5项技术攻坚一篇看懂长安UNI-K iDD的混动系统

根据国家《节能与新能源技术路线年混合动力乘用车占传统车销量的50%以上,使得近几年的汽车行业风云巨变,沉寂多年的混动技术如雨后春笋般的涌现,『到底哪种混动技术好』的话题时常出现在专业或非专业的聊天群中。今天《混动百科》开一个番外篇,通过「长安UNI-K iDD」所搭载的「长安蓝鲸iDD混动系统」(后简称「蓝鲸iDD」)来聊聊「P2混动系统」的一些特色。

在以上三种分类中,第三种分类『按照外接充电能力划分』比较好理解,一句话:能不能外接电源来充电。而『按动力系统结构形式划分』则需要通过另一张表来解释(详见《混动百科》汇总篇3):

当然,无论是「串联式」、「并联式」还是「混联式」都会有「电机」,所以,为了方便大家研究混动技术,必须给每个「电机」一个『昵称』,通常我们通过「电机」所在位置的不同给这些「电机」命名,比如『位置1号电机』,也就是『Position 1电机』,简称「P1电机」(如下图)。

不同的位置的电机便会有不同的特点,我们通过上面的表格会有一个比较快速的了解,如果你还嫌字多,我也总结了三句不怎么严谨但很简短口诀:

「P3电机」和「P4电机」:直驱「车轮」的打工人,『干饭』(用电)小能手。

而想要了解「Px电机架构」的朋友可以关注本专栏的万字汇总篇2,这里就不展开了。

而目前市面上热门的几大混动系统,基本都可以用上面的两张表格进行更细化的分类(暂单指前桥,不考虑后桥的P4电机):

1. 串联式:日产e-Power 增程器(发动机+P1电机)+P3电机;理想 增程器(P1电机+发动机)+P3电机;岚图 增程器(发动机+P1电机)+P3电机等

以上大部分的混动系统我都展开过构型和原理上的介绍和分析,不过,今天我们换一个角度,我们从混动系统最根本的特性上去理解。

其实无论是串联式、并联式还是混联式,他们的构型特点决定了混动系统的『基因』。

我们以混联式中的串并联式混动系统为例,无论是「本田i-MMD」(P13)还是「比亚迪DM-i」(P13),他们的基本逻辑都是在发动机效率不高的速域中,使用「电机」作为驱动的主角,而在高速巡航的工况下,「发动机」可以保持在高效工作区间工作,那当仁不让地让「发动机」作为主角。这类混动系统从结构到控制逻辑都是源自省油的目的,也围绕着省油不断优化。

但是一个硬币有两个面,另这些自带『省油』基因的混动系统头疼的,也就是他们长期以来一直想要解决的问题便是——性能。所以,我们看到包括长城、吉利、奇瑞等厂商,在这两年发布的混动系统都是多挡位的DHT,为的就是解决「本田i-MMD」和「比亚迪DM-i」这类单挡混动变速器在20-60km/h以及80km/h以上的急加速动力跟不上的问题。于是「长城柠檬DHT」在DHT中整合了一个2挡的AMT,使得「发动机」能在40km/h就并联介入,而「吉利雷神智擎HiX」的「DHT Pro」实际上整合了一个3挡的AT,使得「发动机」介入的时机进一步提前(20km/h)。可以看出,多挡位的串并联结构优化,为的都是将「发动机」早点带入驱动系统,提升全速域的性能。

而欧美国家,尤其是德国,更趋向于「P2混动系统」,比如我们此前介绍过的「奥迪A3 Sportback e-tron」(如下图),其将一颗峰值功率75kW(峰值扭矩330Nm)的「P2电机」套在了6DCT的「输入轴」上,而「发动机」则是通过单独的「离合器」接入动力总成。除此之外,宝马也有『P2电机+8AT』的混动架构,奔驰也在其PHEV车型上同样使用过『P2电机+DCT/AT』的混动架构。

其实,大家从德国拥有『不限速公路』的国情,就可以猜出了「P2混动系统」最大的特点——让动力总成能长期、稳定地保持车辆进行高速(或许说是『急速』、『极限』)行驶。

而『性能』这一基因又源自「P2混动系统」的基础构型和原理:「发动机」可随时介入直驱,并可以和燃油车一样,在急加速时,轻松地进行降档的操作,保证全程持续强劲的动力输出。此外,「发动机」与多挡「变速器」组成的动力组合,使得整套混动系统受「电机」、「电池」性能衰减的影响更小,保证高低温多场景下的动力稳定性。

当然,如「蓝鲸iDD」将「P2电机」深度融合的混动系统,在实现了低速场景的纯电驱动,弥补燃油车油耗方面劣势的同时。还吃了一波「电机」响应快的红利,弥补「发动机」低速响应慢的弱势,获得比传统燃油⻋更快、更流畅的动力体验。

但「P2混动系统」在技术方面存同样也是有难点的,比如在此前章节中提到的:

1. 体积问题:如果简单地在传统燃油车动力总成上加电机,那么体积就会很大,布局就成了难点;

2. 控制问题:如果油电的控制逻辑不好,就会造成『有电一条龙,没电毛毛虫』的尴尬混动体验,同时也不能很好地控制油耗等。

当然,还有更多的细节难点,而为了解决种种难点,就对主机厂提出了两个能力上的要求:

1. 主机厂必须要拥有自主开发变速器的能力,这样才能进行从硬件设计到生产,直至标定的全部正向研发;

