電動汽車混動構型P2、P2.5和P3技術路線定義、區別和優缺點分析

混動構型定義

目前業內分類方式是按照電氣化部件(電機)的放置位置進行分類,其中P的定義就是電機的位置(position):

電動汽車混動構型P2、P2.5和P3技術路線定義、區別和優缺點分析

1、P0電機置於變速器之前,發動機皮帶驅動BSG電機;

2、P1電機置於變速器之前,安裝在發動機曲軸上,在K0離合器之前;

2、P2電機置於變速箱的輸入端,在K0離合器之後;

3、P3電機置於變速器的輸出端,由皮帶、齒輪或與發動機同軸連接,同源輸出;

4、P4電機置於變速箱之後,與發動機的輸出軸分離,一般驅動後輪;

注:也有一種把電機放在變速器上(即由皮帶或齒輪連接的)或集成在變速器內的構型稱為P2.5。

電動汽車混動構型P2、P2.5和P3技術路線定義、區別和優缺點分析

▲博格華納做了一個示意圖,有助於我們理解

電動汽車混動構型P2、P2.5和P3技術路線定義、區別和優缺點分析

▲P0-P4構型示意圖

P2構型解析

所謂電機P2結構,即在原有動力總成基礎上,在發動機與變速器之間加入一套電動機和兩個離合器,來實現混動,見下圖:

電動汽車混動構型P2、P2.5和P3技術路線定義、區別和優缺點分析

▲奧迪A3 P2系統

P2系統可實現多檔位使用,同時可實現純電、內燃機驅動和混合動力驅動的各種模式。

電動汽車混動構型P2、P2.5和P3技術路線定義、區別和優缺點分析

上圖是P2系統的原理以及系統邊界示意圖:可以看到,圖中紅色框內即為P2系統,整個系統由驅動電機、離合器模塊、飛輪、逆變器和其冷卻系統;動力電池和控制系統(電控系統、電池包及其冷卻系統)構成。

因橫置式發動機與變速箱同軸,同時還有水箱等部件,原有的軸向空間基本被限定死,若軸向硬塞一個P2混動模塊,空間會變得更加狹小,同時會犧牲部分性能,開發難度大。

電動汽車混動構型P2、P2.5和P3技術路線定義、區別和優缺點分析

▲舍弗勒P2系統

因此,優化P2結構軸向尺寸,電機的高度集成化佈置是一個很好的選擇,一款P2混動集成模塊由減震器、分離式離合器、執行器、冷卻通道、新能源電機和單向離合器組成。

起步時車輛進入純電驅動模式,該模式下驅動電機通過集成的分離離合器與發動機脫離,直接通過單向離合器向變速箱側傳輸動力以驅動車輛前進。

電動汽車混動構型P2、P2.5和P3技術路線定義、區別和優缺點分析

當系統對發動機發出起動命令後,電機需首先通過分離離合器與發動機結合來拖動發動機達到其起動轉矩條件,最終扭矩輸出再通過單向離合器傳向變速箱。此過程中需要離合器接合以及扭矩傳遞時有很好的可控性和響應特性。

此外,還需儘量減小離合器的轉動慣量使其不超過雙質量飛輪(DMF)的初級第一質量。離合器盤集成了圓柱彈簧減振器功能,通過仿真模擬將電機和離合器相關的共振點移至安全區間,以保證P2模塊的最優匹配設計及其可靠安全性,更好的適應整套動力總成。

電動汽車混動構型P2、P2.5和P3技術路線定義、區別和優缺點分析

P2構型優勢:

P2模塊集成佈置靈活,佔用軸向空間小,對主機廠而言,整車動力總成開發難度小

P2結構位於動力傳動主軸上、變速器之前,因此變速器的所有檔位都可以被電機利用,電機本身不需要太大的扭矩,可以節省成本、減小電機的體積

與傳統內燃機相比,節油效率提高約30%左右,插電式混合動力節油效率更高

P2構型劣勢:

P2結構電機與離合模塊不集成,開發成本低,技術難度不大,但是對於橫置發動機來說,佔用機艙軸向尺寸,整車佈局困難;

P2結構高度集成結構複雜,開發成本高昂,技術難度大,目前P2的集成技術主要掌握在Schaeffler等跨國巨頭手中,國內OEM還沒有成熟的技術;

因P2結構夾在變速器與發動機之間,驅動電機受溫度影響非常明顯,發動機高 溫熱輻射促進電機溫升加速,從而導致電機降功率運行,減少動力輸出,影響動力系統性能。

電動汽車混動構型P2、P2.5和P3技術路線定義、區別和優缺點分析

目前採用P2構型的多是一些大品牌,國內規模小的自主品牌用不起高度集成的P2模塊,且在成本、週期等方面受制於供應商,另外自主品牌緊湊型轎車的橫置發動機很難再塞進去一個P2模塊,即使能塞進去,動力總成的設計硬點也要跟著變化,改動量太大;稍微有實力的自主品牌,不想受制於國際大牌部件供應商,都選擇其他技術路線規避。

國內燃油車改混動時,優先考慮動力總成不變的方案,也是沒有辦法的選擇,尤其是那些自己不會造發動機、只能外購動力總成的車企,讓他們協調變速箱做設變加電機,難度可想而知。

P3構型解析

在很多文章中,Ps與P3被統一稱為P3佈局,但實際上二者還是有區別的,P3是電機與變速箱的輸出軸耦合,可以離變速箱有一定距離,更靠近傳動軸,一般採用齒輪或鏈條傳動。而Ps則是直接整合在變速箱內部的。

實際應用中被人們稱為P3的混動構型,其實往往實際上是Ps。比如大眾速騰混動、奧迪A3 e-tron、沃爾沃T5前驅混動、比亞迪秦等等。使用Ps的方案包含了中混、強混、混合策略插電混動,以及增程式插電混動。

