混合动力汽车Px混动构型解析

连云港市工贸高等职业技术学校 黄 瑾

对混合动力比较关注的读者，应该在阅读一些文章时都接触到所谓的“Px混动”的说法，那么“Px混动”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器的并联与串并联（混联）混动构型。

P是Position（位置）的意思。对于单电机的混合动力系统，根据电机相对于传统动力系统的位置，可以把单电机混动方案分为6大类，分别以P0、P1、P2、PS、P3、P4命名，各电机的安装位置如图1所示。

1 P0混动构型

传统汽车发电机与发动机曲轴通过传动带柔性连接。当发动机运转时，会有少量的能量传递过来带动发电机发电。P0电机就位于发动机前端附件驱动系统（FEAD，Front End Accessory Drive）上，也就是普通汽车上发电机的位置。P0混动就是把这个发电机换成了一个功率比较大的BSG电机（Belt-driven Starter/Generator，带传动起动/发电一体化电机，图2）。P0混动系统由于有功率较大的BSG，再配合较大的蓄电池，就可做到在等红绿灯发动机停机时，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。但由于带传动容易打滑失效的特性，即使有张紧器，其传动效率仍然有限，不支持其进行更大强度的动力输出，无论是给发动机加力还是回收动能的功率都有限，因此，P0混动一般只应用于自动起停系统，以及12 V～25 V微混和48 V弱混，通常只支持发动机怠速停机、停机后的快速起动及制动时能量的回收。图3所示为奔驰A级和B级车上使用的P0混动方案，采用了48 V的BSG电机，液压转动带张紧器在P0混动中是一个比较重要的部件，要求其要比一般的张紧器具有更强的调节张力的能力，以保证在起动发动机和进行能量回收时有较高的传动效率。

2 P1混动构型

图1 电机的安装位置

图2 P0混动构型

图3 奔驰A级和B级车上使用的P0混动方案

如图4所示，P1电机放在发动机后、离合器前的位置（就是原来飞轮的位置）。其实P1混动与P0混动相仿，只不过P1混动是将ISG电机（Integrated Starter and Generator，盘式一体化起动/发动一体化电机）固连在了发动机上，取代了传统的飞轮，发动机曲轴则充当了ISG电机的转子，只要发动机在运转，转子就跟着旋转，因此它同样支持发动机起停、制动能量回收。由于电机与发动机采用刚性连接，因此P1混动可以实现动力辅助，在驾驶人踩下加速踏板后，控制单元会控制ISG电机立刻补充动力，以此让汽车保持动力输出与节油性的高度平衡。在不同程度的制动过程中，ISG电机都可以实现发动机制动能量的回收和储存，在下长坡时其还会根据具体车速施加辅助制动力矩，以此提高车辆的安全性。采用机械连接的P1混动布局的传动效率要比P0混动高得多，因此除了自动起停、微混和弱混外，还可以应用在100 V～200 V电压的中混系统中。

图4 P1混动构型

P1混动因为电机直接套在曲轴上，二者转速必须相等，而不像通过转动带连接的P0混动布局有一个传动比，因此电机需要有比较大的扭矩和体积，同时还需要做得比较薄，从而能放到原来飞轮的位置，成本较高。实际应用中，P1混动较高的驱动力矩使得车辆的驾驶性能更佳，与P0混动相比要更节油。

无论是P0混动还是P1混动，只要电机旋转，发动机曲轴就必须旋转，电机没办法单独驱动车轮，因此，P1混动系统并没有纯电行驶模式。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并增加噪音和振动。因此P0混动和P1混动都不适合电机、电池更大的强混系统。

目前采用P1混动的以中混汽车为主，由于可靠性高且成本较低，国内公交车和自主品牌车多采用P1混动构型。本田思域混动和Insight车装备的第一代本田IMA混动及奔驰S400混动车型（图5）采用的就是P1混动布局。

3 P2混动构型

图5 奔驰S400混动车型的P1混动构型

图6 宝马（BMW）530E的P2混动构型

图7 电机直接套在变速器输入轴上

跟P1电机一样，P2电机也需要布置在发动机和变速器中间，但因为不必像P1电机那样整合在发动机外壳中，而是在变速器与发动机中间的离合器之后安装电机（图6），其布置形式更加灵活，不仅可以直接套在变速器输入轴上（这样一般需要重新设计变速器，图7），也可以通过传动带或齿轮传动与变速器输入轴连接（图8），甚至也可以使用减速齿轮（体积较大）带动P2电机工作。此外，P2混动构型也有一些变种，比如荣威550插电混动车，如图9所示，实际上是没有传统变速器的，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2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挡变速器。

