張明宇 張春才 王文帥 王贏 趙東峰 張行

（中國(guó)第一汽車股份有限公司研發(fā)總院，長(zhǎng)春 130013）

0 引言

近20年，我國(guó)工業(yè)化水平和社會(huì)經(jīng)濟(jì)取得了前所未有的大發(fā)展，這很大程度地促進(jìn)了我國(guó)汽車產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展，伴隨而來(lái)的是日趨嚴(yán)重的全球氣候變化與空氣污染問題。為應(yīng)對(duì)氣候變化、推動(dòng)綠色發(fā)展，2020年10月，中國(guó)汽車工程學(xué)會(huì)發(fā)布了《節(jié)能與新能源汽車技術(shù)路線圖2.0》（簡(jiǎn)稱“路線圖2.0”）[1]。

根據(jù)路線圖2.0的規(guī)劃，至2035年，我國(guó)汽車產(chǎn)業(yè)要實(shí)現(xiàn)全面電動(dòng)化轉(zhuǎn)型，節(jié)能與新能源汽車年銷量將各占50%，傳統(tǒng)能源乘用車新車100 km平均油耗需達(dá)到4.0 L（WLTC工況），并100%實(shí)現(xiàn)混合動(dòng)力化[2]?；旌蟿?dòng)力技術(shù)將在很長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)持續(xù)扮演節(jié)能降碳重要角色。

本文通過對(duì)現(xiàn)有混合動(dòng)力汽車節(jié)能技術(shù)調(diào)查研究，總結(jié)了典型前置后驅(qū)混合動(dòng)力車型與技術(shù)方案，簡(jiǎn)要分析了前置后驅(qū)混動(dòng)車型的混合動(dòng)力技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)，為前置后驅(qū)混合動(dòng)力車型開發(fā)和技術(shù)路線選擇提供參考。

1 混合動(dòng)力技術(shù)背景與商業(yè)化發(fā)展

1.1 技術(shù)背景

雖然混合動(dòng)力汽車并不是一個(gè)新概念，但混合動(dòng)力技術(shù)仍屬于先進(jìn)且復(fù)雜的汽車節(jié)能技術(shù)，如果總成選型與參數(shù)匹配不合理，便難以將發(fā)動(dòng)機(jī)或電機(jī)的良好性能發(fā)揮出來(lái)[3]。

混合動(dòng)力汽車優(yōu)化了傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車的油耗和排放，并且與純電動(dòng)汽車比，混合動(dòng)力汽車成本低，更符合現(xiàn)階段汽車市場(chǎng)發(fā)展需求，成為汽車企業(yè)產(chǎn)品技術(shù)升級(jí)的重要選擇[4-6]。

1.2 商業(yè)化發(fā)展

從20世紀(jì)90年代初開始，以美國(guó)、歐洲和日本為代表的國(guó)家和地區(qū)都在不斷加大汽車產(chǎn)業(yè)研發(fā)投入與政策扶持力度[7-9]。1997年，豐田汽車公司在日本推出了第一代普銳斯，并一直致力于混合動(dòng)力技術(shù)發(fā)展，持續(xù)開發(fā)行業(yè)領(lǐng)先的混合動(dòng)力技術(shù)[10]。

因混合動(dòng)力汽車優(yōu)勢(shì)明顯，繼豐田之后，各國(guó)加快了混合動(dòng)力汽車產(chǎn)品化進(jìn)程，如本田公司的In?sight、福特公司的Prodigy、通用公司的Precept、戴姆勒克萊斯勒的ESX3等，都是具有代表性的車型[11]。

隨著混合動(dòng)力技術(shù)的不斷發(fā)展，目前許多國(guó)內(nèi)汽車企業(yè)也都陸續(xù)推出混合動(dòng)力汽車產(chǎn)品，較為典型混合動(dòng)力汽車產(chǎn)品為比亞迪的秦和唐、吉利博瑞、廣汽傳祺等[12]。按照動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式劃分，主要分為串聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)、并聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)和混聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)。伴隨著新一代混合動(dòng)力技術(shù)產(chǎn)品力迅速提升，且價(jià)格持續(xù)下降，市場(chǎng)認(rèn)可度大幅增加。

2 前置后驅(qū)混合動(dòng)力技術(shù)現(xiàn)狀

2.1 主流前置后驅(qū)混合動(dòng)力系統(tǒng)

