比亞迪十年磨一劍的中國插混技術

從目前來看,混合動力和插電式混合動力系統可以,分為四個流派

1)並聯式混合動力系統(P2,P3):這個系列主要是以歐洲車企做的基礎車型,國內的比亞迪DM,這個系列可以加入後驅的P4組合成四驅系統,也可以在前端發動機加入P0或者P1的系統,有點靠近下面的串並聯的系統了

2)串聯式混合動力系統:以日產e-Power為代表。

3)串並聯式混合動力系統(P1P3這樣的系統):以本田i-MMD為代表,國內有廣汽G-MC系統、上汽Gen 1 EDU系統、三菱歐藍德PHEV搭載的混動系統

4)基於行星齒輪的功率分流式混合動力系統:以豐田的THS系統為代表,主要分為在緊湊級車型上功率分流和中大型車上的多級動力分流,為了進一步增加動力特性,也可以加入P4的構型,美國車企的幾家通用、福特、克萊斯勒也是這個方向

從主要的來看,如果比較比亞迪和豐田,是強調動力特性和強調經濟性的比較。前面廣汽的兄弟周文太也寫到了,在混合動力領域主要的考核有

1)豐田的混動的設計思路

豐田本身是做混動系統的,本身設計的思路是基於城市使用的,在整個設計工況下堵車工況下取得理想的油耗。實際上,我覺得豐田的成功就在這裡,大部分車主極少能保持很高的速度工況。

Prius搭載的THS系統便是一種功率分流式混合動力系統。功率分流式混合動力系統的優點是發動機轉速與車速解耦,可控制發動機工作在經濟的發動機轉速區間。由於THS系統發動機轉速與車速解耦,豐田THS系統擁有一個工作模式:三軸功率分流(實際上是單行星排三軸功率分流+單行星排電機固定速比傳動,簡稱為三軸功率分流)。三軸功率分流與四軸功率分流也有不足,比如說THS的三軸功率分流,固定將i/(i+1)的發動機扭矩分配給輸出軸,將1/(i+1)的發動機扭矩分配給發電機,在城郊工況這是優點,到了高速工況便成了缺點,因為後面這部分功率與串聯混動類似、能量傳遞路徑長。

· 豐田的工程師在這個問題上是做了很多的考慮的,為了解決傳動比反向制約為切入點。減速機構採用了鋼帶傳動是需要在有限空間內解決大傳動比的問題,MG1和MG2的固定傳動比是2.6:1,也就是MG2轉1圈MG1必須轉2.6圈,MG2的轉速是有限制的

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· 在第三代的設計中,豐田的工程師採用了雙行星齒輪減速機構,將傳動比降低到了1.714:1,這樣的設計使得行星齒輪轉動阻力大的問題凸顯出來了,這個傳動的阻力使得系統傳動效率只有約88%

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· 在最新的第四代THS,由於以上的系統效率問題,豐田把之前加入的額外的一組行星齒輪。MG1(太陽輪)和發動機(行星架)依舊同軸,但是分別在行星齒輪組兩側, 改為跟傳統手動變速箱類似的平行軸結構,把MG1和MG2的傳動比降低到了1:1.199,軸向尺寸降低了。MG2不再同軸,其內部行星齒輪組被移除,而是通過一個逆向從動齒輪減速與行星齒輪組的圈尺結合。與圈尺和MG2咬合的從動齒輪軸上還有一個小直徑齒輪與差速器咬合。系統裡面一共有四個平行軸(MG1/發動機,從動減速齒輪,MG2和差速器)軸長得到了降低。新的設計還是不能解耦發動機和電動機,並沒有能去除純電行駛時MG2反拖MG1發電的情況

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2) 豐田做PHEV的一些牽制和努力

基於混合動力系統的問題,豐田在插電式混合動力系統裡面是有點難做的。由於THS行星齒輪架構MG1、MG2傳動比寬容度低,相互制約(MG1最高轉速決定)原理,豐田混動產品從HEV轉換到PHEV,其純電動模式下設計起來就費勁了。我們國家的要求,PHEV狀態,必須有相當的純電運動的狀態,這樣這套系統在EV模式下,需要滿足最高EV車速,車輛的扭矩需求,在純電動模式下很難提高EV車速,在高速下發動機必須啟動為MG1減速,效率反而下降。因此這裡就對於這個轉換需要新的設計,否則的話,基於原有的系統,電機只有在低速、低負荷狀態下才能維持高效區間。

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接下來豐田的卡羅拉和雷凌的PHEV,在純電動模式下的運行來看,就是我們值得關注的地方。

3)比亞迪與豐田的一些對比

比亞迪的技術層面,有一個比較形象的說法:

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第一代:F3DM,這是最為經典的雙模式車DM1技術,一半是燃油,一半是電動,這是比亞迪的嘗試,總體的數量在一定範圍內就進行迭代進入第二代DM技術。

第二代:秦、唐、宋的DM2,在充分發揮純電的特性上,繼續以P3和P3+P4的架構為基礎,增大電池圍繞純電的特性(從50公里做到了80公里和100公里)做文章,主要的考慮點是圍繞著加速特性,這個階段比亞迪的B階段油耗比較高,比亞迪第一階段的衝刺是成功的,隨著競爭對手在核心城市的競爭加劇,在數量上做到了旗鼓相當

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圖 a. 2018年1-7月累計PHEV銷量 b. 插電式混合動力2018年上半年上牌情況

第三代:按照新的技術,主要的方向,有點把德國企業的想的48V的BSG混動的方法改進了原來比較弱的發動機,這一代的DM3技術較於DM2新增了高壓的BSG電機,通過這套P0的系統來補發動機的部分,在B階段油耗、NVH還有動力解耦去做文章,從工信部的油耗來看,有了很大的改善,對比來看這個改進和變化,是提高DM3車型燃油經濟性的關鍵設計

在硬件構型上,原來的發電是很痛苦的事情,需要通過DCT裡面的多個擋位,才能傳遞到電機上給電池補電,由於行車發電是和車輪耦合的,整體的效率點控制很難。

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特意去開發了一個獨立的原地發電,這個時候發動機還在顫抖的給電池充電。在加入了BSG以後,根據比亞迪發佈的資料,多了四個充電模式,主要是根據測試得到的工況,選擇不同的發電路徑。

兼顧啟動、改善起步和行駛中換擋的平順性:當動力電池電量耗盡的時候,在混動狀態下BSG電機,可以幫助發動機有效的控制,對於發動機來說,可以提高換擋的時候轉速,提高扭矩的響應速度和減少衝擊。

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小結:PHEV純電動50公里的特性要求,是制約豐田在國內推廣的一個很大的要素。隨著消費者對比不同取向設計的PHEV,偏向油耗一些還是偏向動力特性的PHEV,我們能真正看到未來市場的真實需求。當然PHEV電池的和綜合成本的下降,是這類技術根本的延續,是否比HEV更有優勢,是值得我們產期關注的。


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