P2混动构型在纯电动模式下可以和发动机断开连接，因为电机和发动机之间还有个离合器，因此在纯电动模式下发动机并不会被拖动，同时由于P2电机的后面有变速器，因此变速器的所有挡位都可以被电机利用。

图8 电机通过传动带或齿轮传动与变速器输入轴连接

图9 荣威550插电混动车无传统变速器的P2混动构型

P2混动是目前市面上混动车型采用最多的Px混动构型。电机放在离合器后变速器前，通过在发动机与变速器之间插入2个离合器和1套电机来实现混动，是一种并联式的、2个离合器的混合动力系统。P2和P1模式基本相同，唯一的区别在于电动机和发动机之间有没有离合器，是不是可以切断电机的辅助驱动。和P1混动不同的是，P2混动系统由于P2电机和发动机之间有离合器，故可以用电机单独驱动车轮，实现纯电行驶模式，且在动能回收时也可以切断与发动机的连接。但P2也有劣势，它只有在变速器切换到空挡时，才能切断与车轮的连接，进而可以用于起动发动机，但如果变速器不能很快地切换到空挡（基于行星齿轮的自动变速器可以），就需要一个额外的起动电机来满足自动起停系统频繁快速起停电机的要求，或者是一个在P1位置的中低压起动电机，或者是一个在P0位置的48 V以上的中高压BSG电机。后者有2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。

综上所述，仿真结果、理论计算结果、实测结果是基本一致的，在误差允许的范围内，从而验证了理论计算方法的正确性。

从P2混动系统的结构原理可知，P2混动系统是在发动机和变速器中间硬生生地加入了1个离合器和1个电机，这无疑将会出现一个极其麻烦的问题——轴向尺寸增加。为了解决这个硬件上的问题，工程师们采用了很多措施——发动机减缸（四缸变三缸、六缸变四缸）、壳体一体化设计、将离合器进一步缩入电机内部等。例如舍弗勒的P2混动构型（图10）就是将离合器系统集成至电机的定子中，采用了电动中心式执行机构（ECA），在减少执行机构体积的同时提高了离合器的控制精度。舍弗勒P2混动构型的最大特点是可以与现有的发动机和变速器构成的动力总成相配合达成混动系统，可以适应包括从中混到插电重混的各种车型。舍弗勒P2混动系统以一种创新性的方式来分配动力走向，扭矩由电机向发动机方向传递起动发动机时，其由可分离式离合器（Disconnect clutch）传递，可传输最大300 N·m的扭矩；而发动机和电机向变速器侧输出动力时，其通过单向离合器（One way clutch）传输扭矩，最大可达到800 N·m。奥迪A3 e-Tron混动车型就是采用的舍弗勒的P2混动系统。

图10 舍弗勒的P2混动构型

4 P3混动构型

P3混动构型是将电机挪到了变速器的末端，电机与变速器的输出轴耦合，可以离变速器有一定距离，更靠近传动轴，一般采用齿轮或链条传动，其工作模式是：发动机→离合器→变速器-电机→减速器→车轮。但P3混动模式下的纯电动驱动需要克服前面被拖动的变速器的加速阻力。相比电机在变速器前的P0、P1和P2混动布局，P3混动构型最主要的优势是纯电驱动和动能回收的效率高。因为其避开了传统车用变速器造成的较大损耗，这对电驱比例较高的插电混动车而言是非常重要的。

P3混动因为电机必须与车轴相连，因此电机无法用于起动发动机，因此在P1位置仍然需要中低压起动电机，以满足发动机自动起停需要，电机的功率不能太小，电池也需要加大。但一个新的问题出现了，如果自驾、露营时需要用电，当电池电量用完后，P3混动构型便只能放弃电器，而P2混动则可以起动发动机发电，来满足电磁炉等大功率用电电器的用电需求。虽然P2混动和P3混动都能单独纯电驱动行驶，能充电，还能油电一起驱动行驶，能省油，但由于P3混动比P2混动少一组离合器，因此纯电传动更为直接，更高效。由于P3混动构型的电机无法与变速器或发动机进行整合，需要占用额外的空间，理论上来说，P3混合构型比较适合后驱车，因为有充足的空间可以布置P3电机。此外，也可以增加P0位置的BSG电机，变身为“P0+P3构型”的串并联混动。本田i-DCD车、比亚迪秦、长安逸动等采用就是这种P3混动系统。