近年，隨著互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展和年輕富裕階層的崛起，豪華車市場(chǎng)已經(jīng)出現(xiàn)了很多變化，科技元素和環(huán)保理念被提升到了前所未有的高度，全球各大汽車公司也紛紛在縱置車型上推出混合動(dòng)力車型。以豐田、本田為代表的日本主流汽車品牌中，以PS+P3、P1+P3雙電機(jī)混聯(lián)式混動(dòng)構(gòu)型為主，以奔馳、寶馬、奧迪為代表的歐洲主流汽車品牌中，則以P2 并聯(lián)式混合動(dòng)力構(gòu)型為主[13]，國(guó)內(nèi)外主流前置后驅(qū)混合動(dòng)力技術(shù)如表1所示。

表1 國(guó)內(nèi)外主流前置后驅(qū)混動(dòng)系統(tǒng)

2.2 豐田L(fēng)HD混合動(dòng)力系統(tǒng)

豐田混合動(dòng)力系統(tǒng)（Toyota Hybrid System，THS）是領(lǐng)先的混合動(dòng)力技術(shù)，這套系統(tǒng)目前已發(fā)展至第4代，主要應(yīng)用在前置前驅(qū)車型上。而作為豐田旗下豪華品牌，雷克薩斯所采用的混合動(dòng)力系統(tǒng)（Lexus Hy?brid Drive,LHD），主要應(yīng)用在前置后驅(qū)車型上[14]，如圖1所示。

圖1 豐田混合動(dòng)力系統(tǒng)[14]

為了使雷克薩斯車型在動(dòng)力性能上更符合豪華車定位，2006 年，豐田基于第3 代THS 開發(fā)了縱置雙電機(jī)變速器E-CVT L110，進(jìn)一步擴(kuò)大速比范圍，用兩種速比分別滿足高低速的動(dòng)力性，其構(gòu)型如圖2所示。

圖2 豐田E-CVT L110混合動(dòng)力構(gòu)型示意[15]

E-CVT L110由雙電機(jī)、動(dòng)力分配單元以及2級(jí)電機(jī)減速裝置組成，2級(jí)減速器連接到驅(qū)動(dòng)電機(jī)輸出端，對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)進(jìn)行調(diào)速[13]。

隨著技術(shù)發(fā)展，其2 級(jí)混合動(dòng)力系統(tǒng)進(jìn)一步升級(jí)為多級(jí)混合動(dòng)力系統(tǒng)，在2022款的LC/LS車型上，搭載的是帶4級(jí)減速器的E-CVT L310，其構(gòu)型如圖3所示。

圖3 豐田E-CVTL310混合動(dòng)力構(gòu)型示意[15]

E-CVTL310與E-CVTL110相比主要變化在減速器的布置位置與級(jí)數(shù)方面，首先減速器由2級(jí)升級(jí)為4 級(jí)，另外就是減速器由驅(qū)動(dòng)電機(jī)后端移到了整個(gè)系統(tǒng)的后端，從而擴(kuò)大發(fā)動(dòng)機(jī)工作范圍。兩代混合動(dòng)力系統(tǒng)的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速區(qū)域如圖4所示。

圖4 兩代混合動(dòng)力系統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速區(qū)域[14]

混合動(dòng)力系統(tǒng)變速器趨向多級(jí)化發(fā)展，從最低擋位充分挖掘加速能力，總輸出扭矩比上一代增加50%，0~100 km/h 加速時(shí)間降低13%[14]，在最高擋位讓高效區(qū)覆蓋到最頻繁使用工況，這樣做可以獲得更強(qiáng)勁的動(dòng)力性和更優(yōu)秀的燃油經(jīng)濟(jì)性。

搭載LHD 混合動(dòng)力系統(tǒng)車輛的工作模式如表2所示。

表2 豐田L(fēng)HD混合動(dòng)力系統(tǒng)工作模式

經(jīng)過歷代發(fā)展，豐田前置后驅(qū)混合動(dòng)力系統(tǒng)性能不斷迭代升級(jí)，其主要參數(shù)對(duì)比如表3所示。

表3 豐田L(fēng)HD混合動(dòng)力系統(tǒng)主要參數(shù)[15]

豐田L(fēng)HD混合動(dòng)力系統(tǒng)始終堅(jiān)持功率分流構(gòu)型，電機(jī)系統(tǒng)通過轉(zhuǎn)子磁路及定子扁線設(shè)計(jì)、逆變器芯片技術(shù)及冷卻技術(shù)，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品向高性能和小型化迭代升級(jí)，轉(zhuǎn)矩和功率密度均有提升。

