雙電機串并聯式混合動力系統(tǒng)解析

【摘 "要】隨著新能源汽車行業(yè)的發(fā)展，市場上涌現出了不同架構的插電式混合動力汽車（PHEV）和非插電式混合動力汽車（HEV）。雙電機串并聯式混合動力系統(tǒng)具有架構簡潔、動力強勁、節(jié)能環(huán)保、可適應多種工況等優(yōu)點，近年來得到了各大汽車企業(yè)和市場的認可。本文詳細介紹雙電機串并聯混合動力系統(tǒng)的布置方式、關鍵零部件，分析其主要工作模式，對混合動力汽車的開發(fā)工作提供指導。

【關鍵詞】新能源汽車；混合動力系統(tǒng)；雙電機；串并聯

中圖分類號：U469.72 " " " "文獻標志碼：A " " " " "文章編號：1003-8639（2023）

Analysis of dual-motor series-parallel hybrid system

Lu Xiang-ke，Zhou Zhe，Huang Zu-peng，Cai De-ming，Lu Shan-shan

（Technology center of SAIC-GM-WULING Automobile Co.，LTD，Liuzhou 545007 China）

【Abstract】With the development of the new energy vehicle industry，plug-in hybrid electric vehicles （PHEVs）and non-plug-in hybrid electric vehicles （HEVs）with different architectures are emerging in the market.Dual motor series and parallel hybrid power system has the advantages of simple architecture，strong power，energy saving and environmental protection，and can adapt to a variety of working conditions，etc.，which has been recognized by major automobile enterprises and the market in recent years.In thispaper，the layout and key component of the dual-motor series-parallel hybridsystem are introduced in detail，and the main working modes are analyzed，which can provide guidance for the development of hybrid electric vehicles.

【Keyword】 New energy vehicle；Hybrid system； dual-motor； series-parallel system

作者簡介：陸向科（1994—），男，工程師，碩士，研究方向為汽車混合動力系統(tǒng)；黃祖朋（1989—），男，新能源技術專家，研究方向為氫燃料電池汽車、鋰離子動力電池系統(tǒng)、大型儲能系統(tǒng)、充配電系統(tǒng)、電動車換電站等（通信作者）。

收稿日期：2022-10-19

面對汽車行業(yè)百年未有之大變局，各大汽車企業(yè)面臨前所未有的機遇與挑戰(zhàn)。為積極響應國家“雙積分”政策及“雙碳”戰(zhàn)略目標，滿足多樣化、個性化的市場需求，各大車企紛紛推出了不同架構的PHEV和HEV車型。目前市面上的混合動力系統(tǒng)可謂百花齊放，按動力傳遞方式可分為串聯式（增程式）、并聯式及混聯式混合動力系統(tǒng)。其中，混聯式又可細分為能量分流式混動系統(tǒng)及雙電機串并聯式混動系統(tǒng)。此前，豐田汽車的能量分流式混動系統(tǒng)以絕對的技術優(yōu)勢穩(wěn)坐著市場的頭把交椅，而并聯式混動系統(tǒng)由于其糟糕的虧電駕駛感受并未能夠獲得消費者的認可。隨著混動專用發(fā)動機、電機、電池及電控技術的發(fā)展，動力強、省油、控制精度要求較高的雙電機串并聯式混動系統(tǒng)迎來了春天。本文重點介紹雙電機串并聯混動系統(tǒng)的布置方式及關鍵零部件，總結分析其主要工作模式，對混合動力汽車從業(yè)者的工作具有指導意義。

1 "布置方式

根據電機布置位置的不同，市面上的混合動力汽車存在P0、P2、P0+P2、P1+P3、P2+P4、P1+P3+P4等多種架構，如圖1所示[1]。常見的雙電機串并聯式混動系統(tǒng)采用的是P1+P3架構，即P1發(fā)電機布置在發(fā)動機與離合器之間，并與發(fā)動機機械連接，P3驅動電機布置在離合器后，與減速器或變速器機械連接。P1+P3架構由Paice公司1999年的專利US6209672提出[2]，目前市面上的雙電機串并聯式混動系統(tǒng)架構大部分是在此基礎上優(yōu)化改進而來 [3]。通過離合器的結合與斷開，該架構可以實現串聯、并聯及混聯多種驅動模式，各模式能夠根據車輛狀態(tài)及駕駛員意圖自動切換，既可使發(fā)動機長時間在高效率區(qū)運轉，又可保持動力輸出的平順性，在節(jié)油的同時滿足駕駛需求。該架構可以通過加大動力蓄電池電量、增加充電部件轉變成插電式混合動力系統(tǒng)，同時可通過在后橋上增加P4電機實現四輪驅動，因此其具有架構簡潔、配置靈活的優(yōu)點。

