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新能源汽车混合动力技术路线P0-P4构型解析

浏览量:14 次 发布时间:2018-12-25 19:43 编辑:四川 来源:四川新闻

对混合动力比较关注的读者,应该在阅读一些文章的时候接触过所谓的“Px混动”的说法,这是什么意思呢?其实这指的是电机的位置,用来区分各种有变速箱的并联与串并联(混联)混动构型。

P是position的意思。对于单电机的混合动力系统,根据电机相对于传统动力系统的位置,可以把单电机混动方案分为五大类,分别以P0,P1,P2,P3,P4命名。


一、P0是电机放在传统启动机的位置

1、定义

传统汽车发电机与发动机曲轴通过皮带柔性连接。当发动机运转时,会有少量的能量传递到这里带动逆变器发电。

P0就位于发动机前端附件驱动系统(FEAD:Front End Accessory Drive)上,也就是普通汽车上逆变器的位置。P0混动就是把这个逆变器换成了一个比较大的电机。


位于发动机前部的该辅助系统包括电动机、电动涡轮、一体式发电机/起动机、高压发电机等。

2、结构

传统汽车上的FEAD如下图所示,其中Crank为发动机曲轴,Alt.为逆变器,给车载12V电池充电以满足电动车窗、车灯、电启动器、车载多媒体系统的用电需要,A/C为空调压缩机,supercharger为机械增压器,P/S为Power Steering助力转向,在这里是机械液压助力的油泵,Water Pump为冷却发动机的水泵,Tens为张紧器用于调节皮带的受力,即传递到皮带上的能量的大小。此外一些老系统用于控制进气时间的凸轮轴也在这个皮带上。

P0系统一个重要的优势是,有了功率较大的BSG(Belt-driven Starter/Generator 皮带传动启动/发电一体化电机),再配合较大的蓄电池,就可以做到在等红绿灯发动机停机的时候,带动空调的机械压缩机运转。而P1系统如果要实现同样的功能,就需要使用电压缩机。

不过,即使P0混动有张紧器,一般来说,皮带这种软性连接的效率仍然有限,因此无论是给发动机加力还是回收动能的功率都有限。


P0因此一般只应用于自动启停系统,以及12-25V微混和48V弱混。

3、应用车型

奥迪SQ7 TDI:




典型的微混系统-采用超级电容的马自达i-Eloop,即是P0布局:



下图是奔驰在A级和B级上使用的P0混动方案,其中wasserpumpe是水泵,Kurbelwelle是曲轴,Klimakocpressor是空调压缩机。

液压皮带张紧器Hydraulischer Riemenspanner在P0混动中是一个比较重要的部件,需要比一般的张紧器调节张力的能力更强,从而保证在启动发动机和动能回收时有较大的传动效率。

二、P1是电机放在发动机后离合器前原来飞轮的位置

1、定义

其实与P0相仿,只不过P1是将ISG(Integrated Starter and Generator盘式一体化起动机/发动机)固连在了发动机上,它取代了传统的飞轮,发动机曲轴则充当了ISG电机的转子,所以它同样支持发动机启停、制动能量回收发电。

只要发动机在运转,转子就跟着旋转,给定子加一个交流电压,有机械连接的P1布局传动效率要高得多,除了自动启停、微混和弱混外,还可以应用在100-200V电压的中混系统中。

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,以此让汽车保持动力输出与节油性的高度平衡。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。



2、结构

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 曲轴相连的好处:与皮带轮相比更节油。实际应用中,较高的驱动力矩使得驾驶性能更佳;坏处:由于力矩密度高,成本较高;变速箱不同,需要有不同的设计方案,逆变器的功率要高一些。

这两种布置方式都不适合电机、电池更大的强混系统。因为不管是P0还是P1,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。

3、应用车型

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。



三、P2也布置在发动机和变速箱中间

1、定义

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。



2、结构

P2的模式是:发动机-离合器1-电机-离合器2-变速箱-差速器-车轮。

P2是目前市面混动车型采用最多的模式。电机放在离合器后变速箱前,通过在发动机与变速箱之间插入两个离合器和一套电动机来实现混动;是一种并联式的两个离合器的混合动力系统。P2和P1模式基本相同,唯一区别在于电动机和发动机之间有没有离合器,是不是可以切断电动机的辅助驱动。

和P1不同的是,P2系统实现纯电驱动了。

3、特点

相比于P1,P2有以下几个优势:

因为和发动机之间有离合器,因此可以单独驱动车轮;在动能回收时也可以切断与发动机的连接。

因为和轴之间可以有传动比,因此不需要太大的扭矩,可以降低成本和电机的体积。

▼大众图昂3.0升V6柴油机8速自动变速器P2构型(双离合器),谁能告诉小编这车多少钱?