電池系統(tǒng)在繼續(xù)推進(jìn)成熟的鎳氫電池產(chǎn)品同時(shí)，逐漸發(fā)展三元鋰離子電池技術(shù)。雖然在技術(shù)成熟度、安全性和使用壽命方面，鎳氫電池有著顯著的優(yōu)勢(shì)，但相對(duì)較小的能量密度難以滿足更高電動(dòng)化程度需求。隨著鋰電池技術(shù)的高速迭代，不僅彌補(bǔ)了其相對(duì)鎳氫電池技術(shù)的不足，并且以高性能、高效率的優(yōu)勢(shì)，滿足豐田L(fēng)HD 混合動(dòng)力系統(tǒng)迭代高功率電機(jī)的技術(shù)需求。

2.3 本田SH-AWD混合動(dòng)力系統(tǒng)

目前，本田混合動(dòng)力系統(tǒng)包括3種，除了用于低端車型的i-DCD（intelligent Dual Clutch Drive）系統(tǒng)，用于中端車型的iMMD（intelligent Multi Mode Drive）系統(tǒng)外，還包括應(yīng)用于高端車型的SH-AWD（Sports Hy?brid-Super Handling-All Wheel Drive）系統(tǒng)[16]，其系統(tǒng)原理如圖5所示。

圖5 本田SH-AWD混合動(dòng)力系統(tǒng)[16]

SH-AWD混合動(dòng)力系統(tǒng)本質(zhì)上，仍屬于串并聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)，前軸配置了3.5 L排量的直噴發(fā)動(dòng)機(jī)，匹配內(nèi)置電機(jī)的7速雙離器合變速器，可認(rèn)為是動(dòng)力強(qiáng)勁版的i-DCD 系統(tǒng)，在傳遞扭矩方面得到升級(jí)，并且i-DCD采用的是干式離合器，而SH-AWD采用的是濕式離合器。后軸為內(nèi)置左右相同輸出功率且獨(dú)立控制的雙電機(jī)單元[17]。

搭載SH-AWD 混合動(dòng)力系統(tǒng)的車輛工作模式如表4所示。

表4 本田SH-AWD混合動(dòng)力系統(tǒng)工作模式

目前本田SH-AWD 混合動(dòng)力系統(tǒng)主要應(yīng)用于Acura MDX車型，主要參數(shù)如表5所示。

表5 本田SH-AWD混合動(dòng)力系統(tǒng)主要參數(shù)[16]

SH-AWD四驅(qū)混合動(dòng)力系統(tǒng)沒有分動(dòng)箱、中央差速器和差速鎖，SH-AWD通過對(duì)前后軸動(dòng)力系統(tǒng)的控制協(xié)調(diào)，可以實(shí)現(xiàn)四輪驅(qū)動(dòng)，并且通過調(diào)整后軸處2臺(tái)電機(jī)的動(dòng)力輸出，可以在左右后輪之間形成扭矩差，從而提升彎道性能。

2.4 通用GRE混合動(dòng)力系統(tǒng)

通用公司是除了豐田以外，少數(shù)幾家掌握功率分流混合動(dòng)力先進(jìn)技術(shù)的主機(jī)廠之一。2006年，通用聯(lián)合戴姆勒、寶馬及克萊斯勒公司，共同推出雙模式混合動(dòng)力系統(tǒng)，該系統(tǒng)由三行星排雙電機(jī)組成，與豐田混合動(dòng)力系統(tǒng)的單模式相比，結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜，也成就了動(dòng)力分流最優(yōu)化的通用公司新能源電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)平臺(tái)，能夠滿足HEV、PHEV、REEV車型性能需求[13]。

基于相同的構(gòu)型原理，通用公司就效率更高、動(dòng)力性更好的雙星排雙電機(jī)、三行星排雙電機(jī)多種結(jié)構(gòu)進(jìn)行了更為深入的研發(fā)[18]，并陸續(xù)應(yīng)用到量產(chǎn)車型上。

而在Cadillac CT6 混合動(dòng)力車型上，搭載的是后輪驅(qū)動(dòng)混合動(dòng)力系統(tǒng)（Global Rear-wheel-drive EVT，GRE），這是一套更為復(fù)雜的混合動(dòng)力系統(tǒng)，其構(gòu)型如圖6所示。

圖6 通用GRE混合動(dòng)力構(gòu)型示意[13]

這套混合動(dòng)力系統(tǒng)采用三行星排雙電機(jī)結(jié)構(gòu)，發(fā)動(dòng)機(jī)、雙電機(jī)可以通過不同的離合器分別接入其中的行星齒輪架、太陽(yáng)輪和外齒圈[19]，更多的行星齒輪和離合器，意味著更大的變速范圍以及更靈活的動(dòng)力分配模式。