電動汽車混動構型P2、P2.5和P3技術路線定義、區別和優缺點分析

P3構型由發動機、發電機/起動機、電動機通過動力耦合裝置共同組成動力單元。可以工作在純電驅動模式、混合動力驅動模式與發動機驅動模式下。

本田i-MMD屬於P1+P3結構,使用此類型技術的還有上汽乘用車的EDU系統,找機會我們進行分析。

電動汽車混動構型P2、P2.5和P3技術路線定義、區別和優缺點分析

▲本田i-MMD系統(PS構型)

P3構型的優點是,可以用很大的電機來驅動車輛,典型的缺點是驅動電機的工作範圍不能優化,能耗較差、駕駛舒適性也比較差、技術含金量不高。

相比電機在變速箱前的P0、P1和P2佈局,P3最主要的優勢是純電驅動和動能回收的效率比較高。

傳統車用變速箱都有較大損耗,對於插電混動系統來說因為電驅比例高,更是不能忍受的。

電動汽車混動構型P2、P2.5和P3技術路線定義、區別和優缺點分析

▲通用汽車VoltecⅡ雙電機雙星行排PS技術結構簡圖

由於P3直接和驅動軸相連,所以無法啟動發動機,需要單獨匹配一個起動機,所以P3必須在發動機曲軸上裝一個小電機(電動/發電機)用於起動發動機和發電,在變速箱後再裝一個大電機。

P1+P3方案中,中低車速採用純電驅動,發動機僅在高車速時直接驅動車輛,適合A級以上車型、SUV等高速行駛工況較多的車型,綜合油耗2L/100km左右。

電動汽車混動構型P2、P2.5和P3技術路線定義、區別和優缺點分析

▲本田P1+P3構型i-MMD系統

本田i-MMD是燃油增程車的一個變種,發動機驅動不是常態,一般只出現在急加速狀態。

在發動機直連的時候是固定齒比減速器,而不是傳統變速箱,打個比方說就是固定在6檔、8檔,不會降檔。

急加速的時候,發動機經由發電機輸出扭矩,與電動機共同驅動,這個時候的加速力遠比發動機自身降檔加速更強悍。

電動汽車混動構型P2、P2.5和P3技術路線定義、區別和優缺點分析

下圖為典型P3混動結構(鏈條傳動)——

不過,理論上來說,P3比較適合後驅車,有充足的空間予以佈置。此外,也可以增加P0位置的BSG電機連上高壓電,由此變身為“P0+P3構型”的串並聯混動。

電動汽車混動構型P2、P2.5和P3技術路線定義、區別和優缺點分析

P1+P3系統低速加速主要來源於電機,效果也不錯,HEV階段的加速、即發動機階段的加速主要是通過減速箱,可以把i-MMD簡單看成一檔EV的P3與一檔發動機聯合使用,中段加速效果不會太好,電機動力與發動機耦合的過程也會帶來離合器結合的衝擊,一方面會帶來整車駕駛感的衝擊,同時或影響離合器壽命,當然,這些是技術結構的分析。

電動汽車混動構型P2、P2.5和P3技術路線定義、區別和優缺點分析

▲本田的P1+P3構型

但P3因為以下的缺點,尚未有實際應用:

1、因為電機必須與車軸相連,因此電機無法用於啟動發動機,因此P1位置的中低壓啟動電機仍然是必須的,而且為了滿足自動啟停的需要,電機的功率也不能太小,電池也需要加大。

2、電機無法與變速箱或發動機進行整合,需要佔用額外的體積。

電動汽車混動構型P2、P2.5和P3技術路線定義、區別和優缺點分析

▲吉利PS構型

電動汽車混動構型P2、P2.5和P3技術路線定義、區別和優缺點分析

P2.5構型解析

吉利博瑞GE的PHEV版本,採用的動力系統是1.5T+7DCT並採用了P2.5構型的混合動力系統。

P2.5的意思是介於P2和P3之間的一種混動形式,即電動機集成在變速箱內部,並與7DCT二軸的輸入軸時刻相連。

電動汽車混動構型P2、P2.5和P3技術路線定義、區別和優缺點分析

▲所謂P2.5,就是將電機整合進入變速器

相比電動機置於發動機輸出端的P1及變速箱輸入端的P2形式,P2.5在油電銜接瞬時衝擊方面更具優勢。

相比電動機置於變速箱輸出端的P3形式,P2.5可將電動機的力矩通過變速箱多擋位放大,不僅能讓電動機經濟運行區域更廣,而且選型時也可以考慮採用功率更小的電機。

電動汽車混動構型P2、P2.5和P3技術路線定義、區別和優缺點分析

不過,採用P2.5方案將會面臨巨大的挑戰:當電動機始終驅動二軸工作時,一旦發動機提供的動力切入二軸,便會在變速箱的二軸上產生力的耦合過程。如果匹配程序不夠完善,將會在變速箱內部產生明顯的換擋衝擊。

P2.5這套結構給人最大的感覺就是複雜,結構本身複雜,相信對系統的匹配和調校也會比較複雜,比如C1和C2離合器的接合控制、發動機和電動機都作用到2軸上的動力融合等,都需要長時間的經驗積累。

電動汽車混動構型P2、P2.5和P3技術路線定義、區別和優缺點分析

當然,優點也很明顯:首先,電動機可以做得很小巧,因為有了後面擋位的變速器,可以選擇高轉速小體積的電動機。

另外,相對於P2的形式,因為有離合器控制發動機到變速器的動力傳遞,在發動機和電動機的動力融合時,可以做到更自然順暢。

電動汽車混動構型P2、P2.5和P3技術路線定義、區別和優缺點分析


分享到:


相關文章: