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深度解讀丨i-MMD串并聯(lián)混動系統(tǒng)

2021-10-20 00:03:49·  來源：EDC電驅(qū)未來  作者：李琳  
　
在 DHT（Dedicated Hybrid Transmission，專用混動變速箱）的世界里，雖然產(chǎn)品繁多，但是仔細看去，無非功率分流、串并聯(lián)、串聯(lián)三種之一。這三種 DHT 雖然都能實
在 DHT（Dedicated Hybrid Transmission，專用混動變速箱）的世界里，雖然產(chǎn)品繁多，但是仔細看去，無非功率分流、串并聯(lián)、串聯(lián)三種之一。這三種 DHT 雖然都能實現(xiàn)汽車的混動化，但行業(yè)內(nèi)，有的車廠選擇了功率分流，而有的則選擇了串并聯(lián)。這背后的原因是什么？
 
圖1：本田 Clarity 插電式混合動力車型，配備 i-MMD 混動系統(tǒng) | 圖片@Honda
說到串并聯(lián)混動系統(tǒng)，業(yè)內(nèi)必談的肯定是本田的 i-MMD 混動系統(tǒng)（其全稱為 intelligent Multi-Mode Drive）。2013 年，以豐田為代表的功率分流系統(tǒng)在 DHT 領(lǐng)域如日中天。本田偏偏在此時將 i-MMD 串并聯(lián)混動系統(tǒng)引入市場，選擇了一條完全不同的路線。幾年之后的今天，它已經(jīng)成為了中國、歐美等眾多車企研發(fā)混動產(chǎn)品時的標桿，不少之前專心于功率分流系統(tǒng)的廠商，也轉(zhuǎn)型串并聯(lián)系統(tǒng)。
我們這篇文章就來聊聊本田的 i-MMD 串并聯(lián)系統(tǒng)。
 
i-MMD 的結(jié)構(gòu)
 
本田 i-MMD 混動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)非常簡單。下圖左側(cè)是它的結(jié)構(gòu)圖，我們稍稍整理一下，就可以把它變成右側(cè)的原理圖。這個原理圖適用于所有的串并聯(lián)系統(tǒng)，所以，我們就拿它來說串并聯(lián)系統(tǒng)：發(fā)動機連接著一臺發(fā)電機（generator），而電動機（motor）與車輪相連。兩臺電機間有一個離合器，當它關(guān)閉時，發(fā)動機與車輪相連。
 
圖2：i-MMD 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)（左側(cè)）及原理圖（右側(cè)），發(fā)動機與發(fā)電機、電動機與輸出端間分別有一個傳動比 | 圖片@obasic.net
 
在原理圖中，從發(fā)動機出發(fā)，我們可以看到兩條功率流。第一條（圖中紅線）對應著系統(tǒng)的并聯(lián)模式，此時，離合器關(guān)閉，發(fā)動機輸出的功率以機械功率形式傳遞至變速器輸出端。與此相對，第二條功率流（圖中藍線）對應著串并聯(lián)式系統(tǒng)的串聯(lián)模式。此時，離合器打開。發(fā)動機的輸出功率依次經(jīng)過發(fā)電機、電動機，才抵達變速器的輸出端。不難看出，發(fā)動機輸出的機械功率先被轉(zhuǎn)換為了電功率，之后又被轉(zhuǎn)換回機械功率。
如果你讀了之前我聊功率分流系統(tǒng)的文章的話，你應該記得功率分流系統(tǒng)可以在串聯(lián)和并聯(lián)兩個“極端”模式之間做無縫轉(zhuǎn)換。也就是說，它能夠?qū)l(fā)動機的功率一部分通過機械（對應于并聯(lián)）、另一部分通過電功率（對應于串聯(lián)）同時傳輸，兩種功率的比例可以無級調(diào)節(jié)。
 
而串并聯(lián)系統(tǒng)與功率分流系統(tǒng)相比，一個很大的不同是，它無法在串、并兩個“極端”模式之間做無縫轉(zhuǎn)換。取決于離合器是打開還是關(guān)閉，i-MMD 內(nèi)的功率要么完全以機械形式，要么完全以電的形式傳遞，兩條功率流只能是非你即我的關(guān)系。也就是說，汽車要么開并聯(lián)模式（純機械功率流），要么開串聯(lián)模式（純電動功率流），沒有中間檔。
以上就是串并聯(lián)系統(tǒng)的一般結(jié)構(gòu)特點。在本田的 i-MMD 內(nèi)，還有另外一個特點，即所有配備 i-MMD 的車型都安裝有 VTEC 發(fā)動機，可以在阿特金森和奧托循環(huán)之間轉(zhuǎn)換。為了降低油耗，發(fā)動機大部分情況下都使用阿特金森循環(huán)。我們之后會談到，發(fā)動機的這個特性也影響了 i-MMD 的混動控制策略。
i-MMD 的模式
 
除了串聯(lián)和并聯(lián)兩個模式之外，串并聯(lián)式系統(tǒng)還包括了第三種模式——純電動駕駛，三種模式的功率流如下圖。
 
 
圖3：i-MMD 三種模式的功率流，即串聯(lián)、并聯(lián)、純電動駕駛模式 | 圖片@obasic.net
與所有的混動汽車一樣，本田在 i-MMD 混動系統(tǒng)中對各個模式的選擇遵循著一套控制策略。i-MMD 的控制策略所實現(xiàn)的效果，用最簡單的話來說，就是讓混動車開出純電動車一樣的感覺。本田雅閣（Accord）插電混動車型是最早配備 i-MMD 系統(tǒng)的車型。下圖是它在電量維持模式（charge sustaining mode）時的混動控制策略?？梢钥吹剑?/div>
在 70 km/h 以下行駛且功率需求較低時，i-MMD 只使用純電動模式（藍色區(qū)域）；
在高速巡航，即車速高于 70 km/h 且牽引力很低時（灰色區(qū)域），i-MMD 使用并聯(lián)模式行駛；
除以上的情況外，i-MMD 選用了串聯(lián)模式行駛（綠色區(qū)域）。值得指出的是，在串聯(lián)模式下，發(fā)動機不直接連接車輪，因此，雖然發(fā)動機打開，但是驅(qū)動完全由驅(qū)動電機提供，駕駛感受與純電動模式一致。
 
圖4：本田 Accord i-MMD 在電量維持時模式分布圖 | 圖片@obasic.net
總的來說，在日常駕駛中，我們大多在開純電動和串聯(lián)模式，極少會開并聯(lián)模式，發(fā)動機極少直接驅(qū)動車輛，基本都交給電動機來負責。正是因為這樣，配備了 i-MMD 混動系統(tǒng)的本田雅閣的駕駛感受相當于一臺純電動車。
當然，如果只是為了達到電動車的駕駛感受，本田大可以把并聯(lián)模式進一步壓縮（甚至舍去），而更多地使用串聯(lián)模式。本田不這么做，還有更深一層的原因，這就聊到了 i-MMD 系統(tǒng)的痛處，我們一條條來看。
i-MMD 的痛處
 
串并聯(lián)系統(tǒng)最為明顯的劣勢在于它的串聯(lián)模式，這里有兩點。
首先，由于發(fā)動機輸出的功率必須 100% 通過兩臺電機傳輸，所以兩臺電機的功率水平必須達到與發(fā)動機差不多才行，也就是說電機沒法做小。與此相比，在功率分流系統(tǒng)中，電機的功率一般來說都低于發(fā)動機功率。
其次，串聯(lián)模式下的傳輸效率較低。如上面所說，在串聯(lián)模式下，發(fā)動機的輸出功率在傳輸過程中在兩臺電機上，要經(jīng)過機械能 > 電能 > 機械能兩次能量形式的轉(zhuǎn)換，無法避免的有能量損失。本田 i-MMD 的電機，在業(yè)內(nèi)來說屬于性能不錯的，在大部分情況下都能達到 95% 的效率。整體傳輸效率即 90%（= 95% x 95%），這個效率只能說是中規(guī)中矩，與 CVT（無級變速器）處于同一水平?？紤]到不少車廠的電機還達不到本田的水平，其傳輸效率會更低，傳輸損失更為嚴重。這也是串聯(lián)模式一直推廣不開的原因。
好的是，在串聯(lián)模式下，發(fā)動機與車輪之間沒有了機械連接，所以發(fā)動機可以一直在最佳油耗曲線上運行，因此如果我們單看發(fā)動機的話，它的效率很高。這樣綜合下來，雖然傳輸效率不高，但是 i-MMD 的整體驅(qū)動效率（= 發(fā)動機效率 x 傳輸效率）稍微平衡了一些。
即便如此，串聯(lián)模式的整體效率仍然比不上并聯(lián)模式。在高速巡航（車速大于 70 km/h，牽引力低）時，本田選擇使用并聯(lián)模式，就是這個原因。
既然如此，我們必然會問，那為什么不把并聯(lián)模式使用的區(qū)域再擴大一點呢？
簡單來說，就是沒法擴大。這就是 i-MMD 并聯(lián)模式僅有一個檔位的限制。
本田在 i-MMD 中只給并聯(lián)模式配備了一個檔位。它的傳動比是 0.803，相當于傳統(tǒng)汽車里的第 5 檔，這也是為什么并聯(lián)模式只能車速在 70 km/h 以上時才能使用的原因。
除此之外，在并聯(lián)模式下，本田還給發(fā)動機套了另一把鎖：只允許發(fā)動機使用阿特金森循環(huán)。這個發(fā)動機特性直接影響了汽車的控制策略。
由于必須使用阿特金森循環(huán)，并聯(lián)模式下，發(fā)動機的運行范圍被大大限制。我們先看它的轉(zhuǎn)速，考慮到發(fā)動機熱效率及燃燒穩(wěn)定性，發(fā)動機只能在 1200 至 3000 轉(zhuǎn)/分的轉(zhuǎn)速區(qū)間內(nèi)運行。另一方面，在扭矩上，考慮到阿特金森循環(huán)在高扭矩的效率不如奧托循環(huán)，所以只允許發(fā)動機在中、低扭矩區(qū)域運行。考慮到這臺 2.0 升的發(fā)動機最高扭矩只有 165 Nm，還被限制了無法輸出最高扭矩，其動力性可想而知。
總的來說，發(fā)動機在轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩上被大大地限制。在此之上，本田只給車子安裝了一個傳動比很低的檔位，所以，并聯(lián)模式的可用范圍很?。ㄈ鐖D 4）。
看到這里你可能會問，如果給并聯(lián)模式安裝兩個檔位的話，不就能解決以上的問題嗎？
沒錯，實際上，有不少車廠也采用了類似于 i-MMD 的串并聯(lián)系統(tǒng)，并采用了兩個或更多的檔位。例如，長城和廣汽的 DHT 都使用了兩個檔位，而雷諾和 Vitesco都在各自的 DHT 里使用了更多的檔位。這一篇里我們的主角是本田 i-MMD，所以不深入探討這些車廠的 DHT?？偟恼f來，安裝了多個檔位后，并聯(lián)模式的使用區(qū)域增加，可以提高傳動系統(tǒng)的效率。但是，也是因為使用并聯(lián)模式的情況更多，汽車開起來則更像傳統(tǒng)燃油車，而不是（像本田 i-MMD 那樣）電動車的駕駛感受。這一點源于幾家車廠對其車型定位的不同。
i-MMD 的優(yōu)勢
 
