陳正軍 蘇海新 文/圖

前言

隨著城市化進程不斷加快和汽車保有量的持續(xù)增加、石油資源的漸趨匱乏、機動車排放的污染物造成空氣質(zhì)量的日益惡化，使得開發(fā)低排放低油耗的新型汽車成為當今世界汽車發(fā)展的緊迫任務。電動汽車是一種電力驅(qū)動的道路交通工具。電動汽車包括純電動汽車、混合動力電動汽車(簡稱HEV)和燃料電池電動汽車，是理想的零排放或低排放車輛，而且具有無污染、低噪聲、結(jié)構(gòu)簡單、維修方便等優(yōu)點，并且還可以利用煤炭、水利等其它非石油資源，因此，是解決問題最有效的途徑。其中，融合內(nèi)燃機汽車和電動汽車優(yōu)點的混合動力電動汽車(HEV)，在世界范圍內(nèi)成為新型汽車開發(fā)的熱點，成為當前解決節(jié)能、環(huán)保問題切實可行的過渡方案。

使用專利信息對技術(shù)創(chuàng)新與科技管理方面進行研究得到越來越多學者們的關(guān)注，專利信息為跟蹤技術(shù)變化提供了非常有價值的信息來源。通過對專利信息的研究，學者們可以掌握一個國家或某一產(chǎn)業(yè)的技術(shù)發(fā)展水平，也可以了解某一組織的創(chuàng)新側(cè)重點、技術(shù)競爭力以及技術(shù)擴散情況等。

本文擬通過分析混動領(lǐng)域重點申請人的專利情況，研究其技術(shù)發(fā)展路線，可以供產(chǎn)業(yè)界了解最新技術(shù)發(fā)展情況、競爭對手的技術(shù)發(fā)展趨勢和未來的企業(yè)發(fā)展方向。

插電混動架構(gòu)技術(shù)簡介

現(xiàn)在大部分的HEV 是在傳統(tǒng)的發(fā)動機汽車上增加高性能動力蓄電池組作為電能存儲裝置，通過電動機/發(fā)電機將電能轉(zhuǎn)化為機械能。根據(jù)HEV 零部件的種類、數(shù)量和連接關(guān)系可以將HEV 的動力系統(tǒng)分為3 種基本結(jié)構(gòu)類型：串聯(lián)式、并聯(lián)式和混聯(lián)式。

對于單電機的混合動力系統(tǒng)，根據(jù)電機相對于傳統(tǒng)動力系統(tǒng)的位置，可以把單電機混動方案分為五類，分別以P0、P1、P2、P3、P4 命名。用來區(qū)分各種有變速器的并聯(lián)與串并聯(lián)(混聯(lián))混動構(gòu)型。

P0 位于發(fā)動機前端附件驅(qū)動系統(tǒng)，也就是普通汽車逆變器的位置。P0 一般只應用于自動啟停系統(tǒng)，以及12-25V微混和48V 弱混。

P1 電機放在發(fā)動機后離合器前原來飛輪位置，與P0 相仿，只不過P1 將ISG 固連在發(fā)動機，取代傳統(tǒng)的飛輪，發(fā)動機曲軸充當ISG 電機的轉(zhuǎn)子，所以同樣支持發(fā)動機啟停、制動能量回收發(fā)電。

P2 布置在發(fā)動機和變速器中間，P2在純電動模式下可以和發(fā)動機斷開連接， P2 的模式是：發(fā)動機-離合器1-電機

-離合器2-變速器-差速器-車輪。P2 是目前市面混動車型采用最多的模式。

P3 是電機放在變速器后面直接驅(qū)動主減，模式是：發(fā)動機-離合器--變速器-電機-減速器-車輪。P3 模式下的純電動驅(qū)動需要克服前面被拖動的變速器的加速阻力，電機的換擋是無級且無動力中斷。相比電機在變速器前的P0、P1 和P2 布局，P3 最主要的優(yōu)勢是純電驅(qū)動和動能回收的效率，其缺點是電機無法與變速器或發(fā)動機進行整合，需要占用額外的體積。P3 比較適合后驅(qū)車，有充足的空間予以布置，也可以增加P0 位置的BSG 電機連上高壓電，由此變身為“P0-P3 構(gòu)型”的串并聯(lián)混動。