圖1 "混合動力系統(tǒng)架構

2 "關鍵零部件

雙電機串并聯式混動系統(tǒng)的關鍵零部件為發(fā)動機、發(fā)電機、驅動電機、電機控制器、動力蓄電池、離合器、變速器等，如圖2所示。

圖2 "串并聯式混動系統(tǒng)關鍵部件

2.1 "發(fā)動機

在串并聯式混合動力系統(tǒng)中，高熱效率發(fā)動機是其節(jié)能的關鍵。動力蓄電池的存在使得發(fā)動機能夠有效避免低轉速及高轉速等低效率運轉區(qū)間，長時間維持在高效率區(qū)間運轉。因此混合動力系統(tǒng)的發(fā)動機一般都需要經過專門的設計與調校，其中自然吸氣發(fā)動機一般采用阿特金森循環(huán)，采用該循環(huán)的發(fā)動機極限功率雖不高但可有效提高發(fā)動機的熱效率，一般能夠達到40%以上，從而達到節(jié)能的目的。

2.2 "電機與電控

發(fā)電機、驅動電機及電機控制器是混合動力汽車響應快、動力強勁的關鍵所在。電機與發(fā)動機不同，電機起步即可達到最大扭矩，而發(fā)動機存在渦輪增壓遲滯、吸氣做工慢等缺點，在起步時無法輸出最大扭矩，因此在響應速度上遠不如電機。某廠家的130kW驅動電機的動力響應速度已經做到毫秒級，在0.1s能夠爆發(fā)最大320N·m扭矩，起步加速時可以給用戶帶來很強的推背感，同時0—100km加速成績能夠媲美搭載主流2.0T發(fā)動機的傳統(tǒng)車型。為了節(jié)省布置空間，串并聯式混合動力系統(tǒng)的發(fā)電機、驅動電機一般采用集成式的雙電機控制器（MCU）進行控制，MCU能夠根據整車控制器（VCU）的信號精確控制發(fā)電機與驅動電機的運轉與停止。

2.3 "動力蓄電池

動力蓄電池作為純電動汽車最關鍵的零部件，在混合動力系統(tǒng)中同樣扮演著重要角色?；旌蟿恿ο到y(tǒng)中的電池為功率型電池，需要支持大倍率的充放電，因此動力蓄電池總成必須擁有可靠的循環(huán)性能和良好的散熱性能。目前主流混合動力汽車上使用的動力蓄電池一般為鎳氫電池、磷酸鐵鋰電池及三元鋰電池。鎳氫電池能量密度與鋰電池接近，但其具有“記憶效應”，容易因過度充放電而導致電池容量衰退，設計上需要注重電池管理技術；磷酸鐵鋰電池能量密度低于三元鋰電池，但其工作電壓高，高溫性能穩(wěn)定，電池處于500～600℃高溫時內部化學成分才會開始分解，因此磷酸鐵鋰電池具有良好的安全性能，發(fā)生故障時駕駛員及乘客有充足的時間撤離現場；三元鋰電池能量密度高，同等質量下可顯著提升續(xù)航能力，但三元鋰電池在250～350℃時內部化學成分就會開始分解，受撞擊時容易發(fā)生爆燃，因此需要配套良好的電池管理系統(tǒng)及保護措施。

2.4 "離合器

混合動力汽車的離合器能夠將發(fā)動機及驅動電機輸入的動力進行耦合后輸出，實現串、并聯驅動模式的切換。目前市場上的混合動力汽車主要使用液壓離合器，少部分車型使用電磁離合器。液壓離合器有著性能穩(wěn)定、控制要求較低的優(yōu)點，但同時也存在結構復雜、造價高、動力傳遞效率低等缺點。電磁離合器能夠有效避免液壓離合器的缺點，其采用爪牙式結構，如圖3所示，在中低速時斷電，離合器脫開，實現電機驅動，在高速時通電，離合器結合，實現發(fā)動機直驅。電磁離合器可以通過電機的精準調速實現前后齒輪盤的快速同步，從而實現無感、無縫平順耦合，具有結構簡單、響應快、傳遞效率接近100%的優(yōu)點，而其缺點則是控制精度要求較高，需要廠家擁有較強的整車匹配標定實力。

