解析VELITE 5混動技術(shù)

隨著汽車能耗和排放問題的日益突出，發(fā)展已經(jīng)成為汽車行業(yè)的大趨勢，而和已經(jīng)成為新能源汽車突破的兩大主要方向。但就現(xiàn)階段來說，純電動汽車還有很多技術(shù)壁壘尚未取得突破性進(jìn)展，相比之下發(fā)展混合動力汽車目前更合時宜，技術(shù)也相對成熟。

混合動力技術(shù)流派眾多，但是在能耗和性能之間找到最優(yōu)解的卻屈指可數(shù)，其中包括通用、豐田和本田。通用、豐田等也是少數(shù)幾家掌握了PS型(Power Split 功率分流型)這種先進(jìn)混合動力構(gòu)型的廠家，PS型也是目前公認(rèn)的最優(yōu)解的混動構(gòu)型，而這其中又以通用的Gen2 VOLTEC系統(tǒng)最為出色。在最近剛上市的別克VELITE 5上搭載的就是Gen2 VOLTEC混動技術(shù)，從VELITE 5上這套混合動力系統(tǒng)實(shí)際駕駛表現(xiàn)來看，做到了能耗、排放和性能的平衡，所搭載的這套電驅(qū)技術(shù)可以當(dāng)作未來十年混動技術(shù)的路線圖來參考。

之所以這么說，一方面源于VELITE 5先進(jìn)的混動技術(shù)構(gòu)型，另一方面則是它有著高效的控制策略，使之成為目前綜合油耗最低(百公里綜合油耗0.9L)，純電續(xù)航里程最長(116km)的國內(nèi)生產(chǎn)的混合動力車型，綜合里程達(dá)到了768km。那么VELITE 5為何能如此優(yōu)異的數(shù)據(jù)領(lǐng)跑全行業(yè)?我們不妨來對它的動力總成工作原理，進(jìn)行一個深度的解析。

VELITE 5上這套電驅(qū)系統(tǒng)來源于通用在北美已經(jīng)名聲赫赫的第二代VOLTEC技術(shù) 。VELITE 5的動力部分由1.5L直噴發(fā)動機(jī)、容量18kWh的三元鋰電池組、一臺最大扭矩287N·m/功率83kW的主電機(jī)，一臺最大扭矩120N·m/功率52kW的副電機(jī)組成。電驅(qū)系統(tǒng)綜合功率達(dá)到110kW，綜合扭矩398N·m，動力綜合參數(shù)已經(jīng)超過了主流2.0T發(fā)動機(jī)的水平，同時這套混合動力總成已連續(xù)兩年的沃德十佳。

通用給VELITE 5取名為增程型混合動力車，從實(shí)際工作模式來說，與傳統(tǒng)意義的增程型混動并不一樣，因?yàn)樗闹饕?qū)動模式并非發(fā)動機(jī)與電機(jī)為串聯(lián)的增程式工作模式，而是由一套復(fù)雜的控制程序來實(shí)現(xiàn)了多種驅(qū)動模式。簡單來說VELITE 5是有兩種不同控制邏輯：在電池電量高于最低限值(電池SOC 20%左右)時，依據(jù)扭矩需求來決定是采用單電機(jī)還是雙電機(jī)驅(qū)動，與車速無關(guān)。在電池電量達(dá)到最低限值時，則采用HEV模式，包括單雙電機(jī)驅(qū)動、混合驅(qū)動、并聯(lián)驅(qū)動、發(fā)動機(jī)直驅(qū)多種工作模式，根據(jù)車輛行駛工況去精準(zhǔn)控制能耗。

要說明白這個，我們需要借助幾張簡圖來進(jìn)行說明。

VELITE 5的電量高于電池最低限值(SOC值20%左右)時的工作模式

VELITE 5的工作模式可以分為兩個階段來分解，在電池電量高于最低限值時，它完全是采用純電驅(qū)動，扭矩需求大則采用雙電機(jī)，扭矩需求小則采用主電機(jī)單獨(dú)驅(qū)動，在這個階段它與純電動汽車沒有任何區(qū)別。以下圖中紅色箭頭均表示能量的流動方向。