P4 模式是把電動機放在驅(qū)動橋，直接驅(qū)動車輪。P4 布局的電機既可以通過鏈條或齒輪驅(qū)動前軸/后軸，也可以干在一側(cè)取消輪軸，而直接用2 個輪轂電機，P4 布局最大的特點是，電機與發(fā)動機不驅(qū)動同一軸，P4 布局的特性與P3布局大體相似。為了保證時常有電量驅(qū)動另一軸的電機，在發(fā)動機的驅(qū)動軸也有一個電機，寶馬在P0，沃爾沃T8 在P2，一來用于啟動發(fā)動機，二來可以給電池充電，三來也能給前軸提供驅(qū)動力。這兩個構(gòu)型可以分別稱為P0-P4 和P2-P4。其中寶馬的P0-P4 構(gòu)型因為發(fā)動機-P0 部分可以與車輪斷開連接，實現(xiàn)了停車充電的功能，甚至也提供了串聯(lián)模式-主電機在前軸驅(qū)動汽車，而發(fā)動機在后軸負責帶動P0 電機充電。

比亞迪插電混動有超過10 年的技術(shù)經(jīng)驗積累，目前全球裝機量超30 萬套，具有最成熟的插電式混合動力技術(shù)。2008 年，比亞迪推出搭載第1 代雙模技術(shù)(DM1.0)的F3DM 車型，采用P1+P3 雙電機串、并聯(lián)方案。由此，比亞迪開啟了中國插電式混合動力車之路。但一個擋位的第1 代雙模技術(shù)在匹配不同車型時，需根據(jù)發(fā)動機高效區(qū)間參數(shù)及車型參數(shù)來更改唯一的速比。2013年，第2 代雙模技術(shù)(DM2.0)是基于多速DCT(雙離合自動變速器)的并聯(lián)架構(gòu)，屬于P3 單電機方案，搭載比亞迪秦DM 等，可外插電。相對于第1 代雙模技術(shù)，第2 代雙模技術(shù)的動力傳動系統(tǒng)可實現(xiàn)的工作模式更多，動力系統(tǒng)集成度高，解決了第1 代的不足。第2 代雙模的DCT 速比范圍較寬，可適配不同發(fā)動機、不同車型，滿足不同工況需求。2018 年，第3 代雙模技術(shù)(DM3.0)搭載宋Pro DM 及其他王朝車型。第3 代雙模技術(shù)并不僅限于一種動力架構(gòu)，它按電機位置來區(qū)分(BSG 電機位于P0，前驅(qū)動電機位于P3、后驅(qū)動電機位于P4)，共呈現(xiàn)3 種不同的動力架構(gòu)，分別為：P0+P3(前驅(qū))、P0+P4(雙擎四驅(qū))、P0+P3+P4(三擎四驅(qū))，可外插電。

比亞迪混動架構(gòu)技術(shù)專利分析

本文以截至2020 年2 月9 日，在incopat 檢索平臺以比亞迪作為申請人，以混合動力、混動等作為關(guān)鍵詞，全面梳理了比亞迪涉及混合動力汽車的專利，其中涉及動力構(gòu)型的相關(guān)專利共計446篇。從申請量上看，比亞迪2003 年開始布局混動領(lǐng)域，申請量一路攀升至2008 年，后受到金融危機影響，申請量下滑較快，直到2012 年，又開始有一定量的申請，比亞迪也開始在國內(nèi)電動車市場獨占鰲頭，尤其是其插電混動車型，在市場很受歡迎。

比亞迪插電混合動力構(gòu)型技術(shù)路線如圖所示。比亞迪最早期涉及插電式混合動力的動力架構(gòu)專利出現(xiàn)在2004年，采用P1+P2 混聯(lián)式架構(gòu)，如文獻號CN1736750A，包括發(fā)動機、變速器、動力電池組和電控離合器，動力系統(tǒng)增設(shè)有發(fā)動機側(cè)電機、變速器側(cè)電機、兩電機控制器、中央控制器，發(fā)動機側(cè)電機轉(zhuǎn)子與電控離合器的主動元件相聯(lián)，變速器側(cè)電機與電控離合器的從動軸元件相聯(lián)，能夠?qū)崿F(xiàn)發(fā)動機驅(qū)動、并聯(lián)驅(qū)動、串聯(lián)驅(qū)動以及純電動驅(qū)動模式，以及P3單電機單離合并聯(lián)和P3 混聯(lián)架構(gòu)，如CN1769085A，包括一個內(nèi)燃機、一個變速器、一個電動機、一個離合器和若干差速器，該系統(tǒng)對傳統(tǒng)汽車的改動最小，可以最大限度地應用原來的技術(shù)，只需增加一套電動機/發(fā)電機系統(tǒng)和帶式耦合器裝置，即可純電、混合以及發(fā)動機直接驅(qū)動3 種模式。