5 PS混动构型

PS混动构型是介于P2混动和P3混动之间的一种混动形式，也称为P2.5混动构型。PS混动构型的电机位于变速器内部。在很多文章中，PS混动与P3混动被统一称为P3混动，但实际上两者是有区别的，P3混动的电机在变速器的输出轴耦合，可以离变速器有一定距离，更靠近传动轴，一般采用齿轮或链条传动，而PS混动的电机则是直接整合在变速器内部。PS混动系统多是基于双离合变速器的，它能很好地利用双离合变速器可以在2个输入轴之间切换的特点，将电机集成到了其中一根轴（一般是偶数挡位轴）上面。这种混合动力更像是P2混动构型，它拥有3种工作模式。

（1）2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器传动的P2混动构型的效率更高。

（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器输入轴上的P2混动构型。

（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（且可以分别选择挡位）旋转，相当于以齿轮驱动的P2混动构型（而且还能变速）。

相比电机置于发动机输出端的P1混动构型及电机置于变速器输入端的P2混动构型，PS混动构型在油电衔接瞬时减轻冲击方面更具优势。相比电机置于变速器输出端的P3混动构型，PS混动构型可将电机的力矩通过变速器多挡位放大，不仅能让电机经济运行区域更广，而且选型时也可以考虑采用功率更小的电机。

不过，采用PS混动构型将会面临巨大的挑战：当电机始终驱动二轴工作时，一旦发动机提供的动力切入二轴，便会在变速器的二轴上产生力的耦合过程，如果匹配程序不够完善，将会在变速器内部产生明显的换挡冲击。PS混动构型给人最大的感觉就是复杂，结构本身复杂，相信对系统的匹配和调校也比较复杂，比如C1和C2离合器的接合控制、发动机和电机都作用到二轴上的动力融合等，都需要长时间的经验积累。吉利博瑞GE车PHEV版本采用的动力系统便是1.5T+7DCT，并采用了PS混动构型的混合动力系统。

实际应用中被人们称为P3混动构型的，实际上往往是PS混动构型，比如大众速腾混动、沃尔沃T5前驱混动、比亚迪秦等，使用PS混动构型的包含了中混、强混、混合策略插电混动，以及增程式插电混动。

在PS混动构型中还有一个构型是不得不说的。那就是丰田汽车的THS系统（Toyota Hybrid System，丰田混合动力系统），该系统的核心部件是一套丰田公司称之为“动力分配器”的行星齿轮组（图11），采用了双电机、单行星排架构，其真正的内涵是通过行星排的三自由度、双电机及智能控制的相互配合，实现动力的强劲、顺畅输出。而通用汽车则是采用了双电机、双星行排的PS混动技术架构（可以简单地理解成“双THS”技术，图12），效率更高、动力输出更平顺。

6 P4混动构型

P4混动构型是把电机安装在非内燃机驱动的轴上，直接驱动车辆行驶。另外，轮边驱动电机（图13）也叫P4混动构型。P4混动构型的电机既可以通过链条或齿轮驱动前轴/后轴，也可以直接用轮毂电机驱动车轮，从而大大提高了车辆的转弯性能，并省去了轮轴和差速器带来的效率损失和额外车重。

图11 丰田THS系统（PS混动构型）

图12 通用汽车第二代Voltec车采用PS混动构型结构简图

P4混动布局最大的特点是，电机与发动机不驱动同一轴，这意味着：车辆可以实现四驱；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。

图13 轮边驱动电机（P4混动构型）

P4混动布局的特性与P3混动布局大体相似。不过，大部分P4混动布局（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。P4混动构型大多应用于各种插电式混动或者弱混模式，因为不方便纯电驱与纯发动机驱动间的切换，P4强混反而是比较少的。因此，P4混动要么采用插电式混动，以电机后驱为主，只有在需要更大功率时才起动发动机驱动前轴；要么像沃尔沃前驱平台SUV的T8混动四驱及宝马后驱平台轿车的混动四驱一样，P4电机只作为辅助驱动，车辆仍然以发动机驱动为主。而为了保证时常有电量驱动P4电机，这两款车同时在发动机的驱动轴也有一个电机，宝马是P0电机，沃尔沃T8是P2电机，一来用于起动发动机，二来可以给动力电池充电，三来也能给前轴提供驱动力。这两个构型可以分别称为P0+P4和P2+P4。比较特殊的像比亚迪唐（图14），以主电机（P3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（P4电机）。这是因为比亚迪唐的发动机除了增强动力外，还要负责用来增程，而不像宝马车的发动机主要是用来增加动力，因此主电机（P3电机）和发动机放在同一轴上。

图14 比亚迪唐的P3+P4混动构型