混动五讲之二:动力联合的姿势——串联,并联和混联

混动五讲之二:动力联合的姿势——串联,并联和混联

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即使是不了解混合动力技术的读者,应该也经常在各种媒体报道里面听说“并联混合动力”、“串联混合动力”、“混联混合动力”等等名词,那么这些“并联”、“串联”、“混联”指的到底是什么呢?

大家都知道,混合动力汽车一般拥有汽油-内燃机和电池-电机两套动力系统,那么这两套动力系统要联合工作,总得有一个联合的“姿势”吧。这个不同的联合“姿势”,就是混动构型,而最基本的有串联,并联,串并联(也可以叫混联)这几种。这篇文章就分别简单介绍一下。

1. 串联

串联混合动力,顾名思义,就是内燃机和电动机和串联工作的。它的能量流如下:

油箱=>内燃机=>发电机=>电池=>电机=>驱动轴

示意图如下

实质上,串联混动就是火车上用的那种电传动机构,再加一个电池作为峰值能量机构,从而不但电动机-驱动轴的转速可以跟内燃机-发电机的转速完全解耦,没有机械变速箱就解决了调速问题,同时内燃机的功率输出也与发电机解耦,内燃机可以一直运行在最优状态下,从而提高燃油经济性。

因此,串联也可以认为是内燃机与电动机没有机械连接,而通过电连接的动力联合形式。

它的工作模式有以下几种:

  1. 内燃机带动发电机工作,同时电机驱动车辆前进。如果驱动功率小于内燃机工作功率,则电池表现为充电,电量上升;否则表现为放电,电量逐渐下降;
  2. 内燃机不工作,电机驱动车辆前进。往往出现在城市低速同时电量较充足的情况下;
  3. 内燃机不工作,车辆下坡或减速,电机给电池充电。

在几种混动构型中,串联构型的结构最为简单,控制策略的优化也相对简单,甚至比传统汽车更容易。整个内燃机-发电机模块与驱动轴没有任何机械连接,只有电连接,而电线布置起来就非常自由了,因此串联混动的内燃机可以任意布置,完全突破了传统汽车布置的闲置,你愿意放在车顶也可以。

如果一个车企已经有了纯电动车,那么在此基础上并增加一个内燃机和发电机的系统,就可以做出一辆串联混合动力车型。它很像是纯电动汽车的变种。

串联模式因为驱动模式十分单一,有明显的缺点:

  1. 在各种混动构型中,只有串联混动中内燃机无法直接驱动车轮,而一定要经过发电机和电动机的两次损耗。而在有些情况下,内燃机直接驱动车轮的效率其实更高。
  2. 因为电动机需要能够在所有情况下独自驱动车辆,因此一定需要较大功率的电机。此外还需要一个较小功率的发电机,成本较高。
  3. 内燃机和发电机都不能用于驱动车辆,有些浪费。

串联模式代表车型:宝马i3,奥迪A1 e-tron,日产小型车的e-Power混合动力系统

2. 并联

同样顾名思义,并联混合动力系统就是将内燃机和电机并联来驱动车辆,它的能量流如下:

油箱=>内燃机

+ =>驱动轴

电池=>电机

示意图如下(图中电机与内燃机的动力耦合在变速箱前,这只是并联混动电机布置位置的一种,其他形式后续文章会详细介绍。此外,并联混动实车的样子会跟下图有较大区别)

在并联混动中,内燃机和电机的动力有机械连接,且一般是机械耦合,输出端和内燃机、电机两个输入端的转速或者需要成固定比例,如下图所示(实际情况未必是图示中的齿轮形态,而可能是电机的转子固定在传动轴上)。

还有比较特殊的一种并联混动,则是将内燃机与电动机的动力通过行星齿轮合成,这种混动有时也被错误地称为“混联”,但在只有一个电机时,实质上是一种比较高级的并联,也叫“动力分流”(power split)。在下一篇关于行星齿轮的文章中中会专门介绍。

总得来说,并联混动可以认为是内燃机和电动机之间没有电连接,只有机械连接。

并联混合动力差不多就是在传统内燃机汽车中增加了一套电机和高压电池系统。在机械构造上,它也很像是传统内燃机汽车的加强版。

相比串联混动,并联的模式更多,以上图中的P2并联为例,有以下5种模式:

  1. 在行驶所需功率接近内燃机最佳工作区间输出的功率时,内燃机单独驱动汽车,电机不工作。
  2. 需要较大功率时,内燃机和电机同时驱动汽车。当所需功率增长时,会优先将内燃机保持在最经济的转速和负荷区间,然后不断增大电机输出扭矩。如果总功率输出仍不足以满足需求,再通过变速箱降档增加内燃机和电机的转速,以及功率的输出。
  3. 需要较小功率时,通过选择档位,让内燃机以最优状态工作,驱动汽车,同时多余的功率带动电机,此时电机作为发电机给电池充电。
  4. 低速行驶,需要的功率很低,且电池有电量时,电机单独驱动汽车,内燃机不工作。
  5. 下坡或减速时,内燃机不工作,电机作为发电机回收汽车动能。

