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深度解读丨i-MMD串并联混动系统

2021-10-20 00:03:49·  来源：EDC电驱未来  作者：李琳  
　
在 DHT（Dedicated Hybrid Transmission，专用混动变速箱）的世界里，虽然产品繁多，但是仔细看去，无非功率分流、串并联、串联三种之一。这三种 DHT 虽然都能实
在 DHT（Dedicated Hybrid Transmission，专用混动变速箱）的世界里，虽然产品繁多，但是仔细看去，无非功率分流、串并联、串联三种之一。这三种 DHT 虽然都能实现汽车的混动化，但行业内，有的车厂选择了功率分流，而有的则选择了串并联。这背后的原因是什么？
 
图1：本田 Clarity 插电式混合动力车型，配备 i-MMD 混动系统 | 图片@Honda
说到串并联混动系统，业内必谈的肯定是本田的 i-MMD 混动系统（其全称为 intelligent Multi-Mode Drive）。2013 年，以丰田为代表的功率分流系统在 DHT 领域如日中天。本田偏偏在此时将 i-MMD 串并联混动系统引入市场，选择了一条完全不同的路线。几年之后的今天，它已经成为了中国、欧美等众多车企研发混动产品时的标杆，不少之前专心于功率分流系统的厂商，也转型串并联系统。
我们这篇文章就来聊聊本田的 i-MMD 串并联系统。
 
i-MMD 的结构
 
本田 i-MMD 混动系统的结构非常简单。下图左侧是它的结构图，我们稍稍整理一下，就可以把它变成右侧的原理图。这个原理图适用于所有的串并联系统，所以，我们就拿它来说串并联系统：发动机连接着一台发电机（generator），而电动机（motor）与车轮相连。两台电机间有一个离合器，当它关闭时，发动机与车轮相连。
 
图2：i-MMD 系统结构（左侧）及原理图（右侧），发动机与发电机、电动机与输出端间分别有一个传动比 | 图片@obasic.net
 
在原理图中，从发动机出发，我们可以看到两条功率流。第一条（图中红线）对应着系统的并联模式，此时，离合器关闭，发动机输出的功率以机械功率形式传递至变速器输出端。与此相对，第二条功率流（图中蓝线）对应着串并联式系统的串联模式。此时，离合器打开。发动机的输出功率依次经过发电机、电动机，才抵达变速器的输出端。不难看出，发动机输出的机械功率先被转换为了电功率，之后又被转换回机械功率。
如果你读了之前我聊功率分流系统的文章的话，你应该记得功率分流系统可以在串联和并联两个“极端”模式之间做无缝转换。也就是说，它能够将发动机的功率一部分通过机械（对应于并联）、另一部分通过电功率（对应于串联）同时传输，两种功率的比例可以无级调节。
 
而串并联系统与功率分流系统相比，一个很大的不同是，它无法在串、并两个“极端”模式之间做无缝转换。取决于离合器是打开还是关闭，i-MMD 内的功率要么完全以机械形式，要么完全以电的形式传递，两条功率流只能是非你即我的关系。也就是说，汽车要么开并联模式（纯机械功率流），要么开串联模式（纯电动功率流），没有中间档。
以上就是串并联系统的一般结构特点。在本田的 i-MMD 内，还有另外一个特点，即所有配备 i-MMD 的车型都安装有 VTEC 发动机，可以在阿特金森和奥托循环之间转换。为了降低油耗，发动机大部分情况下都使用阿特金森循环。我们之后会谈到，发动机的这个特性也影响了 i-MMD 的混动控制策略。
i-MMD 的模式
 
