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位置决定性能 P0-P4电机系统架构解析

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在发烧友和技术控眼中,车更像一件艺术品,每一个核心部件都是其精髓所在。聊到纯电动车,他们会问你电池厂商或是电芯的供应商,这可以视作车辆的第二品牌;聊到混合动力汽车,他们会问你是“P几”,这些黑话究竟代表什么意思呢?今天就跟大家科普下混合动力汽车不同类型的电机架构。


目前行业内对于电机架构的应用方式各有不同,对于不同架构下的具体应用和解释也略有不同,本文的出发点是梳理p0-p4架构的基本原理以及应用方式,以及不同组合方案的目的。


●P0-P4电机的定义与解析

在混合动力汽车中,按电机位置的不同可分为P0-P4和Ps架构,其中P代表电机位置(Position),不同位置的电机扮演着不同的角色,发挥的作用与车辆能耗、动力性有直接关系,到底哪款混合动力车型更适合你呢?

◆P0架构:结构简单、成名早 

P0架构的电机安装在发动机前端,其通过皮带与发动机曲轴相连,搭载P0电机的车型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,实现发动机启停、制动能量回收发电,以及辅助动力输出。

『48V MHEV系统』

P0架构的技术和结构比较简单,应用也相对广泛,许多司机朋友上车就关闭的自动启停系统就是典型的P0架构,而自动启停的历史可以追溯到上世纪70年代。与配备自动启停功能的车型相比,P0架构采用较大功率的BSG(Belt-driven Starter/Generator;皮带传动启动/发电一体化电机)电机,并配备了一块容量更大的电池,能够胜任带动压缩机与辅助发动机运转的工作。

在发动机停机时,P0电机能够单独带动空调压缩机工作,减少发动机的怠速时间;车辆起步或加速时,P0电机能够辅助发动机运转,帮助发动机快速摆脱低效工作区间,节油的同时能有效提升驾乘质感。因为P0电机通过串联的方式将动力传递给车轮,所以电机没法撇开发动机单独驱动车轮,也就没有纯电行驶模式。另外,由于P0电机通过皮带与曲轴柔性连接,所以给发动机加力、回收动能功率的天花板较低。

『2020款改款马自达CX-5 2.5L 自动四驱智尊型』

奥迪SQ7 TDI和马自达i-Eloop弱混系统属于P0架构,由于P0架构传递效率较低、电机无法直驱车轮,在车领域P0电机通常以辅助的身份出现,后文会有相应的解析和案例。

◆P1架构:单独开发/高度集成

P1架构的电机位于发动机曲轴后端,它取代了传统的飞轮,在继承飞轮储存发动机做功冲程外的能量和惯性的功能外,P1电机与P0电机功能相似,同样支持发动机启停、制动能量回收发电、辅助动力输出。

『本田IMA混动系统』

与P0架构相比,P1架构更加紧凑,其电机被整合在发动机外壳内,在设计时需要考虑到发动机的体积、机舱内的布局,因变速箱不同需要有相应的设计方案,所以P1电机的研发和制造成本相对较高。存在即合理,往往高投入对应高回报,发动机曲轴充当了P1电机的转子,动力传递效率更高,节油效果好,对驾驶性能提升也更加明显。另外,在下坡路段P1电机可通过电磁场调节施加辅助制动力矩,以此提升安全性。

虽然所处位置不同,但P0架构和P1架构同病相连,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,也就没有纯电行驶模式。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,因内燃机随动还徒增了噪音和振动。

『奔驰M254发动机』

『2020款改款奔驰E级(进口)』

日前,奔驰在海外推出的E350车型采用了代号为M254的2.0T 4缸发动机,并在电气化改造过程中加入了48V轻混技术,其搭载的ISG电机最大功率为12kW,峰值扭矩为180N·m,在车轮起步、加速时缓解了涡轮迟滞的表现。这套系统是典型的P1架构,官方将电动机命名为“ FAME”(模块化发动机),有外媒猜测这套电动机将会在其他PHEV车型上出现。

