徐向阳教授《自主插电混动系统对比分析》
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徐向阳教授《自主插电混动系统对比分析》

徐向阳 2022-06-15

根据《节能与新能源技术路线图2.0》规划,2025年混合动力乘用车占传统车销量的50%以上,2035年混合动力乘用车占传统车总销量的100%,加上“双碳”目标推动,使2021年成为中国汽车行业自主混动车型的元年,特别是插电混动车型更是异军突起,2022年插电混动车型继续保持成倍的增长速度。经过多年的研发积累,自主混动系统百花齐放,比亚迪、长安、长城、吉利、广汽、奇瑞、上汽等纷纷推出自己的混动系统并搭载在各自的主力车型上市销售。北航智能传动研究中心(ITRC)长期从事混动技术研究,本文结合团队前期研究成果,对自主混动系统特别是代表性插电混动变速器进行对比分析,供企业研发人员和消费者参考。

一、混动技术路线分类和特点

混合动力汽车是指同时装备两种动力来源——热动力源(由传统的汽油机或者柴油机产生)与电动力源(电池与电动机)的汽车。通过使用电机,使得动力系统可以按照整车的实际运行工况要求灵活调控,而发动机保持在综合性能最佳的区域内工作,从而降低油耗与排放。与变速器有MT/AT/DCT/CVT/AMT一样,混动也有不同的技术路线:串联、并联、混联,其中并联和混联技术路线还有多个细分的技术路线。传统自动变速器AT/DCT/CVT/AMT各有优缺点,串联、并联、混联三种技术路线也是各有优缺点,混动技术路线选择通常是企业综合自身资源情况、混动技术特点、产品属性需求、成本等因素确定。

1.混动技术路线工作模式分析

在实际运行过程中,不同构型的混动系统主要通过不同工作模式切换来实现最优的工作状态;串联构型无法实现并联下的工作模式,并联则无法实现串联的工作模式,而混联(又分为:功率分流、串并联两种类型)则具备串联和并联的特点,但针对P13串并联,发动机必须在一定车速条件下才可实现并联功能。各种混动技术工作模式见表1。

表1  混动技术工作模式

2.混动技术路线优劣势对比

不同的混动技术由于结构和工作原理不同,各有优劣势。混动产品在选择构型的时候,需综合考虑技术路线的技术和产业基础,以及技术路线实现的难易程度和整车产品定位。并联构型的二级构型较多,包括P0、P1、P2、P2.5、P3等多种,其中P2构型与其他单电机构型相比,综合技术和性能优势明显,更适合高压插电混动车型,已成为单电机并联混动发展方向,因此并联构型选择P2进行对比,见表2。

表2  混动技术路线定性对比

二、各国混动技术路线的选择

1.日本

1997年3月丰田混动系统THS实现量产,1997年12月搭载THS系统的丰田普锐斯上市销售。丰田THS非常巧妙地利用了行星排三元件、二自由度的特点进行机电耦合和功率分流,成为功率分流型混动变速器的经典,经过二十多年的演变,目前已经发展到了第四代。2014年,本田公司首创了基于定轴齿轮传动的混动变速器i-MMD,成为串并联混动变速器的典型代表,目前已迭代进化到第四代。日产则选择了串联混动技术路线,推出了Note E-power串联混动系统。

2.德国

2007年,采埃孚推出了第一代8AT变速器(纵置),并于两年后正式量产。2011年,ZF 8AT迎来了首个换代,引入了并联式混合动力概念;2018年,采埃孚第三代 ZF 8AT变速器系列产品中,推出了在8AT中集成K0离合器和P2电机的P2-8AT并联混动系统。几乎同时,奔驰也推出了P2-9AT并联混动变速器,大众和奥迪分别在横置和纵置DCT中集成K0离合器和P2电机的三离合器P2-6DCT并联混动变速器。

