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混合動力系統分類方式挺多,我沿用一個學術界比較常用的根據結構的分類方式說說吧。
之所以用這種分類方式,主要是為了方便朋友們選購,因為每種方式都有各自的特點,使用者可以結合自己的期望來選擇,其實這些方式沒有明顯的好壞之分,只有適合不適合。
混合動力系統按照動力耦合系統結構的不同可以分為單電機並聯式、雙電機功率分流式和雙電機串/並聯式。
單電機並聯式單電機並聯式可以說是目前車型最多的,講這類,首先要祭出這張大家常見的圖。
PX主要看電機在什麼位置。1、2、3、4分別是發動機、變速箱、傳動橋和後軸。
P0就是電機在發動機前,其實就是把起動機變大一點,讓它除了能拖動發動機啟動執行,還能具有一定的發電作用。
P1則是將電動機放在發動機後,也就是在發動機的輸出軸上,和發動機是一體的。
P2則是將電動機放在變速器的輸入軸。
P3則是將電動機放在變速器的輸出軸,也就是在變速箱後。
P4直接將電動機放在後橋,和發動機驅動的部分沒有直接連線。
看上去很複雜,但是實際上這種結構還是很容易看到優缺點的。
P0和P1的結構,也就是BSG和ISG,都存在反拖發動機的問題,所以一般不能單獨構成混合動力系統,即使構成,也只能是微混(啟停系統)和輕混系統。
P2、P3和P4是用的比較多的結構。
P2可以實現純電動,再生制動不受發動機影響,對變速器也沒要求,AT、CVT、DCT、AMT都可以,而且成本非常低,大眾、奧迪旗下車型、英菲尼迪M35、以及SONATA也用的是這種結構。吉利的P2.5其實就是P2的一種,將電動機放在雙離合變速箱的一個輸入軸上(246R軸)。
P3的結構純電驅動更直接,高效,但是發動機不能給電池組充電是硬傷,所以需要配合P0或者P1來使用,最典型的例子就是比亞迪的DM2系統了,這也是DM2系統虧電情況下油耗高的根本原因。當然,嚴格來講,比亞迪的DM2屬於一種改進後的P3,透過增加充電中間軸實現了駐車發電功能,但是發電效率低依然是問題,所以DM3系統增加了P0。
P4的優勢是可以實現四驅,適合PHEV,可以實現強勁的動力,但是自身也是無法實現給電池組充電,一般不會單獨使用。例如最新的比亞迪DM3用的是P0+P3+P4的結構。
以上這幾種混動方式的共同特點是結構簡單,基本上對原車動力系統的結構影響不大,開發更快,成本低,動力強勁,但是控制難度不小,因為控制不好特別容易發生頓挫、抖動,影響行駛質感。
雙電機功率分流這種混合動力系統一般採用行星齒輪機構作為動力耦合和分流裝置,一看到這裡,大家立馬就會想到豐田的THS系統,不錯,這種方式的代表就是豐田的THS。
THS(雷克薩斯稱為LHS)使用行星齒輪結構的耦合單元替代了變速箱,起到連線、切換兩種動力以及減速增扭的作用,也就是所謂的動力分流裝置PSD(power split device)。以下圖行星齒輪為例,其中sun gear接發電機,carrier連線發動機,ring gear接電動機和輸出軸,在不同的車速狀態,PCU計算出發動機的轉速,透過控制電動機和發電機的轉速,使發動機要麼不轉(發電機和電動機都是可以反轉的,起步或者低速時,電動機和發電機的轉動方向相反,互相抵消,從而保持發動機轉速為0),要麼保持在2000rpm~3000rpm的高效率區間,從而讓發動機和電動機的優勢都充分發揮。
因為有了混合動力,所以發動機本身的低速扭矩就不再重要了,然後針對混合動力來最佳化傳統發動機,開發出了阿特金森發動機,進一步提高效率。
以LHS為例說說工作流程吧。
LHD智·混動採用兩臺電動機加行星齒輪的技術方案,結構如上圖,兩臺電機為MG1和MG2。MG1在變速箱前,主要用來發電,MG2在變速箱後,主要用於驅動車輛。當然它們的分工也不是絕對的,MG1還負責啟動發動機,MG2在剎車時候給電池充電。車輛在低速或者低負載時,只由MG2來驅動車輛;車輛在正常行駛時,發動機驅動車輛,同時靠MG1給電池充電同時驅動MG2;當急加速時,發動機和MG2同時驅動車輛,獲得最佳的效能;在車輛減速剎車時,MG2將進行發電並充入電池。這些工作都是在PCU(power control unit)的控制下自動的進行,比如急加速時,PCU會控制逆變器輸出高電壓,從而讓MG2爆發更強的動力。MG1、MG2、發動機和車輪之間的動力傳遞由ECVT(Electronic Continuously Variable Transmission)即電子無級變速系統來完成,配合PCU可以實現酣暢淋漓平順流暢的駕駛體驗。
通用的Voltec也是功率分流方式,為了避開豐田的單排行星齒輪專利,通用使用了雙排行星齒輪,結構更為複雜,並在2006年針對該系統正式申請了專利。雪佛蘭Malibu XL、別克新Lacrosse、凱迪拉克CT6等車型的混動版本搭載該系統。