◆P2架构:模块化设计/节油性强,应用广泛 

P2架构的电机位于发动机与变速箱之间,因为不必像P1电机一样整合在发动机外壳中,所以布置的形式可以更灵活。该架构可在发动机与变速箱之间配备1-2个离合器,具体可分为三种布局方式:①电机布置在离合器前的单离合结构,电机起到助力、驻车发电和启动发动机的作用,与P1架构相似;②电机布置在离合器后的单离合结构,电机可实现单独驱动车辆,制动能量回收发电以及助力;③电机布置在双离合结构中间,电机即可单独驱动车辆,还可启动发动机或进行驻车发电。

P2架构的兼容性比较强,能与所有变速箱匹配(包括手动变速箱),是目前混合动力车型应用较为广泛的架构,许多零部件供应商都有成熟的解决方案。以的P2电机模块为例,它集成双质量飞轮和发动机分离离合器,可断开离合器、电机直驱车辆,它可在不改变发动机和变速箱的情况下将内燃机动力车辆转换成混合动力车型,这意味着车企能够以更少的投资、更短的时间以及更大的灵活性来扩展车辆的动力组合,丰富混合动力车型的产品线。

『奥迪A3 e-tron动力系统』

『2017款奥迪A3新能源(进口)Sportback e-tron舒适型』

奥迪A3 e-tron是采用P2架构的代表车型,该车搭载1.4T发动机,同时搭载了一台最大功率75kW的永磁同步电机。该车动力电池容量为8.8kWh,NEDC工况下纯电续航里程为50km。

◆P3架构:动力传递高效,占用空间大 

P3架构的电机位于变速箱输出端,其纯电驱动和动能回收的效率高,急加速的效果非常直接。功能方面,P3电机可实现制动能量回收、纯电驱动车辆。因为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,所以P3架构比较适合后驱车,有充足的空间予以布置。

与P0、P1和P2架构相比,P3架构的动力传递路径不经过变速箱,纯电驱动和制动能量回收的效率更高,同时还降低变速箱的工作时长,有助于延长其使用寿命。但问题同样明显,P3电机没法实现驻车充电,在户外露营等使用场景缺点就暴露无遗了。

代表车型为比亚迪秦PHEV车型,该车是以P3电机为核心的并联混动,在配合原先的大容量电池设定,既满足中国对于PHEV车型50km的纯电续航能力,又能够将发动机和电机性能叠加起来,实现更强的动力输出。

◆P4架构:实现四轮驱动

P4架构的电机与发动机不驱动同一根轴,从而帮车辆实现四轮驱动。它既可以是驱动前轴/后轴的电机,还可以干脆就像讴歌NSX一样取消轮轴,而直接采用两个轮毂电机驱动车轮。P4架构与P3功能相似,均可实现制动能量回收、纯电驱动车辆。

『2020款宝马i8极夜流星限量版』

P4架构大多应用于插电式混合动力车型,跑车用的比较多,例如保时捷918 Spyder、讴歌NSX、宝马i8等跑车。以宝马i8为例,这套1.5T三缸发动机压榨出231Ps的最大功率以及320N·m的最大扭矩,位于前轴的永磁同步电机最大功率为131Ps,峰值扭矩为250N·m,并配备一台两速自动变速箱来实现扭矩的调节,官方0-100km/h加速时间为4.6s,带来出色动力的同时还能够有效降低油耗。

◆Ps架构:双离合的寄生虫

P3电机在变速箱的输出端耦合,Ps电机直接整合在变速箱内部,因为位置分布接近,Ps架构很容易被人混淆为P3架构。Ps架构的基础是双离合变速箱,它利用双离合变速箱具有两个输入轴的特点,将电机集成到了其中一轴上面,可以实现纯电驱动车辆、制动能量回收。