除了串联和并联两个模式之外，串并联式系统还包括了第三种模式——纯电动驾驶，三种模式的功率流如下图。
 
 
图3：i-MMD 三种模式的功率流，即串联、并联、纯电动驾驶模式 | 图片@obasic.net
与所有的混动汽车一样，本田在 i-MMD 混动系统中对各个模式的选择遵循着一套控制策略。i-MMD 的控制策略所实现的效果，用最简单的话来说，就是让混动车开出纯电动车一样的感觉。本田雅阁（Accord）插电混动车型是最早配备 i-MMD 系统的车型。下图是它在电量维持模式（charge sustaining mode）时的混动控制策略。可以看到：
在 70 km/h 以下行驶且功率需求较低时，i-MMD 只使用纯电动模式（蓝色区域）；
在高速巡航，即车速高于 70 km/h 且牵引力很低时（灰色区域），i-MMD 使用并联模式行驶；
除以上的情况外，i-MMD 选用了串联模式行驶（绿色区域）。值得指出的是，在串联模式下，发动机不直接连接车轮，因此，虽然发动机打开，但是驱动完全由驱动电机提供，驾驶感受与纯电动模式一致。
 
图4：本田 Accord i-MMD 在电量维持时模式分布图 | 图片@obasic.net
总的来说，在日常驾驶中，我们大多在开纯电动和串联模式，极少会开并联模式，发动机极少直接驱动车辆，基本都交给电动机来负责。正是因为这样，配备了 i-MMD 混动系统的本田雅阁的驾驶感受相当于一台纯电动车。
当然，如果只是为了达到电动车的驾驶感受，本田大可以把并联模式进一步压缩（甚至舍去），而更多地使用串联模式。本田不这么做，还有更深一层的原因，这就聊到了 i-MMD 系统的痛处，我们一条条来看。
i-MMD 的痛处
 
串并联系统最为明显的劣势在于它的串联模式，这里有两点。
首先，由于发动机输出的功率必须 100% 通过两台电机传输，所以两台电机的功率水平必须达到与发动机差不多才行，也就是说电机没法做小。与此相比，在功率分流系统中，电机的功率一般来说都低于发动机功率。
其次，串联模式下的传输效率较低。如上面所说，在串联模式下，发动机的输出功率在传输过程中在两台电机上，要经过机械能 > 电能 > 机械能两次能量形式的转换，无法避免的有能量损失。本田 i-MMD 的电机，在业内来说属于性能不错的，在大部分情况下都能达到 95% 的效率。整体传输效率即 90%（= 95% x 95%），这个效率只能说是中规中矩，与 CVT（无级变速器）处于同一水平。考虑到不少车厂的电机还达不到本田的水平，其传输效率会更低，传输损失更为严重。这也是串联模式一直推广不开的原因。
好的是，在串联模式下，发动机与车轮之间没有了机械连接，所以发动机可以一直在最佳油耗曲线上运行，因此如果我们单看发动机的话，它的效率很高。这样综合下来，虽然传输效率不高，但是 i-MMD 的整体驱动效率（= 发动机效率 x 传输效率）稍微平衡了一些。
即便如此，串联模式的整体效率仍然比不上并联模式。在高速巡航（车速大于 70 km/h，牵引力低）时，本田选择使用并联模式，就是这个原因。
既然如此，我们必然会问，那为什么不把并联模式使用的区域再扩大一点呢？
简单来说，就是没法扩大。这就是 i-MMD 并联模式仅有一个档位的限制。
本田在 i-MMD 中只给并联模式配备了一个档位。它的传动比是 0.803，相当于传统汽车里的第 5 档，这也是为什么并联模式只能车速在 70 km/h 以上时才能使用的原因。
除此之外，在并联模式下，本田还给发动机套了另一把锁：只允许发动机使用阿特金森循环。这个发动机特性直接影响了汽车的控制策略。
由于必须使用阿特金森循环，并联模式下，发动机的运行范围被大大限制。我们先看它的转速，考虑到发动机热效率及燃烧稳定性，发动机只能在 1200 至 3000 转/分的转速区间内运行。另一方面，在扭矩上，考虑到阿特金森循环在高扭矩的效率不如奥托循环，所以只允许发动机在中、低扭矩区域运行。考虑到这台 2.0 升的发动机最高扭矩只有 165 Nm，还被限制了无法输出最高扭矩，其动力性可想而知。
总的来说，发动机在转速和转矩上被大大地限制。在此之上，本田只给车子安装了一个传动比很低的档位，所以，并联模式的可用范围很小（如图 4）。
看到这里你可能会问，如果给并联模式安装两个档位的话，不就能解决以上的问题吗？
没错，实际上，有不少车厂也采用了类似于 i-MMD 的串并联系统，并采用了两个或更多的档位。例如，长城和广汽的 DHT 都使用了两个档位，而雷诺和 Vitesco都在各自的 DHT 里使用了更多的档位。这一篇里我们的主角是本田 i-MMD，所以不深入探讨这些车厂的 DHT。总的说来，安装了多个档位后，并联模式的使用区域增加，可以提高传动系统的效率。但是，也是因为使用并联模式的情况更多，汽车开起来则更像传统燃油车，而不是（像本田 i-MMD 那样）电动车的驾驶感受。这一点源于几家车厂对其车型定位的不同。
i-MMD 的优势
 