Honda
雖然有以上的這些限制，與其他混動系統(tǒng)相比，串并聯(lián)系統(tǒng)的優(yōu)勢是非常明顯的。
i-MMD 串并聯(lián)系統(tǒng)最大的優(yōu)點應該說是它極為簡單的結(jié)構(gòu)。與功率分流系統(tǒng)相比，它沒有復雜的行星齒輪組，而且只有一個換檔裝置，即離合器。也因為其結(jié)構(gòu)簡單，串并聯(lián)系統(tǒng)的控制也非常明了。通過打開、關(guān)閉離合器就可以在串聯(lián)和并聯(lián)模式之間轉(zhuǎn)換。這里需要補充的是，如之前所說，市場上也有不少結(jié)構(gòu)更為復雜的串并聯(lián)系統(tǒng)，主要原因是其檔位數(shù)目的增加。
正是因為串并聯(lián)系統(tǒng)的簡單，它成為了打造混動系統(tǒng)的一個不錯選擇。對于行業(yè)內(nèi)一些公司來說，功率分流系統(tǒng)的復雜度和制造要求太高。相比下來，串并聯(lián)系統(tǒng)似乎比功率分流更加簡便、高效。因此，許多業(yè)內(nèi)公司紛紛做起了自己的串并聯(lián)系統(tǒng)，如長城、廣汽、雷諾、大眾等等。
串并聯(lián)系統(tǒng)另一個優(yōu)勢，是發(fā)動機在串聯(lián)模式下可以高效率運行。在串聯(lián)模式下，發(fā)動機與車輪完全脫鉤，無論汽車的車速和牽引力如何，發(fā)動機都能隨意選擇其運行點，比如說我們可以讓發(fā)動機從汽車從起步到最高車速一直工作在一個固定的轉(zhuǎn)速和扭矩點上。也就是說，使用串聯(lián)模式時，我們指定讓發(fā)動機在一個很小的區(qū)域——即很窄的轉(zhuǎn)速范圍和很窄的轉(zhuǎn)矩范圍內(nèi)——工作，而禁止它在絕大多數(shù)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩情況運行。
這樣做的目的，簡單來說，是為了提高發(fā)動機的效率，同時降低發(fā)動機開發(fā)的費用。發(fā)動機熱效率的提高，將是未來幾年發(fā)動機研發(fā)的核心。近期，國內(nèi)外各大主機廠都高調(diào)提出了 50% 的發(fā)動機熱效率目標。結(jié)合串聯(lián)模式的特點，如果能保證汽車在行駛時，發(fā)動機只在非常小的一塊區(qū)域工作，那么意味著發(fā)動機的研發(fā)、優(yōu)化工作只需要在一個很小的區(qū)域進行，減低費用；同時，由于用不著其他運行區(qū)域，我們可以專注于提升這一小塊區(qū)域的發(fā)動機效率。
要達到這樣的效果，也意味著我們要盡量多地使用串聯(lián)模式，或者說得更加技術(shù)一點（也無趣一點），要盡量讓發(fā)動機和車輪脫鉤，以保證發(fā)動機能不受駕駛情況的影響，一直在規(guī)定的那一小塊區(qū)域運行，達到最高效率。
如果再看看市場上近期出現(xiàn)的多檔串并聯(lián)系統(tǒng)的話，可以看到，它們沒有真正發(fā)揮這套系統(tǒng)中串聯(lián)模式的優(yōu)勢。隨著發(fā)動機往更高熱效率的方向發(fā)展，串并聯(lián)系統(tǒng)中將越來越多地強調(diào)串聯(lián)模式，并逐漸發(fā)展為完完全全的串聯(lián)系統(tǒng)，而舍去并聯(lián)模式。今天使用兩個檔位，主要原因還是因為發(fā)動機的效率不夠高。
串并聯(lián)系統(tǒng)的最后一個優(yōu)勢，是它跟純電驅(qū)系統(tǒng)長得非常像。串并聯(lián)驅(qū)動系統(tǒng)中，拋去發(fā)動機和發(fā)電機不看的話，它的電動機與純電動汽車中的驅(qū)動系統(tǒng)幾乎完全一致。開發(fā)串并聯(lián)系統(tǒng)時，完全可以共用純電動車型中的驅(qū)動電機。這個特點是功率分流混動、P2 混動都沒有的。串并聯(lián)系統(tǒng)的這個優(yōu)勢，也是完全符合于當今各大車廠的模塊化策略。
串并聯(lián)系統(tǒng)的油耗
 
跳出以上所有的技術(shù)細節(jié)，我們來看看串并聯(lián)系統(tǒng)與其他混動系統(tǒng)相比，油耗到底怎么樣。
以 2014 年車型對比，本田雅閣插電混動（i-MMD 串并聯(lián)系統(tǒng)）的油耗為 5.1 L/100 km，略遜于同一年的豐田普銳斯插電混動（輸入式功率分流系統(tǒng)）的 4.7 L/100 km，但仍然優(yōu)于同年的雪弗蘭沃爾特插電混動（輸出式功率分流系統(tǒng)）的 6.4 L/100 km 及兩年后的第二代沃爾特插電混動（復合式功率分流系統(tǒng)）的 5.6 L/100 km。
用一句話來結(jié)束這篇文章的話，可以說，開發(fā) DHT 混動時，在功率分流和串并聯(lián)之間，沒有絕對的優(yōu)與劣，對于絕大多數(shù)車廠來說，串并聯(lián)系統(tǒng)提供了一個簡單卻非常實用的混動方案。
注釋:
 