『Ps架构动力传递模式』

Ps架构的电机、离合器和减速器被装进同一个壳体内,节油性更好也更加平顺。但缺点也同样明显,因为双离合变速箱的偶数轴要比奇数轴承受更大的扭矩,这会导致两轴与离合器磨损的不一致;另外,电动机集成在变速箱内部会增加维修成本,因为不论变速箱故障还是电动机故障,需要拆卸的是变速箱总成。

『2021款博瑞新能源1.5T ePro领耀版』

目前在中国品牌车企中,长城、奇瑞、吉利等都在研究DHT变速箱,这是Ps架构的基石。以吉利汽车为例,吉利ePro家族车型搭载的1.5T+7DCTH插电式混合动力系统,具备高电机效率和高动力总成匹配的特点,拥有效率高、空间优、质量好(性价比高)的综合优势。其中,Ps架构电机效率为97%,比P2同轴电机提高约2%;Ps架构电机工作转速不受发动机限制,发动机与电机能同时工作在高效区,能有效降低整车油耗。

组合架构电机

上阵亲兄弟,打仗父子兵,单一架构的电机或多或少都存在缺点,所以将两种或两种以上架构的电机组合成为眼下最优的解决方案。在P3或P4架构车型上,为了执行发动机启停、发电功能,则有必要为发动机安装另一台电机,所以许多混合动力车型都有两个电机,形成了Px+Py的组合构型。比如WEY P8,发动机前端有BSG电机,后轴布置了永磁同步电机,属于P0+P4构型。下面就通过国内外车企的发展与车型解析,一起来了解下组合架构电机的技术特点。

◆沃尔沃PHEV技术回顾与T8动力总成解析




2013年,沃尔沃第一代插电式混合动力(PHEV)技术便应用于S60 PHEV车型上,采用P0+P4架构,由1台发动机前端功率为15kW的BSG电机和1台后驱动桥布置的50kW永磁同步电机组成;2015年,沃尔沃第二代PHEV技术应用于XC90 PHEV车型上,采用P1+P4架构,由1台功率为35kW的ISG电机加上后驱动桥的60kW永磁同步电机组成;目前沃尔沃基于CMA车型平台开发的第三代PHEV技术,采用发动机匹配P2电机组成的混合动力总成。

具体车型来讲,沃尔沃XC90 PHEV车型采用P1+P4架构的混合动力总成,该车前轴配置了一款名为C-ISG(Crank-integrated Starter Generator)的变速箱集成电机,具备启停控制、发电、助力3种功能,同时后轴也装配了最大功率为65kW的电机。目前沃尔沃的PHEV车型种类覆盖轿车、旅行车和SUV,都应用了模块化的PHEV动力总成。

◆比亚迪DM系统进化史和第三代DM系统解析

从2008年至今,比亚迪DM系统(即Dual Mode系统)进行了两次升级,目前第三代DM插电式混合动力的提升不仅仅是在动力方面,从第二代DM系统提出“542”计划后,顺带着整个比亚迪旗下车型都在“性能”属性上做出进一步升级。

“高电耗”是第二代DM系统中比较明显的问题,比亚迪认为BSG电机+电控系统能够解决“避开发动机低效区”,协助车辆发电让整个能量流系统更加平衡,还带来了更好的加速性能,所以全新的“BSG架构”系统是这一代DM3核心提升之一。

第三代DM系统的BSG电机的最大用途不仅为发动机提供启停功能伺服,行驶中为动力电池充电,还可以用于提升加速性能。在车辆以全电驱动模式行驶中,在发动机介入时,BSG电机将会带动发动机启动,以降低震动冲击并辅助换挡。

全文总结

在排放标准愈加严苛以及新能源汽车的扶持政策下,各主机厂对于新能源市场的越发重视。相比开发一套全新的混动系统,模块化设计的P2技术路线不用改变现有结构,集成方便,适合匹配所有的变速箱,即使节油效果不及混联,但是用较低的成本既能降低油耗,已经成为许多车企的“捷径”。

1至7月全球畅销电动车Top 20榜单揭晓

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