Honda
虽然有以上的这些限制，与其他混动系统相比，串并联系统的优势是非常明显的。
i-MMD 串并联系统最大的优点应该说是它极为简单的结构。与功率分流系统相比，它没有复杂的行星齿轮组，而且只有一个换档装置，即离合器。也因为其结构简单，串并联系统的控制也非常明了。通过打开、关闭离合器就可以在串联和并联模式之间转换。这里需要补充的是，如之前所说，市场上也有不少结构更为复杂的串并联系统，主要原因是其档位数目的增加。
正是因为串并联系统的简单，它成为了打造混动系统的一个不错选择。对于行业内一些公司来说，功率分流系统的复杂度和制造要求太高。相比下来，串并联系统似乎比功率分流更加简便、高效。因此，许多业内公司纷纷做起了自己的串并联系统，如长城、广汽、雷诺、大众等等。
串并联系统另一个优势，是发动机在串联模式下可以高效率运行。在串联模式下，发动机与车轮完全脱钩，无论汽车的车速和牵引力如何，发动机都能随意选择其运行点，比如说我们可以让发动机从汽车从起步到最高车速一直工作在一个固定的转速和扭矩点上。也就是说，使用串联模式时，我们指定让发动机在一个很小的区域——即很窄的转速范围和很窄的转矩范围内——工作，而禁止它在绝大多数转速和转矩情况运行。
这样做的目的，简单来说，是为了提高发动机的效率，同时降低发动机开发的费用。发动机热效率的提高，将是未来几年发动机研发的核心。近期，国内外各大主机厂都高调提出了 50% 的发动机热效率目标。结合串联模式的特点，如果能保证汽车在行驶时，发动机只在非常小的一块区域工作，那么意味着发动机的研发、优化工作只需要在一个很小的区域进行，减低费用；同时，由于用不着其他运行区域，我们可以专注于提升这一小块区域的发动机效率。
要达到这样的效果，也意味着我们要尽量多地使用串联模式，或者说得更加技术一点（也无趣一点），要尽量让发动机和车轮脱钩，以保证发动机能不受驾驶情况的影响，一直在规定的那一小块区域运行，达到最高效率。
如果再看看市场上近期出现的多档串并联系统的话，可以看到，它们没有真正发挥这套系统中串联模式的优势。随着发动机往更高热效率的方向发展，串并联系统中将越来越多地强调串联模式，并逐渐发展为完完全全的串联系统，而舍去并联模式。今天使用两个档位，主要原因还是因为发动机的效率不够高。
串并联系统的最后一个优势，是它跟纯电驱系统长得非常像。串并联驱动系统中，抛去发动机和发电机不看的话，它的电动机与纯电动汽车中的驱动系统几乎完全一致。开发串并联系统时，完全可以共用纯电动车型中的驱动电机。这个特点是功率分流混动、P2 混动都没有的。串并联系统的这个优势，也是完全符合于当今各大车厂的模块化策略。
串并联系统的油耗
 