  • i-MMD 混動系統(tǒng)已經(jīng)發(fā)展到了第三代。參考報道：”2018 Honda Accord Hybrid features third-generation MMD two-motor system” ?
  • 在功率分流系統(tǒng)中，發(fā)動機功率在極端情況下可以全部由電功率傳輸（輸入式功率分流文章圖 6 中 A 點），或全部由機械功率傳輸（B 點，即機械點），但是在絕大多數(shù)情況下，汽車在 A 與 B 點之間的工況區(qū)域行駛。 ?
  • 當然，沒有中間檔不能說是串并聯(lián)系統(tǒng)的劣勢。在 DHT 中，檔位或者說模式不一定是越多越好。 ?
  • 實現(xiàn)發(fā)動機在阿特金森和奧托循環(huán)間轉(zhuǎn)換的技術(shù)為 VTEC (Variable valve Timing and lift Electronic Control system)，即可變氣門正時技術(shù)，參考鏈接及鏈接。本田 CR-V、Accord 車型中配備的是 2.0 升 VTEC 發(fā)動機，Insight、Clarity 車型中配備的是 1.5 升 VTEC 發(fā)動機。 ?
  • 當電池內(nèi)電量充足時，串聯(lián)混動汽車可以實現(xiàn)純電動駕駛，此時發(fā)動機和發(fā)電機都關(guān)閉，汽車由電動機單獨驅(qū)動。 ?
  • 這里提到的 95% 的電機效率已包括了功率電子的效率。出處：Higuchi, N., et al. Development of a New Two-Motor Plug-In Hybrid System. SAE Int. J. Alternative Powertrains 2, 2013 ?
  • 出處：Du, Jiaen, et al. Testing and analysis of the control strategy of Honda Accord plug-in HEV. IFAC-PapersonLine 49.11, 2016 ?
  • 出處：Yonekawa, Akiyuki, et al. Development of new gasoline engine for ACCORD plug-in hybrid. No. 2013-01-1738. SAE Technical Paper, 2013 ?
  • 在使用阿特金森循環(huán)時，本田 i-MMD 發(fā)動機理論上的可用轉(zhuǎn)速在 1200 至 5300 1/min 之間。但是，在 3000 至 5300 1/min 的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)、大油門工況下，奧拓循環(huán)的扭矩輸出與阿特金森循環(huán)幾乎一直，但熱效率更高，因此本田在這個轉(zhuǎn)速區(qū)域內(nèi)選擇使用奧拓循環(huán)。而只有在 1200 至 3000 1/min 的轉(zhuǎn)速區(qū)間內(nèi)才使用阿特金森循環(huán)。出處：Yonekawa, Akiyuki, et al. Development of new gasoline engine for ACCORD plug-in hybrid. No. 2013-01-1738. SAE Technical Paper, 2013 ?
  • 出處：Ide, H., et al. Development of SPORT HYBRID i-MMD control system for 2014 model year accord. Introduction of new technologies, 2014 ?
  • 長城檸檬 DHT，其兩個檔位用于并聯(lián)模式。 ?
  • 廣汽 GMC 第二代也為發(fā)動機配備了兩個檔位。 ?
  • 雷諾 e-Tech 使用了 11 個檔位用于并聯(lián)模式，2 個檔位用于串聯(lián)模式。 ?
  • Vitesco DHT 使用了 4個檔位用于并聯(lián)模式。 ?
  • 上面我們提到，在功率分流系統(tǒng)中我們（從理論上）也可以實現(xiàn)“串聯(lián)”，但是這個“串聯(lián)”狀態(tài)只出現(xiàn)在一個極端工況點上，這個“串聯(lián)”點即輸入式功率分流文章圖 6 中 A 點。 ?
  • 出處：fueleconomy.gov 四種車型對比鏈接。 ?
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