模式主要是为了延长纯电动汽车的行驶里程,也就是所谓的增程式电动汽车。

关于增程式电动汽车的定义是有争议的:插混通常把增程认为是自己的一部分,但是增程一般不认为自己属于插混。

串联式混合动力工作模式:

启动和低速行驶时:发动机不启动,电池组供电、电机驱动车辆行驶。

正常模式行驶时:发动机带动发电机为动力控制单元输送电力,动力控制单元分配电力为电池组充电,同时电池组提供电力给动力控制单元,再由动力控制单元为电动机提供电力,从而驱动车轮。

加速行驶:发动机带动发电机同时和电池组向动力控制单元输送电力,动力控制单元将电力耦合后共同传送给电动机,从而带动车轮转动。

制动、减速时:制动能量回收动能,电动机转换为发电机为电池组充电。

所以真正驱动车轮运动的是电动机。不过用发动机的机械能转化为电能效率实在不高,几乎没有厂家在市场上大力推广这种结构,更多的时作为一种技术验证。比如雪弗莱沃蓝达、宝马i3、传祺GA5,真正实现大批量销售的不多。

当然,说发动机效率不高是相对于纯电驱动,但是当普通燃油发动机直接参与驱动时,受到运行工况的影响,发动机大量时间运行于低效区,基本上的平均效率15%-20%;而串联式混合动力车,由于发动机与车辆运行机械上完全解耦,发动机不受行驶工况影响,直接运行于发动机高效区,通过发电机发电给驱动电机提供电能或者给动力电池充电,平均效率可达到30%-36%,从技术层面来讲,相对于燃油车是节能的。

当电池组电量充足时采用纯电动模式行驶,而当电量不足时,车内发动机启动,带动发电机为动力电池充电,提供电动机运行的电力(即增程模式)。

它的特点是无论什么情况下,都不能由发动机直接驱动车轮行驶,仅能通过

电动机驱动。但它也能够像插电式混合动力汽车一样,通过外接电源进行充电。

这种PHEV的纯电续航里程比较长,一般可达100公里以上,最高可达300公里左右。由于电机的低转高扭特性也使得车辆的起步和加速性能也较好,发动机只要工作就是在最经济的转速区间,所以综合百公里油耗也比普通的汽油机低。

优点:

串联结构最简单,整体结构相当于纯电动汽车加汽油发电机,由于取消了普通汽车的变速箱,所以结构布置也更加灵活。

发动机与汽车驱动轮无钢性连接,而是电连接,因此可以保证发动机保持在其最佳效率区域内稳定运行,节省油耗。

串联混动系统的发动机和驱动轮之间实现了完全的机械解耦(即将发动机模块与驱动轮模块相割分开),使得动力总成的控制策略更简单。

缺点:

串联结构混合动力车型的发动机动能需要经过二次转换才能为电动机供电,会造成较大的能量损失,传送效率略低。

因为发动机不参与输出,所以发电机的的功率较大,车辆又主要由电动机驱动,所以大电机与电动机的质量会增加,车辆会增重。

2 发动机组合(并联、P1构型)

P1 大多都是48V系统,仅仅是减少油耗,大多是BSG系统,偶尔高大上的,搞个超级电容。系统更改简单,发动机改造方便。

▲P0-P4构型

发动机和电动/发电机的动力在发动机输出轴上进行组合,然后通过由离合器、变速器、驱动桥和半轴组成的传统的驱动系统带动车轮行驶,称为发动机轴动力组合式PHEV。

简单地说:电机在发动机曲轴后端。

由于电机与发动机采用了刚性连接,所以P1级可以实现动力辅助:在驾驶员踩下油门踏板后,ECU会控制ISG电机立刻补充动力(这就是并联),以此让汽车保持动力输出与节油性的高度平衡。

▲采用P1构型的奔驰S400

在不同程度的制动过程中,ISG电机都可以实现发动机制动能量的回收和储存,在下长坡时它还会根据具体车速施加辅助制动力矩,以此提升安全性。

P1混动因为电机直接套在曲轴上,二者转速必须相等,而不像通过皮带连接的P0布局有一个传动比,因此电机需要有比较大的扭矩、比较大的体积,同时还需要做得比较薄从而能放到原来飞轮的位置,成本较高。

▲P1构型的电机安装在曲轴末端

电机扭矩比较低,一般是48V弱混系统用。此种构型不适合电机、电池更大的强混系统。只要电机旋转,发动机曲轴就必须旋转,这样电机没办法单独驱动车轮。在动能回收和滑行模式下,也因为必须带动曲轴空转而浪费动能并增加噪音和振动。P1系统并没有纯电行驶模式。

目前P1级多为中混汽车为主,由于可靠性高而且成本较低,国内公交车和自主品牌多采用P1。如果你对于排放没有非常高的要求,但是又追求加速性能或者较低售价,那你可以尝试这一类型的混动车型。

本田思域混动和Insight的第一代本田IMA混动,以及奔驰的S400混动,都采用P1布局。

3 变速箱组合(并联、P2构型)

发动机和驱动电动机的动力在动力组合器(变速箱)上进行组合,然后通过差速器和半轴带动车轮行驶。

▲奥迪P2混动

跟P1一样,P2也需要布置在发动机和变速箱中间,但因为不必像P1一样整合在发动机外壳中,布置的形式更灵活——不仅可以直接套在变速箱输入轴上(这样一般需要重新设计变速箱),也可以通过皮带与变速箱输入轴连接,甚至也可以使用减速齿轮(体积较大)。

P2在纯电动模式下可以和发动机断开连接,因为电机和发动机之间还有个离合器,因此在纯电动模式下发动机并不会被拖动,同时由于P2模式下,电机的后面有变速箱,因此变速箱的所有挡位都可以被电机利用。