3.美国

美国车企混动系统的典型代表是通用沃兰达,属于双模功率分流型混动系统。

4.韩国

韩国现代起亚的技术路线与欧洲相同,是在AT变速器中集成K0离合器和P2电机的P2-6AT/8AT并联混动系统。

5.中国

中国自主混动技术的研究起步于吉利的双模功率分流混动系统,但产业化很不顺利,后来吉利在其7DCT的基础上,集成P2.5电机,推出了P2.5-7DCT并联混动变速器,2021年吉利推出了雷神混动系统,发布了国际上首个发动机3挡驱动的串并联混动变速器3DHT。2008年,比亚迪推出第一代混动变速器,采用双电机串并联方案;2013年和2018年比亚迪推出第二代和第三代P3-6DCT并联混动变速器;比亚迪最新一代混动变速器DM-i则是单挡串并联混动变速器。长城首先在7DCT和9DCT、9AT的基础上,推出了P2-7DCT和P2-9DCT、P2-9AT并联混动变速器,2021年又推出了发动机2挡驱动的串并联混动变速器2DHT--柠檬混动变速器。2008年北京奥运,长安汽车投入混动车型开展示范化运营,2017年和2018年分别推出了搭载P2-7DCT的逸动PHEV和搭载P134串并联电四驱的CS75PHEV量产车型,2021年最新推出的蓝鲸iDD混动系统,采用P2-6DCT并联混动变速器。奇瑞2021年发布了3挡串并联混动变速器鲲鹏混动系统。广汽在GMC一代单挡串并联混动变速器的基础上,2022年推出了GMC二代2挡串并联混动变速器。上汽第二代EDU在2019年发布,采用的是P2.5路线的单电机并联混动系统。目前主流国产汽车厂商均推出了各自的最新一代混动系统,可谓百花齐放,各家技术均各不相同,实车表现相对各自的前一代产品均有明显优化。

混动变速器的技术和产业基础是传统自动变速器,各国技术路线的选择与其技术基础和产业基础密切相关。由于丰田有爱信AT技术基础,对行星排应用得心应手,因此丰田是基于行星排的功率分流型混动变速器(THS);而本田的AT技术是基于定轴齿轮传动,因此本田的混动变速器是基于定轴齿轮传动技术的串并联混动变速器(i-MMD)。在欧洲,ZF是全球最大AT变速器企业之一,大众则是最早推出DCT的企业,因此以德国为代表的欧洲的主流技术路线是:P2-DCT/AT并联混动。韩国的技术路线与欧洲相似。美国通用是AT变速器的鼻祖,对行星排的运用更是非常娴熟,因此以通用为代表的美国的技术路线是基于行星排的双模功率分流型混动变速器。中国自动变速器技术路线百花齐放,因此混动技术路线也是多元化,既有P2/P2.5-DCT/AT并联混动变速器,也有不同发动机和电机驱动挡位数量的串并联混动变速器(DHT)。

混动技术路线的多样化表明:混动变速器技术路线有技术和产业基础的传承,不同混动技术路线各有优势和劣势,没有最好的技术路线和产品,只有最适合企业自身优势和车型的技术路线和产品。

三、混动技术路线仿真对比分析

考虑自主混动变速器搭载整车的市场表现和产品技术路线的代表性,选择比亚迪DM-i(_单挡,DHT)、长城柠檬混动(两挡,2DHT)、吉利雷神(三挡,3DHT)和长安蓝鲸iDD(P2-6DCT)作为对比分析的对象。尽管是4款混动变速器,其实就是两大类,一类是采用双电机的串并联混动变速器(比亚迪DM-i、长城柠檬、吉利雷神),另一类是采用单电机的并联混动变速器(长安蓝鲸iDD)。串并联混动变速器和并联混动变速器的构型示意图如图1示。

1.双电机串并联混动特点

如前所述,双电机串并联混动最大的特点是采用两个电机,一个发电机,一个驱动电机。由于有两个电机,串联混动比并联混动多了一个工作模式:串联模式。串联模式下,发动机可在高效工作区带发电机发电,驱动电机则可纯电驱动车辆,发动机发电和纯电驱动可以同时进行,这有利于更多地利用纯电驱动模式,也有利于改善车辆在低速亏电行驶工况下的燃油经济性。但串联模式因为存在能量的多次转换会增加一定的能耗损失,不如利用发动机高效区直接驱动更有利。所以,在发动机高效区,如车辆在中高速行驶时,串并联混动的燃油经济性和动力性就不如多挡位并联混动。这也是串并联混动变速器挡位数量从1挡增加到3挡的主要原因,因为增加发动机挡位数量,可以更多地利用发动机直驱,可以提高串并联混动系统的动力性和经济性。

北航智能传动研究中心(ITRC)提出了基于动态规划算法的全局最优能量管理策略,以B级车为例,对1-3挡串并联混动(DHT/2DHT/3DHT)变速器构型方案动力性和经济性进行了对比研究,结果表明,1-3挡串并联混动动力性和经济性的排序见表3。动力性方面,顺序从1到9,百公里加速时间相差约2秒,80-100公里加速时间相差约1.5秒。经济性方面,顺序从1到9,WLTC循环亏电工况下,百公里油耗相差0.22升,发动机3个挡位、电机3个挡位比发动机1个挡位、电机1个挡位,百公里油耗可以降低4.42个百分点。