通用GRE 混合動(dòng)力系統(tǒng)和豐田L(fēng)HD 混合動(dòng)力系統(tǒng)同屬功率分流式混合動(dòng)力系統(tǒng)，但前者具有輸入動(dòng)力分流和混合動(dòng)力分流多種模式，后者只有輸入動(dòng)力分流一種模式。通用GRE 混合動(dòng)力系統(tǒng)中具有發(fā)動(dòng)機(jī)、電機(jī)1 和電機(jī)2 動(dòng)力源，通過3 個(gè)行星齒輪和5 個(gè)離合器，能夠?qū)崿F(xiàn)4 種純電模式和7 種增程模式[20]，各個(gè)模式間存在重疊，保證在全速度區(qū)間內(nèi)都能夠得到良好的平順性及輸出特性，最終實(shí)現(xiàn)混合動(dòng)力版車型CT6 能耗與性能的最佳平衡，解決低速和高速2 種工況下的最佳效率不能兼顧的問題。

通用GRE 混合動(dòng)力系統(tǒng)其主要參數(shù)如表6 所示。這套混合動(dòng)力系統(tǒng)中電機(jī)1為交流感應(yīng)電機(jī)，電機(jī)2為永磁同步電機(jī)，這樣的組合在保證高功率輸出的同時(shí)，大幅度降低稀土磁性材料的使用，從而降低了成本。

表6 通用GRE混合動(dòng)力系統(tǒng)主要參數(shù)[21]

2.5 寶馬eDrive混合動(dòng)力系統(tǒng)

寶馬早在2008年開始電動(dòng)化進(jìn)程，在陸續(xù)推出多款測(cè)試車后，于2013 年正式量產(chǎn)BMWi 品牌下2 款混合動(dòng)力車型i3 和i8。經(jīng)過多年發(fā)展，如今寶馬已在3系、5系、7系、X5車系上推出多款混合動(dòng)力車型，其發(fā)展歷程如圖7所示。

圖7 寶馬混合動(dòng)力技術(shù)發(fā)展歷程

寶馬混合動(dòng)力系列車型的關(guān)鍵技術(shù)在于具有電機(jī)和變速器結(jié)構(gòu)一體化的典型P2 構(gòu)型混合動(dòng)力8AT 技術(shù)，8AT 中傳統(tǒng)變速器原來(lái)安裝液力變矩器的位置被一臺(tái)永磁同步電機(jī)取代，其構(gòu)型如圖8 所示。

圖8 eDrive混合動(dòng)力構(gòu)型示意[22]

隨著全球各地對(duì)新能源汽車需求增多，寶馬推出了以電動(dòng)機(jī)、高壓鋰離子電池和智能能量管理系統(tǒng)3大部件為核心的eDrive 混合動(dòng)力技術(shù)。這種并聯(lián)式P2 構(gòu)型，在離合器與變速器之間增加電機(jī)，通過電機(jī)實(shí)現(xiàn)純電動(dòng)行駛、助力和調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)工作點(diǎn)以及制動(dòng)能量回收功能[22]。

搭載eDrive混合動(dòng)力系統(tǒng)的車輛工作模式如表7所示。

表7 寶馬eDrive混合動(dòng)力系統(tǒng)工作模式

寶馬eDrive混合動(dòng)力系統(tǒng)主要參數(shù)如表8所示。

表8 寶馬eDrive混合動(dòng)力系統(tǒng)主要參數(shù)[21]

寶馬eDrive 混合動(dòng)力系統(tǒng)對(duì)整車傳動(dòng)系統(tǒng)改動(dòng)小、成本低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、控制方便，發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)均可單獨(dú)作為動(dòng)力源工作，不僅能提高系統(tǒng)可靠性，還能充分發(fā)揮歐洲汽車主機(jī)廠在傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)上的技術(shù)積累和技術(shù)優(yōu)勢(shì)。

2.6 長(zhǎng)城越野超級(jí)混合動(dòng)力系統(tǒng)

2022年，長(zhǎng)城汽車正式發(fā)布了越野超級(jí)混合動(dòng)力架構(gòu)，與寶馬eDrive 混合動(dòng)力系統(tǒng)相似，同樣采用P2并聯(lián)式混合動(dòng)力構(gòu)型，搭載自主研發(fā)的9HAT 混合動(dòng)力變速器，匹配2.0T 和3.0T 兩種高熱效率發(fā)動(dòng)機(jī)，在提供強(qiáng)勁越野動(dòng)力的同時(shí)，滿足用戶對(duì)低油耗、長(zhǎng)續(xù)駛里程的核心需求，從而兼容戶外越野與城市出行需求，其主要參數(shù)如表9所示。