但P2也有劣势,它只有在变速箱切换到空挡的时候,才能切断与车轮的连接,从而可以用于启动发动机。但如果变速箱不能很快的切到空挡(基于行星齿轮的AT可以),就需要一个额外的启动电机来满足自动启停系统频繁快速启停电机的要求——或者是一个在P1位置的中低压启动电机,或者是一个在P0位置的48V以上的中高压BSG电机。后者有两个电机接了中高压,因此一般也被称为“P0P2系统”,是双电机直连混动(串并联)的一种。

4、舍弗勒的P2构型

从系统结构原理可知,P2是在发动机和变速箱中间硬生生的夹入了一个离合器和一个电机,这将会引入一个极其麻烦的问题:轴向尺寸的增加。

主机厂的工程师都知道,有时最大的麻烦就是布置问题。为了解决这个硬件上的问题,攻城狮们也是蛮拼的,想出了好多点子:发动机减缸(四缸变三缸,六缸变四缸)、壳体一体化设计方案、离合器进一步缩入电机内部, 见下图:

说实话这真是堪称机智的硬件设计方案!舍弗勒将离合器系统集成至电机的定子中,推出电动中心式执行机构(ECA),减少执行机构的体积的同时提高离合器的控制精度。

中心的12v无刷直流电机可实现约0.002mm的高精度单步增量控制,使得舍弗勒P2系统可以在“行进间起动发动机”时精确地控制发动机和电机之间的扭距传递。

舍弗勒为什么在中国推P2?

实际上,Schaeffler舍弗勒除了P2还有48V系统和纯电驱动系统,主推P2当然是经过lao jian ju hua 深思熟虑的了:

1) 政府2020油耗目标,P2节油率高

2) P2为模块化设计,集成方便

3) 相比开发一套新的混动系统,P2成本低

4) P2可以拿中国插电式混合动力补贴(要求纯电续驶里程>50km)


目前哪些车搭载舍弗勒的混动系统?

在欧洲P2方案最为流行,但欧洲主机厂硬件集成和开发能力较强,舍弗勒多是作为零部件(clutch)供应商,满足主机厂的开发需求即可:

VW的Jetta Hybrid、Audi的A3 etron舍弗勒多是作为系统供应商。

舍弗勒推出P2混动模块的最大特点是它可以与现有的发动机和变速箱构成的动力总成相配合达成混动系统,因为其具有非常紧凑的体积,并且在不需要昂贵的离合器配合下可提供超过800Nm的扭矩。可以适应包括从中混到插电重混的各种车型。

舍弗勒P2混动模块以一种创新性的方式来分配动力走向。扭矩由电机向发动机方向传递启动发动机时,其由可分离式离合器Disconnect clutch传递,可传输最大300Nm的扭矩。而发动机和电机向变速箱侧输出动力的时候,其通过单向离合器One way clutch传输扭矩,最大可达到800Nm。


5、应用车型

代表车型奥迪a3 e-Tron,大众用自己的1.4TSI发动机,搭载永磁同步电机6速DSG自动变速器,峰值功率可以达到150千瓦,而峰值扭矩可以飙升到350牛米。


四、P3是电机放在变速箱后面直接驱动主减

1、定义

P3模式是将电动机挪到了变速箱的末端,模式是:发动机-离合器--变速箱-电机-减速器-车轮。

P3模式下的纯电动驱动需要克服前面被拖动的变速箱的加速阻力,电机的换挡是无级且无动力中断。相比在电机在变速箱前的P0、P1和P2布局,P3最主要的优势是纯电驱动和动能回收的效率。传统车用变速箱都有较大损耗,对于插电混动系统来说因为电驱比例高,更是不能忍受的。

2、结构

P3因为电机必须与车轴相连,因此电机无法用于启动发动机,因此P1位置的中低压启动电机仍然是必须的,而且为了满足自动启停的需要,电机的功率也不能太小,电池也需要加大。

但是,一个新的问题出现了,如果用于自驾、露营,需要用电,这时候,P3的缺点就出来了,当电池电量用完后,只能放弃电器;P2就可以启动发动机发电,满足如同电磁炉等大功率的用电电器。

▼法拉利LaFerrari混动超跑P3构型


吃瓜群众会问了,P2和P3这两个结构有什么不同吗?其实,你可以理解它们是一样的,毕竟大家所了解的混动,能单独纯电跑,能充电,还能油电一起跑,能省油,至于什么结构,消费者基本不会太在意。

难道P2优秀于P3?不见得。P3会比P2少一组离合器,且纯电传动更为直接,更高效。比如比亚迪的秦,在急加速方面就表现非常突出,其它混动基本望尘莫及。同样,在行驶过程中,可以选用合适的挡位后结合对应的离合器来启动发动机,相比P2就容易些,更像是反拖发动机启动。

最关键的是,对于工程师而言,分体设计的难度更低,驱动电机不会在原来的双离合器的位置上硬挤出空间,满足电机的安装。但是,单减速器带来的高性能电机,可能会提高成本。

另外,匹配过电机的同行都清楚,额定扭矩和峰值扭矩,以及与发动机的叠加扭矩,会对DCT的离合器匹配提出更多的要求。相比秦的P3在匹配电机的时候,DCT的双离合器总成未发生更改设计而言,高尔夫的GTE就不见得有那么幸运,可能大家都会认为,DQ250的350牛米的输入扭矩未发生变化啊?