發(fā)動機(jī)不參與工作，離合器2結(jié)合，扭矩需求低時主電機(jī)驅(qū)動車輛行駛

發(fā)動機(jī)不參與工作，離合器2結(jié)合，扭矩需求高時主副電機(jī)共同驅(qū)動車輛行駛

在這個過程中，主電機(jī)(MGB)還要負(fù)責(zé)制動和減速時的能量回收。整個過程中電機(jī)驅(qū)動的工況可以參考下面這張車軸扭矩與速度的關(guān)系圖：

在車內(nèi)的車載中控屏幕上，我們也能看到此刻行駛中的車輛能量的流示圖，區(qū)別在于我們無法看出此刻是屬于單電機(jī)還是雙電機(jī)驅(qū)動。

純電驅(qū)動時的中控屏幕的能量流示圖、儀表處能實(shí)時監(jiān)測純電續(xù)航里程

能量回收

VELITE 5的電量達(dá)到電池最低限值(SOC值20%左右)時的混動工作模式

當(dāng)VELITE 5的電池電量達(dá)到最低限值(這個值并非恒定，而是隨著使用工況在波動)時，此時在電子儀表上顯示的純電續(xù)航為0，整個VOLTEC系統(tǒng)的工作模式實(shí)際和新君越30H一樣都是采用的HEV模式。

在起步階段，在扭矩需求(輪上扭矩低于2000N·m)不超過電機(jī)輸出時，且車速在20km/h之內(nèi)，車輛依然采用純電驅(qū)動，與電池SOC高于20%時的電驅(qū)動不同的是，此時的電流輸出受到限制，最大扭矩輸出要小于雙電機(jī)的最大扭矩輸出，又高于主電機(jī)的最大扭矩輸出。這樣設(shè)計(jì)的好處是可以讓發(fā)動機(jī)規(guī)避低速啟動時候的高負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)，發(fā)動機(jī)保持在最佳工作區(qū)間，規(guī)避高能耗運(yùn)轉(zhuǎn)工況。VOLTEC的工作模式與電池SOC高于20%時的電驅(qū)動一樣。

發(fā)動機(jī)不參與工作，離合器2結(jié)合，扭矩需求低時主電機(jī)驅(qū)動車輛行駛

發(fā)動機(jī)不參與工作，離合器2結(jié)合，扭矩需求高時主副電機(jī)共同驅(qū)動車輛行駛

當(dāng)起步階段扭矩輸出需求高于電機(jī)的最大扭矩輸出時，此時電驅(qū)系統(tǒng)處于一種混聯(lián)的工作模式，通過調(diào)節(jié)負(fù)載讓發(fā)動機(jī)維持在高效率區(qū)間運(yùn)轉(zhuǎn)，同時將多余的能量用來發(fā)電，以及讓電機(jī)來彌補(bǔ)此時扭矩輸出的不足。此時離合器2結(jié)合，發(fā)動機(jī)啟動運(yùn)轉(zhuǎn)，發(fā)動機(jī)動力一部分經(jīng)過1號齒圈傳遞給1號行星座，驅(qū)動車輛，另外一部分動力則由行星齒輪帶動1號太陽輪讓MGA電機(jī)發(fā)電，部分給MGB電機(jī)，或者全部給B電機(jī)，B電機(jī)則同時驅(qū)動車輛。在此工況下的能量回收過程中，MGA還要負(fù)責(zé)平衡發(fā)動機(jī)的負(fù)扭矩，MGB則用來回收能量。

這種工作模式主要可覆蓋兩種扭矩需求工況，一種是車速在0~60km/h之間的高扭矩需求工況，還有一種就是車速在20~40km/h的低扭矩需求工況。此時的能量流示圖如下圖：