表3 串并联混动不同挡位数量动力性与经济性对比排序

通过对比研究还发现:对串并联混动系统,发动机挡位数量的增加比电机挡位数量的增加对改善经济性贡献更大;电机挡位数量的增加比发动机挡位数量的增加对提高动力性贡献更大。但发动机和电机两个挡位以上再增加挡位,对经济性和动力性的改善不如从发动机1挡、电机1挡增加到发动机2挡、电机2挡明显。而挡位数量增加,混动变速器机构复杂度会增加、平顺性和NVH的控制难度也会增加,所以,挡位数量的确定,需要综合考虑。综合考虑动力性、经济性和结构复杂度、控制难度、生产成本等,发动机3挡、电机2挡应该是比较理想的构型方案。

我们还对比研究了发动机热效率对串并联构型经济性的影响,在其他参数不变的情况下,混动发动机热效率从35%提高到40%,WLTC循环燃油经济性可以提高11%以上,因此提高发动机热效率是提高各种串并联混动构型燃油经济性的更有效技术手段。

2.单电机并联混动特点

自主单电机并联混动技术路线最具代表性、市场表现最好的应该是长安蓝鲸iDD混动系统(P2-6DCT)。

P2技术路线属于并联构型中的二级构型之一,是并联构型中应用最广的一条技术路线。国外的代表产品主要有大众GolfGTE 、奥迪A6L、宝马5系等欧洲品牌,主要是面向极致性能产品的打造;国内目前在售的产品是长安UNI-K iDD,P2并联混动也是长安面向高端UNI序列打造的混动技术路线。

从前面的介绍可以看出,在德国ZF和奔驰、大众等引领下,P2技术路线在欧洲和韩国等也是一条炙手可热的混动技术路线。据统计,2021年全欧洲乘用车销量达到1177万辆,下降了1.5%,但HEV销量上升58.5%,BEV销量上升63.4%(市占率达到10.3%),PHEV销量上升68.5%(市占率达到8.9%),PHEV增速超过BEV增速。2021年欧洲PHEV总销量1405022辆,销售前10的PHEV中,除Ford Kuga和Mitsubishi Outlander以外,其他的PHEV都是基于AT或者DCT的P2并联混动系统,P2并联混动系统在欧洲PHEV市场占比超过四分之三。

但P2并联技术路线在中国实施存在两大难题:第一,主机厂必须要拥有自主开发自动变速器的能力,相比于串并联混动采用简单的单挡或者两挡减速机构,P2并联混动传动系统采用的是多档位DCT、AT或AMT(面向商用车市场),因此企业在AT和DCT研发方面必须要有很强的技术和产业化能力;第二,主机厂必须拥有很强的集成能力,传统的P2系统都是简单将电机与变速器进行直接简单叠加的方式,导致整个系统轴向尺寸长,P2电机功率和扭矩偏小,平台化应用难,系统效率也不高,构型动力性好的优势不能被充分发挥出来。这使P2并联混动技术路线在中国很长时间没有突破,长城、吉利等尽管研发出了基于多档DCT的P2或P2.5并联混动系统,但也把精力转向用在了串并联混动技术路线上。

其结果是长安成为对P2并联混动技术路线最坚持的车企。2013年长安推出了第一代分离式的P2系统,但意识到若不解决最重要的平台化问题,并使混动系统动力性和经济性具备与串并联混动、功率分流混动具有同台竞争的实力,实现该技术的大规模应用不太现实。基于此,2021年长安推出了蓝鲸iDD混动系统,其核心技术是将三离合器(K0离合器和6DCT中的双离合)高度集成并采用大功率和扭矩的P2电机,通过对电机与变速器的高集成设计,蓝鲸混动变速器轴向尺寸仅为415mm,保证了蓝鲸iDD混动系统可以实现从A级到C级车的平台化搭载。

北航智能传动研究中心(ITRC)提出了基于动态规划算法的全局最优能量管理策略,以B级车为例,也对具有6-8个挡位的P2并联混动变速器构型方案的动力性和经济性进行了对比研究,结果表明:

6-8挡P2并联混动系统动力性的排序依次是:P2-8DCT,P2-7DCT,P2-6DCT,三者百公里加速时间P2-8DCT比P2-6DCT仅快0.04秒,80-100公里加速时间P2-8DCT比P2-7DCT仅快0.06秒, 80-100公里加速时间P2-6DCT比P2-7DCT还快0.03秒。