跳出以上所有的技术细节，我们来看看串并联系统与其他混动系统相比，油耗到底怎么样。
以 2014 年车型对比，本田雅阁插电混动（i-MMD 串并联系统）的油耗为 5.1 L/100 km，略逊于同一年的丰田普锐斯插电混动（输入式功率分流系统）的 4.7 L/100 km，但仍然优于同年的雪弗兰沃尔特插电混动（输出式功率分流系统）的 6.4 L/100 km 及两年后的第二代沃尔特插电混动（复合式功率分流系统）的 5.6 L/100 km。
用一句话来结束这篇文章的话，可以说，开发 DHT 混动时，在功率分流和串并联之间，没有绝对的优与劣，对于绝大多数车厂来说，串并联系统提供了一个简单却非常实用的混动方案。
注释:
 
  • i-MMD 混动系统已经发展到了第三代。参考报道：”2018 Honda Accord Hybrid features third-generation MMD two-motor system” ↩
  • 在功率分流系统中，发动机功率在极端情况下可以全部由电功率传输（输入式功率分流文章图 6 中 A 点），或全部由机械功率传输（B 点，即机械点），但是在绝大多数情况下，汽车在 A 与 B 点之间的工况区域行驶。 ↩
  • 当然，没有中间档不能说是串并联系统的劣势。在 DHT 中，档位或者说模式不一定是越多越好。 ↩
  • 实现发动机在阿特金森和奥托循环间转换的技术为 VTEC (Variable valve Timing and lift Electronic Control system)，即可变气门正时技术，参考链接及链接。本田 CR-V、Accord 车型中配备的是 2.0 升 VTEC 发动机，Insight、Clarity 车型中配备的是 1.5 升 VTEC 发动机。 ↩
  • 当电池内电量充足时，串联混动汽车可以实现纯电动驾驶，此时发动机和发电机都关闭，汽车由电动机单独驱动。 ↩
  • 这里提到的 95% 的电机效率已包括了功率电子的效率。出处：Higuchi, N., et al. Development of a New Two-Motor Plug-In Hybrid System. SAE Int. J. Alternative Powertrains 2, 2013 ↩
  • 出处：Du, Jiaen, et al. Testing and analysis of the control strategy of Honda Accord plug-in HEV. IFAC-PapersonLine 49.11, 2016 ↩
  • 出处：Yonekawa, Akiyuki, et al. Development of new gasoline engine for ACCORD plug-in hybrid. No. 2013-01-1738. SAE Technical Paper, 2013 ↩
  • 在使用阿特金森循环时，本田 i-MMD 发动机理论上的可用转速在 1200 至 5300 1/min 之间。但是，在 3000 至 5300 1/min 的转速范围内、大油门工况下，奥拓循环的扭矩输出与阿特金森循环几乎一直，但热效率更高，因此本田在这个转速区域内选择使用奥拓循环。而只有在 1200 至 3000 1/min 的转速区间内才使用阿特金森循环。出处：Yonekawa, Akiyuki, et al. Development of new gasoline engine for ACCORD plug-in hybrid. No. 2013-01-1738. SAE Technical Paper, 2013 ↩
  • 出处：Ide, H., et al. Development of SPORT HYBRID i-MMD control system for 2014 model year accord. Introduction of new technologies, 2014 ↩
  • 长城柠檬 DHT，其两个档位用于并联模式。 ↩
  • 广汽 GMC 第二代也为发动机配备了两个档位。 ↩
  • 雷诺 e-Tech 使用了 11 个档位用于并联模式，2 个档位用于串联模式。 ↩
  • Vitesco DHT 使用了 4个档位用于并联模式。 ↩
  • 上面我们提到，在功率分流系统中我们（从理论上）也可以实现“串联”，但是这个“串联”状态只出现在一个极端工况点上，这个“串联”点即输入式功率分流文章图 6 中 A 点。 ↩
  • 出处：fueleconomy.gov 四种车型对比链接。 ↩
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