高扭矩輸出時的能量流示圖

低扭矩輸出時的能量流示圖

能量回收時的能量流示圖

在車輛處于中高速行駛時，VELITE 5電驅(qū)系統(tǒng)會采用一種固定速比的工作模式，此時發(fā)動機(jī)的能量幾乎完全用于驅(qū)動車輪。這種工況下發(fā)動機(jī)負(fù)載小、能耗低，處于高效率區(qū)間運(yùn)轉(zhuǎn)，因此不需要去進(jìn)行混合驅(qū)動。系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)模式如下：1號太陽輪被1號離合器鎖止不轉(zhuǎn)，發(fā)動機(jī)帶動1號齒圈通過1號行星座以固定的齒比驅(qū)動車輛，而MGB電機(jī)則通過2號行星座向車輪提供動力或者吸收動力發(fā)電(車輛在制動或者減速過程中，MGB電機(jī)成為發(fā)動機(jī)對電池充電)，此時2號齒圈也被鎖止，MGB電機(jī)與車輪之間的轉(zhuǎn)速也是固定齒比。此過程的能量回收依然由MGB執(zhí)行，且MGB還需要參與平衡發(fā)動機(jī)的負(fù)扭矩，MGA完全不參與工作。

這種模式實(shí)際也分兩個情況，一種是低扭矩輸出公工況，車速在40~60km/h之間，一種是高扭矩輸出工況，車速在70~110km/h之間。能量流示圖如下：

發(fā)動機(jī)直驅(qū)

發(fā)動機(jī)直驅(qū)與主電機(jī)參與驅(qū)動

在車輛處于高速巡航時，VELITE 5電驅(qū)系統(tǒng)會采用一種高速增程模式來運(yùn)轉(zhuǎn)。此時離合器1鎖止，離合器2斷開。發(fā)動機(jī)一部分動力從1號行星座直接驅(qū)動車輛，另外一部分動力則通過1號太陽輪傳送到2號齒圈，再傳給2號行星座驅(qū)動車輛，2號行星齒輪還分出部分動力給MGB電機(jī)發(fā)電。而MGB電機(jī)則要么將發(fā)出的電給MGA電機(jī)，MGA電機(jī)驅(qū)動1號太陽輪，要么流出部分電給電池。這個和低速增程模式的區(qū)別主要是改變了發(fā)動機(jī)到車輪的齒比，以保證較高車速下發(fā)動機(jī)處于低負(fù)載的高效區(qū)間。類似于常規(guī)動力的發(fā)動機(jī)與變速箱在高低檔位的工作區(qū)別。能量回收的過程與低速增程模式一樣。

這種模式實(shí)際也分兩個情況，一種是低扭矩輸出公工況，車速在60km/h以上，一種是高扭矩輸出工況，車速在110km/h以上。能量流示圖如下：

高扭矩輸出時的能量流示圖

低扭矩輸出時的能量流示圖

VELITE 5在電池SOC值達(dá)到20%左右時，實(shí)際的驅(qū)動工況也可以參考下面這張車軸扭矩與速度的關(guān)系圖：

從圖中我們可以很直觀的看到在各工況下的扭矩以及速度都有重疊區(qū)間，在這些重疊區(qū)間，VELITE5的這套混動的控制策略完全基于發(fā)動機(jī)的負(fù)載來調(diào)節(jié)，盡可能讓發(fā)動機(jī)處于更高效率的區(qū)間運(yùn)轉(zhuǎn)，這也是這套系統(tǒng)的精髓所在。

VELITE5在行駛過程中的電量也可以用下圖來進(jìn)行一個說明。電池的電量在達(dá)到SOC值最低要求時，就會進(jìn)行HEV模式，電量會在最低值附近浮動。這里需要說明一點(diǎn)就是為什么電池的電量不是完全消耗完再進(jìn)行HEV模式，筆者的推測是通用的工程師一方面是為了防止電池的過放電對電池的傷害，一方面讓電機(jī)隨時參與驅(qū)動去調(diào)節(jié)發(fā)動機(jī)的負(fù)載，補(bǔ)充扭矩，讓發(fā)動機(jī)盡可能維持高效率區(qū)間運(yùn)轉(zhuǎn)，這也是為什么SOC的最低值是浮動的原因。

VELITE5這套精細(xì)的能耗管理策略，以及先進(jìn)的混動系統(tǒng)構(gòu)型，讓它可以輕松滿足未來十年內(nèi)的全球各地區(qū)的能耗以及排放法規(guī)，所以它完全可以被當(dāng)作未來十年混動技術(shù)的路線圖來參考。