6-8挡P2并联混动系统经济性的排序依次是:P2-8DCT,P2-7DCT,P2-6DCT,三者WLTC循环亏电工况下,百公里油耗P2-8DCT比P2-6DCT仅相差0.0249L。

通过对比研究,发现对于P2并联混动,挡位数量的增加可以改善经济性和动力性,但挡位数量的增加,对动力性和经济性的改善非常有限。综合考虑动力性、经济性和结构复杂度、轴向尺寸、控制难度,P2-6DCT是比较理想的P2并联构型方案。

我们也对比研究了发动机热效率对P2并联构型经济性的影响,在其他参数不变的情况下,混动发动机热效率从35%提高到40%,WLTC循环燃油经济性同样可以提高11%以上。因此,提高发动机热效率是串联、并联和串并联等各种混动技术路线进一步改善燃油经济性的更有效技术手段。

3.串并联和并联混动系统的横向对比分析

北航智能传动研究中心(ITRC)用前述方法,也对1-3挡串并联和6-8挡P2并联混动系统进行了横向对比研究。结果表明:在WLTC循环亏电工况下,P2并联混动的百公里油耗与发动机2个挡位、电机2个挡位串并联油耗水平相当,P2并联混动百公里加速时间与发动机1个挡位、电机2个挡位串并联混动加速时间相当,优于发动机1个挡位、电机1个挡位的串并联混动。

上述对比分析结果是基于全局最优能量管理策略,对电机功率和扭矩、各挡位传动比遍历优化的结果。实际产品性能,由于发动机、发电机、驱动电机、各传动路径传动比、电池充放电功率、能量管理策略等不同,会有所变化。但仿真结果对于理论上定性、定量分析不同挡位串并联混动和不同挡位P2并联混动系统的动力性经济性差异,具有非常高的参考价值。

四、四款自主插电混动变速器性能对比

为了对插电混动技术路线的性能有直观认识,考虑自主PHEV混动技术路线的代表性和PHEV车型的市场表现,选择比亚迪DM-i(单挡,DHT)、长城柠檬混动(两挡,2DHT)、吉利雷神(三挡,3DHT)和长安蓝鲸iDD (P2-6DCT)进行对比。这四款PHEV混动变速器的构型简图、工作模式/挡位逻辑简图、发动机和驱动电机等的关键技术参数见图2。

基于前面介绍的不同混动系统技术路线的特点和北航ITRC团队的仿真分析,结合图2中实际产品技术参数,4套代表性混动系统综合评价见图3,各款混动系统特点总结如下。

图2  自主插电混动变速器技术性能对比

1.长安蓝鲸iDD混动系统

  蓝鲸iDD混动系统采用了S-winding绕组技术的低速大扭矩电机,发动机在4款发动机中输出扭矩是最高的,再加上6个直驱挡位,使蓝鲸iDD的起步和中高速加速性能都很优秀。6个直驱挡使发动机直驱的动力响应性更好,亏电行驶时,驾驶感受与燃油车几乎完全相同;纯电行驶、特别是中高速亏电行驶时,借助多档纯电驱动,驾驶感受好于串并联构型,这使蓝鲸iDD混动系统特别适合喜欢长途旅行、对动力响应要求快、驾驶感受追求高的消费者。并联混动属单电机混动系统,比串并联混动少了一个电机及控制器,所以蓝鲸iDD混动系统受电机和电机控制器原材料成本影响波动小,并可在传统变速箱基础上通过改造升级实现,开发成本较小,综合性价比高。得益于蓝鲸发动机的高热效率和iDD混动变速器高效率设计技术(智能双电子油泵、高压液压系统等),和发动机具有更多的直驱挡位,iDD的燃油经济性也很优秀,UNI-K 2.075吨车重,NEDC循环亏电油耗百公里仅5升。虽然iDD将高集成度三离合器P2模块与6DCT高效集成,但6DCT轴向尺寸较大,影响其轴向紧凑性,结构复杂度也比串并联混动系统要高。 

2.比亚迪DM-i混动系统

比亚迪DM-i是国内最早大批量产业化应用的新一代插电混动系统,也是目前市场上占有率最高、知名度最高的插电混动系统,因此,其产品和技术的成熟度在四款混动系统中是最成熟的。大容量电池插电混动技术在中国市场异军突起,比亚迪DM-i是开拓者,比亚迪DM-i为插电混动技术市场化和串并联混动技术路线被市场认可做出了重大贡献。另外,比亚迪DM-i发动机和电机都是单挡驱动,因此,其结构最简单,工作时没有挡位切换,只有工作模式切换,换模换挡控制简单、换模换挡平顺性优秀。尽管如此,由于DM-i发动机和电机仅1个挡位,纯电驱动不能改变传动比,增加电驱动能力,这影响了其动力性和纯电驱动性能,尤其在低速爬坡和高速超车的场景的影响更明显。另外,在轻量化设计方面,尽管DM-i结构简单,但系统重量并没有明显优势。