2005 年，出現(xiàn)P1 雙電機并聯(lián)構(gòu)型，如文獻CN1986268A，包括內(nèi)燃機和助力電動機，還包括一體化起動/發(fā)電機、調(diào)速電動機和行星排單元，通過利用與內(nèi)燃機輸出軸配合的一體化起動/發(fā)電機，可以及時響應內(nèi)燃機的脈動，改善內(nèi)燃機的工作條件。

2006-2007 年，比亞迪的專利主要集中在P13 和P3 架構(gòu)以及相應的改進上，如文獻CN101152837A，采用P13雙電機單離合架構(gòu)，包括發(fā)動機、啟動發(fā)電機、離合器、變速機構(gòu)、電動發(fā)電機和儲能系統(tǒng)，其中儲能系統(tǒng)與啟動發(fā)電機和電動發(fā)電機電連接，啟動發(fā)電機的轉(zhuǎn)子軸連接到發(fā)動機的輸出軸，離合器連接在啟動發(fā)電機的轉(zhuǎn)子軸與變速機構(gòu)的輸入軸之間，電動發(fā)電機的轉(zhuǎn)子軸連接到變速機構(gòu)的輸出軸，并且變速機構(gòu)的輸出軸通過傳動機構(gòu)傳遞到車輪，由于取消了結(jié)構(gòu)復雜的動力分配機構(gòu)，因此本發(fā)明的混合動力車驅(qū)動裝置結(jié)構(gòu)簡單緊湊，布置相對靈活。類似專利CN101373006A，其采用的也是P13 雙電機單離合架構(gòu)，這些專利即為比亞迪第1 代F3DM 車型的基礎(chǔ)專利，其沒有動力分配裝置，通過簡單的離合器將1.0 L 發(fā)動機和2 臺電機連在一根軸上，再經(jīng)過減速器后直接驅(qū)動車輪，既繞開了豐田THS 的專利又實現(xiàn)混聯(lián)目的，但發(fā)動機機輸出端沒有變速機構(gòu)，會導致在高車速時振動噪聲較大。

圖1 比亞迪插電混動架構(gòu)技術(shù)發(fā)展路線圖

隨后，比亞迪嘗試的技術(shù)方向有在改進P3 架構(gòu)上，如采用單電機單離合混聯(lián)模式，如文獻號CN101450609A，有P12 雙電機單離合混聯(lián)架構(gòu)，如CN101445041A， 包括接收、儲存和提供電能的電池組、從外接電源接收電能的電能功率輸入裝置、發(fā)動機、連接發(fā)動機、并提供動力給發(fā)動機以起動發(fā)動機以及用來接收來自發(fā)動機的動力產(chǎn)生電能的第一電機、連接至少一個車輪、并當接收到電能時用來提供動力給至少一個車輪以及當從至少一個車輪處接收到動力時用來產(chǎn)生電能的第二電機；允許駕駛員在第一操作模式和第二操作模式之間進行選擇的模式選擇開關(guān)。在整個驅(qū)動系統(tǒng)運行過程中，第二電機作為主動力源驅(qū)動車輛行駛，發(fā)動機始終工作在最佳效率點，從而能夠在滿足需求功率的同時，實現(xiàn)對能量最大效率的利用，以達到提高燃油利用率、減少尾氣排放的目的。

自2011 年起，比亞迪的技術(shù)方向主要集中在P3 構(gòu)架及其相應的改進上，如采用單電機雙離合變速器的CN103029558A，包括電機、發(fā)動機、雙離合變速器，可以實現(xiàn)純電動模式、混合驅(qū)動模式和發(fā)動機驅(qū)動模式。該專利所代表的就是比亞迪DM 二代混動系統(tǒng)，也就是比亞迪秦所采用的系統(tǒng)，其最重要的方面是引入了雙離合變速器，用功率質(zhì)量比更好的電機取代之前兩臺小電機，在結(jié)構(gòu)上不再是混聯(lián)模式，而是并聯(lián)混動模式，拋棄了發(fā)動機驅(qū)動電機一為電機二供電驅(qū)動車輛的串聯(lián)模式。DCT 雙離合變速器的加入使得傳動比更加寬泛，發(fā)動機可以保持在經(jīng)濟高效區(qū)域，并且電機位于變速器的輸出端，電機輸出的功率不必經(jīng)過變速器而是經(jīng)減速器放大扭矩可直接輸出車輪，增大輸出功率。

