混动五讲之四:从P0到P4——电机的位置与组合

混动五讲之四:从P0到P4——电机的位置与组合

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平常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动构型。

如上图所示,从P0到P4分别表示的电机布置方式是:

  • P0:位于发动机前端的皮带上
  • P1:位于发动机的曲轴上
  • P2:位于发动机与变速箱中间靠变速箱一侧,与发动机间有离合器
  • PS:位于变速箱内部
  • P4:位于另一轴上(如果发动机驱动前轴,则电机在后轴,反之亦然)

下面分别讨论一下它们的优缺点.

一、P0与P1布局

P0与P1这两个位置其实都是传统汽车上已有的布置电机的位置。

P0位于发动机前端附件驱动系统(FEAD)上,也就是普通汽车上的逆变器的位置。这个逆变器是一个发动机前端的小型发电机,与发动机曲轴通过皮带有柔性连接,并且可以通过。在发动机运转时,会有少量的能量传递到这里带动逆变器发电。P0混动就是把这个逆变器换成了一个比较大的电机。

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。一些老系统用于控制进气时间的凸轮轴也在这个皮带上。

而P1则位于发动机的曲轴上,就是传统车上启动电机的位置。如下图所示,启动电机一般体积较小,转速较高,通过减速齿轮变速后,以较大的瞬时扭矩带动曲轴和曲轴上的飞轮旋转,之后飞轮以惯性带动发动机进入工作冲程。P1混动将这个电机换成比较大的电机,因为体积受限,就无法使用减速齿轮,而需要放置在飞轮的位置,并且用电机的转子替代了飞轮。

而P0和P1混动,都是用一个电机,实现了发电的逆变器和启动发动机的启动电机的双重功能,从而也简化了结构,它们也分别叫做BSG(Belt Starter Generator)和ISG(Integrated Starter Generator)。因此也可以说,P0混动让逆变器集成了启动电机的功能(但仍然需要飞轮),而P1混动让启动电机集成了逆变器发电的功能(但仍然需要FEAD)。

(目前大部分的P0混动仍然需要P1位置的启动电机,是因为在冷车时间过长时,皮带电机的扭矩往往不足以启动发动机)

P1混动的集成电机ISG的线圈和转子

在各大厂商开始大张旗鼓得研发混合动力之前,其实BSG和ISG已经作为自动启停系统的一部分使用了挺长时间,如果这些电机以及相连的电池再大一点,能够回收动能并且给发动机加力,那么就可以认为是混合动力系统。

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。

P0系统一个重要的优势是,有了功率较大的BSG,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。典型的微混系统——采用超级电容的马自达i-Eloop,即是P0布局。

相反,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。应用于思域混动和Insight的第一代本田IMA混动,以及奔驰的S400混动,都采用P1布局。

不过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,同时还需要做的比较薄从而能放到原来飞轮的位置,成本较高。

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。

二、P2布局

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,布置的形式可以更灵活,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)

直接套在变速箱输入轴上的P2电机

通过皮带或齿轮传动的P2电机


此外也有一些变种,比如荣威550插电混动,实际上是没有传统变速箱的,但通过离合器的切换,实际上电机和发动机既可以在同一轴以同转速耦合后,再选择两条减速路径中的一条共同驱动车轮;也可以分别以不同的减速比共同驱动车轮。这相当于一个为插电混动定制的两档变速箱。

相比于P1,P2有以下几个优势:

  1. 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。
  2. 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

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。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,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,现代的混合动力正是采用这种系统。法拉利的LaFerrari混动超跑也是。

现代的P2电机因为扭矩够大,因此直接套在变速箱输入轴上


此外还有一个BSG(现代叫HSG,hybrid starter generator)

相比采用了无变速箱的丰田HSD和本田i-MMD等强混系统,现代这套系统因为电机和车轮之间有传统液压自动变速箱,在低速电机直驱的时候效率较低,因此在中低速也常常会使用发动机,效率和NVH的控制都稍差。但高速行驶因为主要靠发动机,有了变速箱调速后效率更高,而且动力感受更好。

普通的P2系统(无其他中高压电机)则一般应用于弱混系统,一般采用皮带或齿轮的平行布置方式,这样可以兼容已有的变速箱设计。比如ZF为自己的9AT研发的P2混动系统,电机评星布置,并替代了液力变矩器的功能。这套系统是不需要额外的BSG或ISG电机的,本身P3电机能够实现自动启停功能。

P2布局因为需要有自动切空档的功能,因此不能匹配手动挡,但包括CVT、AMT、双离合、液力变矩+行星齿轮组式AT在内的各种自动挡都可以匹配。

P0和P2是大部分欧洲车企发展48V弱混系统的选择。

三、Ps与P3混动

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。

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,尤其是不能忍受的。但P3因为以下的缺点而尚未有实际应用:

  1. 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。
  2. 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

下图为典型P3混动结构(链条传动)



不过,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。

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,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。

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(一般是偶数档位的一轴上)上面。这种混合动力更像是P2混动,它拥有三种工作模式:

  1. 两个输入轴都松开(相当于空挡),电机可以单独驱动车轮,也可以在不带动曲轴的情况下进行动能回收。这比需要经过一整个变速箱传动的P2混动效率更高。
  2. 电机所在的输入轴接合发动机,发动机和电机以相同传动比旋转,相当于直接套在变速箱输入轴上的P2混动。
  3. 没有电机的输入轴接合发动机,发动机和电机以不同传动比(且可以分别选择档位)旋转,相当于以齿轮驱动的P2混动(而且还能变速)。这就是下图中所示的工作模式。

此外,低速时可以采用电机驱动,也很好得弥补了双离合变速箱拥堵路况平顺性差而且磨损大的缺点。

四、P4布局

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,工作性质虽然跟其他简单并联很类似,但在车内部不存在任何机械连接。

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,干脆在这一侧取消轮轴,而是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。如下图所示

P4布局的特性与P3布局大体相似。不过,只有很少数的P4混动,像宝马i8这样,在纯电行驶的时候以电机前驱为主,而在混动模式下则以发动机驱动的前轴为主要驱动轴。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。

因此,大部分的P4混动,或者像沃尔沃前驱平台SUV的T8混动四驱和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。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。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P1P4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。

P4混动或者是各种插电混动,或者是弱混,因为不方便纯电驱和纯发动机驱动间的切换,强混反而是比较少的。

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未名者
刘三军
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