3.长城柠檬混动系统

长城柠檬混动系统也属于串并联混动系统,发动机有2个挡位,电机1个挡位,与比亚迪DM-i相比,发动机有更多的高效直驱工作时间,燃油经济性也表现更好。与其他三款混动系统相比,长城柠檬混动系统的各个性能没有最好的,但也没有最差的,各项指标都是处于较好的水平,非常的均衡,这种均衡性的设计本身就是很大的挑战。与比亚迪单挡串并联和吉利3档串并联混动系统相比,长城柠檬混动系统应该是性价比最高的串并联混动系统。因此,长城柠檬混动系统的设计富有中国智慧,具有典型的中国文化特征:中庸,但不平庸,与长城柠檬和摩卡系列车型定位非常匹配。

4.吉利雷神混动系统

吉利雷神混动系统是世界上第一套发动机3挡电机2挡的串并联混动系统,巧妙地利用了行星变速机构功率密度高、传动路线多、离合器和制动器与电机嵌套设计等集成化设计手段,实现了轴向尺寸仅有354mm、重量仅120kg的高紧凑性、高集成化和高水平轻量化设计。由于发动机有3个直驱挡位、电机有2个挡位,使雷神混动系统的燃油经济性和纯电驱动性能都很优秀。但两个行星排、两个离合器和两个制动器的传动方案,增加了系统的复杂度和控制的难度,也增加了系统的制造成本。另外,吉利雷神混动系统是这四款插电混动系统推向市场最晚的,其产品还需要更多的市场考验。但好饭不怕晚,作为国际上目前技术上最先进的串并联混动系统,相信吉利雷神混动系统在未来会有很好的市场表现。

综上所述,自主四款混动系统得分非常接近,各有优势和特色,可以说这四款混动系统代表了中国自主混动系统不同细分技术路线的最高水平。

五、结论

(1)串联、并联、混联三种技术路线各有优缺点。混动技术路线选择通常是企业结合自身资源优势、混动技术特点、产品属性需求、成本等综合考虑而做出的最适合自身企业的结果。

(2)混动技术路线多样化是国内外共同的发展趋势,不同混动技术路线各有优势和劣势,没有最好的技术路线和产品,只有最适合企业自身优势和车型的技术路线和产品。消费者在混合产品选择时,也需要结合自身的需求进行混动产品的选择。

(3)对串并联混动系统,发动机挡位数量的增加比电机挡位数量的增加对改善经济性贡献更大;电机挡位数量的增加比发动机挡位数量的增加对提高动力性贡献更大;2挡或3挡串并联混动系统性能更优。对于并联混动,挡位数量的增加,也会改善动力性和经济性,但6-8挡之间相差很少。因此,并联混动6挡是性价比最高的方案。

(4)无论是串并联混动还是并联混动,发动机热效率提高5个百分点,WLTC亏电工况下,整车油耗可以降低10个百分点以上。因此,提高发动机热效率是提高各类混动系统燃油经济性最有效的手段。

(5)总体而言,当前市面上的串并联和并联混动系统均是完成进化的第二代、甚至第三代产品,相对上一代产品的整车表现均有明显提升。自主插电混动技术路线百花齐放,串并联和并联等各种技术路线优势互补,自主混动系统技术和产品关键技术指标总体上都已达到国际领先水平,在国内插电混动的市场占有率也遥遥领先于外资品牌。自主插电混动已经成为中国汽车工业突破卡脖子技术、从跟跑到并跑再到领跑的成功案例,为中国汽车工业从汽车大国走向汽车强国和汽车工业双碳目标的早日达成做出了重要贡献。

原文摘自《汽车网—— 徐向阳教授〈自主插电混动系统对比分析〉》(https://auto.vogel.com.cn/c1191524.shtml)

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最近关于增程是不是落后技术聊的比较火热,我也有发现一些人观点过于偏激,转发此文目的主要是给大家一个新的视角,看看专业人士对增程和插混的研究。让大家理性消费、客观了解,毕竟很多人都是准备真金白银买车的,都不想被忽悠。

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