吉利旗下的科力遠使用的也是此種方式,它的CHS1800、CHS2800、CHS3800以及CHS18000四個平臺,可以覆蓋轎車、SUV、輕型客車、大巴等車型的混合動力方案。
這種方式的優點其實大家都看出來了,那就是效率高、順滑,經過這麼多年的發展,可靠性完全可以保證,但是相對其他方案,它的動力性讓位於經濟性,動力性表現不好,這方面有很多朋友也進行了分析,我這裡就不多說了。
雙電機串/並聯式雙電機串/並聯式,其本質是在不同的工況上使用串聯或者並聯。
串聯的方式指的是發動機帶動發電機發電,利用發出的電力(和電池的電力)去驅動電動機從而驅動車輪,並聯的方式就是發動機和電動機一同驅動車輪。
說到這裡大家可能想到了低速只能電動而高速可以發動機驅動的本田混動系統,沒錯,本田的i-MMD就是雙電機串/並聯方式的典型代表。
從上圖可以清楚的看到i-MMD工作的方式,中高車速發動機可以直接驅動車輪,低速則以純電驅動和串聯驅動模式為主,也就是說低速串聯,中高速並聯,這樣可以同時兼顧車輛不同工況下的系統效率,降低油耗,所以從經濟性的角度來講,完全可以媲美功率分流式。
另外榮威550 PHEV所用的動力耦合系統EDU也是這種方式。
透過上面的分析可以看出,這種方式的優點依然是效率高,相對單電機並聯方式也比較順滑,當然,成本也比較高,但是其控制難度和整合難度都不高。
總結總體來看,以上三種方式各有各的特色,以至於每種方式大有追隨者,而對於使用者來講,搞清楚每種系統的原理和細節也並不現實,所以使用者只需要大概瞭解每種方式的特點,知道明顯的優缺點,就可以了。目前市場上插混車型選擇面比較廣了,幾乎所有主機廠都推出了插混車型,車型眾多,各種型別都有,但是引數最佳化和控制策略的好壞差別還是不小的,而這些也是使用者很難從表面瞭解到的。
在對混動車型的選購中,我這裡給出幾點建議吧。
建議:1、如果充電條件方便(自有充電樁或者附近方便充電),首選插混(PHEV)。相對於HEV,PHEV的經濟性和純電行駛的質感優勢是無可置疑的。
2、動力性和行駛質感,不僅要憑原理分析判斷,更要去試駕,多去試駕,自然能感受到不同系統的傾向和優勢,還有所帶來的不同的行駛質感。
3、混合動力系統經濟性的對比,完全可以參照工信部油耗,對於未購車使用者而言,其實很難獲取經濟性的真實資料,而工信部油耗就是最權威的。
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PHEV是英語 plug in hybrid electric vehicle的縮寫,意思是插電式混合動力汽車。它是介於電動車與燃油車兩者之間的一種車,電池容量比較大,有充電介面,一般需要專用的供電樁進行供電,在電能充足時候,採用電動機驅動車輛,電能不足時,發動機會參與到驅動或者發電給動力電池。這種車型可以不用加油,當做純電動車使用,具有電動車的優點。
根據發動機、電動機以及動力電池三者的連線與驅動情況,插電式混合動力汽車可以分為串聯式、並聯式和混聯式三種,其中最常見的是混聯式,而串聯式的一般稱之為增程式混合動力。
下圖是常見的混聯式混合動力汽車的驅動結構圖。它的發動機和電動機既可以分別驅動汽車,也可以共同驅動汽車。在城市低速擁堵路況下行駛時,由電動機來驅動;在電力不足時由發動機來驅動汽車;需要急加速時,發動機和電動機共同作用。
這種混合動力車型的電池容量大,續航里程至少能夠達到70公里,並且由於有大功率電機的輔助,所以汽車的動力性一般都非常好。有個影片,比亞迪高速上狂虐BMW5 Series,就是因為比亞迪有電機的助力,所以動力效能才如此的強勁。代表車型有寶馬i8、比亞迪秦、比亞迪唐、保時捷918等。但是這種車型在發動機單獨驅動汽車時,油耗並不低,甚至比普通的燃油汽車還要高。
下圖是串聯式混合動力汽車的驅動結構圖,也稱作增程式混合動力。它是用發動機進行發電,用電動機來驅動汽車行駛。當電池組電量充足時採用純電動模式行駛,而當電量不足時,車內發動機啟動,帶動發電機為動力電池充電,提供電動機執行的電力(即增程模式)。它的特點是無論什麼情況下,都不能由發動機直接驅動車輪行駛,僅能透過電動機驅動。但它也能夠像插電式混合動力汽車—樣,透過外接電源進行充電。
這種增程式混合動力汽車的純電續航里程比較長,一般可達100公里以上,最高可達300公里左右。由於電機的低轉高扭特性也使得車輛的起步和加速效能也較好,發動機只要工作就是在最經濟的轉速區間,所以綜合百公里油耗也比普通的汽油機低。目前只有廣汽傳祺研發增程式混合動力汽車。
由於插電式混合動力能享受多重國家新能源車補貼,在很多地方還不受限行和牌照的限制,純電續航里程也基本滿足上班族的通勤需求,所以這種車型在某些城市賣得非常好。但由於充電樁建設滯後,充電不方便,有些人買回去後,就把它當做一臺普通的汽油車開。在這種純油不充電的模式下工作,這種車型的油耗並不低,如此一來混動就失去了意義。所以,大力推廣混合動力,還有更多的基礎性工作要做。