隨后，2014 年，比亞迪進一步在DM 二代即P3 架構(gòu)的基礎(chǔ)上，通過在后軸增加一臺電機，使得前輪能夠?qū)崿F(xiàn)由發(fā)動機或電機單獨驅(qū)動也可混合驅(qū)動，后輪則由后軸電機直接驅(qū)動，共同組成全時四驅(qū)模式，即P3+P4的雙電機雙離合混聯(lián)模式，如文獻號CN105459788A，該專利所代表的就是比亞迪唐所采用的三擎雙模四驅(qū)系統(tǒng)，其搭載了三擎雙模動力系統(tǒng)，其由一臺2.0TI 渦輪增壓發(fā)動機和前后兩個電機組成，可實現(xiàn)前輪與后輪獨立動力輸出。

文獻號CN104290586A，包括發(fā)動機單元，多個輸入軸，發(fā)動機單元可選擇性地與多個輸入軸中的一個接合，每個輸入軸上設(shè)置有主動齒輪；輸出軸和聯(lián)齒齒輪結(jié)構(gòu)，聯(lián)齒齒輪結(jié)構(gòu)相對于輸出軸可差速轉(zhuǎn)動，聯(lián)齒齒輪結(jié)構(gòu)具有多個齒輪部，齒輪部與主動齒輪嚙合；輸出部，輸出部固定在輸出軸上且驅(qū)動車輛的前輪；同步器，同步器設(shè)置在輸出軸上且用于接合聯(lián)齒齒輪結(jié)構(gòu)；分別用于驅(qū)動前輪和后輪的第二、第三電動發(fā)電機，第二、第三電動發(fā)電機均為輪邊電機，設(shè)置兩個第二電動發(fā)電機作為輪邊電機來驅(qū)動前輪，設(shè)置兩個第三電動發(fā)電機作為輪邊電機來驅(qū)動后輪，該專利應為即將上市的比亞迪明的六擎雙模全輪輪轂電機獨立驅(qū)動的系統(tǒng)的相關(guān)專利。

2015 年至今，比亞迪主要在提高傳動效率和豐富傳動模式上進行改進，文獻號CN106476609A，其采用P13 雙電機雙離合混聯(lián)架構(gòu)，包括發(fā)動機、第二行星齒輪機構(gòu)、第二電動發(fā)電機、第一行星齒輪機構(gòu)和第一電動發(fā)電機以及動力輸出部和制動動力輸入軸的第一制動裝置，第一個行星齒輪機構(gòu)的太陽輪與第一電動發(fā)電機剛性連接，第一個行星齒輪機構(gòu)的行星架與動力輸入軸剛性連接且可與第一電動發(fā)電機的轉(zhuǎn)子同步且其齒圈與第二個行星齒輪機構(gòu)的行星架剛性連接且可與第二電動發(fā)電機的轉(zhuǎn)子同步，第二個行星齒輪機構(gòu)的太陽輪與第二電動發(fā)電機的轉(zhuǎn)子剛性連接且其齒圈與動力輸出部聯(lián)動以輸出動力。根據(jù)本發(fā)明實施例的動力傳動系統(tǒng)，各工況下保持較佳的燃油經(jīng)濟性。CN107539092A，采用P34 雙電機雙離合混聯(lián)架構(gòu)，動力驅(qū)動系統(tǒng)傳動模式豐富，并具有多個如7 個前進擋位，能夠更好地滿足車輛行駛時對動力與轉(zhuǎn)矩的需求。文獻CN108016274A，采用P3、P13、P134等多種架構(gòu)，通過設(shè)置模式轉(zhuǎn)換裝置，其可以增加動力傳動系統(tǒng)的擋位數(shù)目，且動力傳動系統(tǒng)的工作模式更為多樣。

據(jù)現(xiàn)有專利及市場分析，未來比亞迪高性能插電混動，很有可能是2 條技術(shù)路線：一是唐2 代的路線——前軸發(fā)動機+發(fā)電電動一體機+雙離合變速器的混動系統(tǒng)+后橋中心電機；二是明的路線——前軸發(fā)動機+發(fā)電電動一體機+四輪輪轂電機，實現(xiàn)了四輪完全獨立驅(qū)動，理論上可以做到原地0 轉(zhuǎn)彎半徑調(diào)頭、橫向停車這些傳統(tǒng)四驅(qū)無法做到的高難度動作。

小結(jié)

通過梳理比亞迪近15 年來涉及混動領(lǐng)域的專利申請情況，研究其每個階段的專利技術(shù)方案，并與每個階段推出的混動車型相比較，可以比較清晰地分析出該公司的混動技術(shù)發(fā)展路線，也能夠從該公司新近的專利申請技術(shù)方案和趨勢中，窺探其未來可能采取的混動架構(gòu)技術(shù)。文中所述技術(shù)路線適用于所有電動汽車，比如電動客車，電動轎車等，能夠為其他電動車生產(chǎn)商的混動車型的方向確定和研發(fā)提供一定的幫助。