圖3 "電磁式離合器工作示意圖

2.5 "變速箱

隨著世界各國政策對節(jié)能汽車扶持力度的加大，各大汽車廠商在混合動力汽車專用變速器研發(fā)上投入了越來越多的人力、物力，專利申請數量飛速增長，目前市面上主要存在單擋、兩擋、三擋式3種混合動力汽車變速器（DHT）。單擋式串并聯混合動力系統(tǒng)的布置方式如圖4所示，由發(fā)電機、驅動電機、雙電機控制器、離合器及單擋減速器集成而來，發(fā)電機與驅動電機平行軸布置[4]，其具有結構簡單、制造成本低等優(yōu)點，但同時也存在高速不能降擋提速等缺點。通常，提高電機性能或增加電機數量可以有效避免該缺點，因此單擋式串并聯混合動力系統(tǒng)更容易得到廠家和市場的青睞。兩擋、三擋式串并聯混合動力系統(tǒng)一般是通過增加平行齒輪組或行星齒輪組以及換擋機構實現的[5，6]；變速擋位的增加能夠使發(fā)動機提前介入驅動，同時高速運行時能夠降擋提速，幫助駕駛員更快地完成超車動作。然而，多擋式混動系統(tǒng)需要增加多擋變速器及換擋機構，發(fā)動機需要兼顧低速性能，同時需要較優(yōu)秀的整車調校水平才能有效避免車輛換擋時的頓挫感，因此整車的制造、技術成本將會增加。

圖4 "單擋式串并聯混動系統(tǒng)結構

3 "工作模式

雙電機串并聯混動系統(tǒng)可實現EV、串聯、并聯、動能回收等多種工作模式的無縫切換，使發(fā)動機長時間運行在高效區(qū)，達到節(jié)能的目的，下面將以某廠家單擋式串并聯混動系統(tǒng)為例說明其工作模式。在電量充足的情況下，發(fā)動機不工作，驅動電機依靠動力蓄電池提供的能量驅動車輛，實現純電驅動模式（圖5a）。當車輛需中低速行駛且電池包電量不足時，發(fā)動機啟動后在高效區(qū)運轉并進行發(fā)電工作，車輛依靠驅動電機進行驅動（圖5b）。若車輛需急加速，發(fā)動機啟動進行發(fā)電工作，來自發(fā)電機的電能直接供給驅動電機，配合動力蓄電池中的電能驅動車輛實現急加速（圖5c）。當車輛在中高速行駛時（75km/h以上），離合器閉合，車輛進入并聯模式（圖5d），此時發(fā)動機同樣運轉在高效區(qū)并直接參與驅動，若動力蓄電池電量不足時，發(fā)動機可提高輸出功率，通過發(fā)電機給動力蓄電池補電。當車輛在中高速行駛且動力蓄電池處于高電量狀態(tài)時，發(fā)動機可降低功率，驅動電機參與驅動（圖5e），以此消耗電量，實現動力蓄電池電量平衡；若車輛在中高速行駛時需要急加速，則發(fā)動機、驅動電機同時高功率運行，以實現高速超車。如圖5f所示，車輛松開油門踏板或踩制動踏板時，車輪反拖驅動電機，產生的電能可儲存在動力蓄電池中，實現能力回收。

圖5 "串并聯式混動系統(tǒng)工作模式

4 "結論

本文闡明了雙電機串并聯混動系統(tǒng)的架構及布置方式，詳細介紹重要零部件，總結分析其工作模式。從目前的市場表現來看，單擋式雙電機串并聯混合動力系統(tǒng)具有先發(fā)優(yōu)勢，依靠其成熟的技術及供應體系，已經迅速在市場中站穩(wěn)腳跟。多擋式雙電機串并聯混合動力系統(tǒng)在技術積累上處于劣勢，整車制造成本、匹配標定成本較高，較高的車價使得目前市場表現平平。總之，雙電機串并聯混動系統(tǒng)具有動力強勁、省油、靜謐等優(yōu)點，逐漸得到了消費者的認可；但無論是單擋式還是多擋式雙電機串并聯混合動力系統(tǒng)都仍然需要混動汽車工作者們繼續(xù)努力優(yōu)化，從而促進新能源汽車產業(yè)的健康發(fā)展。

參考文獻：

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（編輯 "楊凱麟）