相比串联混动,并联构型只需要一个电机,而且电机因为不需要给车辆提供全部的驱动力,功率可以比较小,成本大大降低。同时因为电机和内燃机可以共同驱动车辆,往往极限动力输出也更高。

但并联混动也有一个突出的缺点——它是所有混动构型中唯一仍然需要变速箱的。汽车变速箱又大又沉又贵,而且还会损失机械效率。即使是电机单独驱动车辆的模式下,也仍然要经过变速箱,格外显得浪费——要知道电机在不同负荷不同转速的效率都很高,纯电动车一般是没有变速箱的。

并联混动代表车型:通用e-Assist(应用于上一代君越),本田IMA混动(用于Insight,思域混动和CR-Z),比亚迪秦,现代混动绝大部分48V混动系统等等。

并联系统抽象起来比较简单,但实际上具体的布置方式有很多变化,性能和控制策略也有所不同,在后续关于电机位置和组合的文章中中会专门介绍。

3. 串并联()

既然串联和并联都各自有缺点和不足,因此就出现了融合了二者优点的混联,可以在串联和并联模式间切换。

典型的混联/串并联的结构如下图所示(比亚迪F3DM)

实现并联和串联切换的关键,就在于图中位于发动机-M1和与M2进行机械耦合装置之间的这个离合器。离合器断开,就是串联模式;离合器接合,M1断开,就是并联模式。

串并联混动,同时又像并联混动一样,有多种驱动模式

串并联混动的工作模式有以下几种:

  1. 当行驶行驶速度经过内燃机和传动轴机械连接的主减速比放大后,对应的内燃机转速也正好出于最佳工作区间范围内,并且所需功率接近内燃机最佳工作区间的输出功率时,离合器结合,内燃机直接驱动汽车行驶,两个电机都不工作。
  2. 当行驶速度对应的内燃机转速合适,但所需功率低于最佳功率时(下坡),离合器结合,内燃机保持在最佳区间工作,多余功率通过带动发电机M1给电池充电,电动机M2不工作。
  3. 当行驶速度对应的内燃机转速合适,但所需功率高于最佳功率时(加速或上坡),离合器结合,内燃机保持在最佳区间工作。剩余的功率缺口如果比较大的话,由电动机M1提供;比较小的话,由发电机M2作为电动机提供。
  4. 当行驶速度对应的内燃机转速偏离最佳工作区间较多时(往往是车速较高),离合器断开,转为串联模式。此时内燃机持续保持在最佳区间工作,带动发电机产生电流,同时电机驱动车辆前进。如果驱动功率小于内燃机工作功率,则电池表现为充电,电量上升;否则表现为放电,电量逐渐下降。
  5. 如果行驶速度较高,同时所需功率无法由电动机满足时(比如高速公路上坡同时加速超车),此时会切换回并联模式,由内燃机和两个电动机同时以高转速和高功率共同驱动车辆。
  6. 行驶速度较低时,电动机M2单独驱动汽车,内燃机和发电机M1不工作。
  7. 内燃机不工作,电机作为发电机回收汽车动能。

典型的串并联混动汽车像串联混动一样可以不需要变速箱,增加了传动效率,节省了重量;但同时又能够让发动机和电动机同时驱动车辆,做到比较高的动力输出水平。

但因为驱动模式比较复杂,串并联结构对车企优化控制策略的水平要求也较高。不仅如此,无变速箱的串并联混动的电动机往往需要有较高的转速和较大的功率,成本也并不低。因为对离合器也有较高的要求,内燃机的工作区间也比串联更广泛,因此常常比串联式混合动力还要更贵一些。

典型串并联混动车型:比亚迪F3DM,本田i-MMD(用于最新一代的雅阁混动)

除去典型的串并联混动以外,双电机的混合动力系统基本上也都可以看做串并联系统,在后续关于电机位置和组合的文章中中会专门介绍。

基于行星齿轮的混合动力常常也被称为“混联”,这其实是一种不太科学的说法。如果只有一个行星齿轮组和一个电机,其实更像是并联的一个变种,而只有用到至少两个电机才能称得上混联。在下期文章中将会详细解释。

怎么简单的区分三种基本混动构型呢?38号车评中心曾经用“单电机直连”(只有一个电机且与发动机有机械连接),“双电机非直连”(两个电机中有一个电机并不与发动机有机械连接),“双电机直连”(两个电机都与发动机有机械连接)的分类方式,分别对应“并联”、“串联”和“串并联”(混联),其实也是一种比较直观的分类方法。

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