事实是,原本匹配2.0T的发动机,如今改成低功率的1.4TISG,才满足了整车需求,而原本能满足超过220公里每小时的车速,如今被降低到202公里每小时。其实最高车速对于我们而言,意义不大,而百公里提速的变化比较微弱,原因就简单多了,变速器是个“管家”的嘛,宅子里的爆棚能力,就是“管家”的极限能力。


比亚迪用自己的1.5T6速DCT自动变速器,再加上110KW的电机,完成插电混的动力总成。

P3构型的缺点:电机无法与变速箱或发动机进行整合,需要占用额外的体积。理论上来说,P3比较适合后驱车,有充足的空间予以布置。此外,也可以增加P0位置的BSG电机连上高压电,由此变身为“P0-P3构型”的串并联混动。

3、应用车型

代表车型:本田i-DCD、比亚迪-秦、长安逸动。现代的混合动力采用这种系统,此外法拉利的LaFerrari混动超跑也是。

五、PS是电机位于变速箱内部

在很多文章中,Ps与P3被统一称为P3布局,但实际上二者还是有区别的,P3是电机在变速箱的输出轴耦合,可以离变速箱有一定距离,更靠近传动轴,一般采用齿轮或链条传动。


而Ps则是直接整合在变速箱内部的。Ps系统都是基于双离合变速箱的,它很好的利用了双离合变速箱可以在两个输入轴之间切换的特点,将电机集成到了其中一轴(一般是偶数挡位轴)上面。

实际应用中被人们称为P3的混动构型,其实往往实际上是Ps。比如大众速腾混动、奥迪A3 e-tron、沃尔沃T5前驱混动、比亚迪秦等等。使用Ps的方案包含了中混、强混、混合策略插电混动,以及增程式插电混动。

六、P4是电机放在后桥上,另外轮边驱动也叫P4

1、定义

P4模式是把电动机放在了驱动桥,直接驱动车轮。P4布局的电机既可以通过链条或齿轮驱动前轴/后轴,也可以干脆就像讴歌NSX混动超跑那样在一侧取消轮轴,而直接用两个轮毂电机,这样一来转弯的性能更高(不过对于电控的要求也极高),二来省去了轮轴和差速器带来的效率损失和额外车重。

P4布局最大的特点是,电机与发动机不驱动同一轴,这意味着:

(1)车辆可以实现四驱

(2)电机与发动机实际上是通过地面耦合的,工作性质虽然跟其它简单并联很类似,但在车内部不存在任何机械连接。

2、结构

P4布局的特性与P3布局大体相似。不过,大部分P4布局(只有一个P4电机接了高压电)不能随意在纯电驱和纯发动机驱动之间切换,这意味着前后驱的切换,不利于车辆操控性和舒适性。P4混动大多应用于各种插电混动,或者是弱混模式,因为不方便纯电驱与纯发动机驱动间的切换,P4强混反而是比较少的。

因此,大部分P4混动要不像宝马i8这样,采用插电混动,以电机后驱为主,只有在需要更大功率时才启动发动机驱动前轴:


要不像沃尔沃前驱平台SUV的T8混动四驱,以及宝马后驱平台轿车的混动四驱一样,另一轴的电机只作为辅助,车辆仍然以发动机驱动为主:



而为了保证时常有电量驱动另一轴的电机,这两款车同时在发动机的驱动轴也有一个电机,宝马在P0,沃尔沃T8在P2,一来用于启动发动机,二来可以给电池充电,三来也能给前轴提供驱动力。这两个构型可以分别称为P0-P4和P2-P4。其中宝马的P0-P4构型因为发动机-P0部分可以与车轮断开连接,实现了停车充电的功能,甚至也提供了串联模式-主电机在前轴驱动汽车,而发动机在后轴负责带动P0电机充电。

或者比较特殊的像比亚迪唐这样,以主电机在前轴电驱为主,但用来增程的发动机也放在前轴,后轴只有小电机。这是因为唐的发动机除了增强动力外,还要负责用来增程,而不像宝马的发动机主要是用来增加动力的,因此主电机和发动机放在同一轴。

而其实这种车型也可以采用P1-P4布局,主电机在前轴负责主要驱动,后轴的发动机和P1电机在与车轮断开连接后,与前轴电机形成串联模式,在保持前驱的可以由发动机增程。在需要最大性能时再一起驱动。只不过因为比亚迪没有发动机后驱布置的经验,所以无法采用这种路线。



3、应用车型

比亚迪唐是P2加P4.这种混动模式主要用于跑车和越野SUV上。例如保时捷918 Spyder、讴歌NSX、宝马i8等跑车,它们的前轮就是由电动机直接驱动的。当然它们的后轮也是发动机加电动机的混合驱动方式。

所以简单讲,从P0-P4这所有的模式,有个共同点就是保留了传统档位的变速箱。


前瞻技术

 
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