表9 長(zhǎng)城越野超級(jí)混合動(dòng)力系統(tǒng)主要參數(shù)[21]

3 縱置混合動(dòng)力技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

3.1 縱置混合動(dòng)力技術(shù)發(fā)展前景廣闊

在低碳經(jīng)濟(jì)的推動(dòng)下，混合動(dòng)力汽車既具有傳統(tǒng)燃油汽車與新能源汽車的雙重優(yōu)勢(shì)，又在節(jié)能減排與環(huán)保方面有著出色表現(xiàn)。同時(shí)，伴隨著電池、電機(jī)和電控系統(tǒng)及發(fā)動(dòng)機(jī)的技術(shù)進(jìn)步，縱置混合動(dòng)力車型競(jìng)爭(zhēng)力持續(xù)提升，已凸顯出比燃油車明顯的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。目前，主流縱置混合動(dòng)力系統(tǒng)構(gòu)型對(duì)比如表10所示。

表10 混合動(dòng)力系統(tǒng)構(gòu)型對(duì)比

基于當(dāng)前主流前置后驅(qū)混合動(dòng)力技術(shù)衍變歷程，以及智能化、電動(dòng)化的協(xié)同發(fā)展分析，總結(jié)發(fā)展趨勢(shì)如下：

（1）雙電機(jī)混合動(dòng)力構(gòu)型可實(shí)現(xiàn)在多種工作模式下，動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性能得到更好地平衡，符合混合動(dòng)力汽車取代傳統(tǒng)燃油車的發(fā)展需求。

（2）電機(jī)應(yīng)用高性能電磁拓?fù)?、多層扁線繞組、工況效率定向優(yōu)化技術(shù)，實(shí)現(xiàn)混合動(dòng)力系統(tǒng)高性能和小型化。

（3）變速器采用基于行星排的多擋傳動(dòng)構(gòu)型、大容量離合器和制動(dòng)器無(wú)感結(jié)合、高效液壓及熱管理系統(tǒng)方案，在結(jié)構(gòu)緊湊、換擋舒適、效率提升方面持續(xù)升級(jí)。

（4）動(dòng)力電池功率密度及能量密度持續(xù)提升，帶來(lái)體積不斷減小，結(jié)合高效液冷技術(shù)，可提升電力驅(qū)動(dòng)工況占比，并降低噪聲影響。

（5）通過功率分配策略合理優(yōu)化，以及基于車路協(xié)同的能量管理策略，更好地實(shí)現(xiàn)混合動(dòng)力系統(tǒng)在不同工況下的適應(yīng)能力。

3.2 混合動(dòng)力汽車技術(shù)研發(fā)競(jìng)爭(zhēng)加劇

當(dāng)前，世界各國(guó)都已經(jīng)注意到了發(fā)展混合動(dòng)力汽車的必要性，在未來(lái)的一段時(shí)間內(nèi)，混合動(dòng)力汽車發(fā)展必將面臨著激烈競(jìng)爭(zhēng)。國(guó)內(nèi)外很多新技術(shù)已經(jīng)投放市場(chǎng)，各國(guó)也在多方面加強(qiáng)對(duì)于混合動(dòng)力汽車技術(shù)開發(fā)的政策傾斜，已經(jīng)進(jìn)入產(chǎn)業(yè)化階段，技術(shù)發(fā)展相當(dāng)迅速。競(jìng)爭(zhēng)會(huì)帶來(lái)進(jìn)步，未來(lái)我國(guó)混合動(dòng)力汽車無(wú)論是在技術(shù)提升與創(chuàng)新、行業(yè)扶持和資金投入方面都會(huì)獲得更多機(jī)遇，而混合動(dòng)力技術(shù)的迅速迭代也會(huì)大大降低生產(chǎn)成本、增強(qiáng)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力、提升市場(chǎng)占有率，未來(lái)發(fā)展前景十分廣闊。

4 結(jié)束語(yǔ)

隨著社會(huì)的快速發(fā)展，人們對(duì)于環(huán)保問題日益重視。前置后驅(qū)車型的混合動(dòng)力化發(fā)展，能更好地切合與滿足用戶在節(jié)能與環(huán)保上的需求，更加受到青睞，將會(huì)成為中大型豪華車向新能源汽車發(fā)展過渡階段的重要支撐橋梁。因此，大力促進(jìn)高油耗車型混合動(dòng)力化發(fā)展，提升前置后驅(qū)混合動(dòng)力技術(shù)水平，是前置后驅(qū)豪華車市場(chǎng)發(fā)展趨勢(shì)。