2. 主机厂必须拥有很强的集成能力,不能简单将电机与变速器进行直接叠加,因为这样会导致整个系统尺寸长,平台化应用难,系统效率不也不会太高。

我们会发现目前混动系统呈多元化发展的趋势,不同混动技术路线各有设计起点,而需要解决的问题也各有不同,所以,没有最好的技术路线和产品,比如长安选择了一条最适合自身优势和车型的技术路线,但也是一条更有挑战坎坷的道路。接下来我们就来看看长安的工程师是如何攻坚这些难点的。

长安应该是国内对「P2混动系统」最坚持的主机厂,而「蓝鲸iDD」是长安推出的第二代集成式的「P2混动系统」,iDD 是『intelligent Dual Drive』(智能油电双驱)的简称,而这一套混动系统的核心内涵便是「混动专用发动机」、「电驱变速器」、「PHEV 电池」以及「智慧控制系统」四大模块。

既然是『二代目』,那就说明今天的技术并非一蹴而就,其实在2013年长安就开始研发第一代分离式的「P2混动系统」,并于2017年正式推出,但意识到若不解决最重要的平台化问题,实现该技术的大规模应用是不太现实的。此后经过多年的潜心研究,才有了「蓝鲸iDD」。那么这些年长安中到底攻坚了哪些技术难题呢?

正如我前面提到的,「P2混动系统」要解决的难题之一是体积,看似是一个单点的难题,实则却是集成度提升的系统型问题。就像你想要减肥,然后你要考虑是靠吃轻断食,还是依靠运动、调理作息时间,抑或开启视频软件中的美颜减肥效果……

传统「P2混动系统」通常是在原有的燃油动力总成上进行简单的动力源叠加,「P2电机」就好像是一个加速外挂。然而,混动系统永远不是『1+1=2』的加法,如果系统优化地不好,最终的使用效果必将适得其反。

而「蓝鲸iDD」的「电驱变速器」通过「三离合器集成技术」,将用于控制「发动机」介入的「离合器」(K0)与传统的「双离合器」(K1、K2)进行集成,「三离合器」被集成在「电机」的「转子」内部,「转子」的内壁支架为整个「离合器」提供支撑,集成式的「离合器」(K0)不仅实现了模块化,同时采用高效低拖曳摩擦片槽型,降低能耗损失,「双离合器」(K1、K2)更是在有限的空间内类比同类产品具有更高的扭矩容量。

最终使得「电驱变速器」的轴向尺寸控制在了415mm左右,保证了「蓝鲸iDD」可以实现从A级~C级车的平台化搭载。集成度高,附件减少了,系统整体重量降低的同时也有利于系统效率的提高,很大程度降低整车的能量损失。

我们知道在「丰田THS」(第一代)的年代,受限于「电机」技术,其「电机」峰值功率小的可怜,以P111为例(第一代小改的E-CVT),其2个「电机」的功率仅为16kW(发电为主)和33kW(驱动为主),而时代发展到今天,我们可以在「蓝鲸iDD」的「电驱变速器」中看到了大幅的进化:

「P2 电机」采用「S-Winding绕组技术」,相对于目前常见的「Hair-Pin工艺」,「S-Winding绕组技术」无需焊接,装配环节简单,工艺更稳健。在性能要求相同的边界下,绕组端部轴向长度缩短15%,结构更加紧凑,产品集成度高,其中功率密度达到 10kW/kg。该项技术曾获得过国际PACE大奖,技术先进性是可想而知的。

「蓝鲸 iDD」选用的是「油水复合冷却技术」,相比传统的单一冷却方式,按需冷却,保证整体的冷却效率更高。其中「油水复合冷却技术」应用过程中,由水来冷却「定子」的部分,由油来冷却「转子」部分,另外一部分转动的油飞溅起来也可以进一步冷却「定子」,以达到最好的冷却效果。对于「电机」的性能而言,冷却效果好,「电机」的功率则越大,效率也越高。动力性方面,「电机」峰值扭矩实现330Nm,在高电压平台下,峰值功率达到 85kW(长安UNI-K iDD),匹配多档的「电驱变速器」,纯电模式下可以迸发出充足的动力。

为保证「电机」的高效工作,功率变换与传输模块至关重要,而 「IGBT模块」则是「功率模块」中的核心器件。「IGBT模块」因开关损耗、导通损耗等会产生大量的热,随着「电机」向大功率、小型化发展,散热成为一项非常关键的技术。

传统的「功率模块」采用单面冷却结构,将底板固定在冷却器表面,「功率芯片」损耗产生的热量通过绝缘基板、底板单方向传导至散热器。和单面结构散热结构相比,双面冷却结构在「功率芯片」的两侧均焊接有绝缘导热基板,「功率端子」全部与绝缘导热基板相连,绝缘导热基板的外侧安装有散热器。故此,散热的效率更高,提高了电机系统的性能,延长了整套系统的寿命。

先来了解一下「蓝鲸iDD」的几种基础工作模式:纯电模式、混动模式、发动机直驱模式、动能回收模式和充电模式。

纯电模式:「发动机」不参与工作,「电池」带动「P2电机」,纯电驱动,适用于城市路况;

混动模式:遇到急加速时,「发动机」输出拉满,「P2电机」作为「动力增强器」提供更多的功率,最终将汇总的动力最终输出至「车轮」。

发动机直驱模式:控制「发动机」介入的「离合器」(K0)耦合,此时可以将整车看做一辆传统的燃油汽车。

1)驱动充电:由于「P2电机」直接套在「输入轴」上,故此,当「发动机」在驱动时,带动「P2电机」,从而为「电池」补能;

2)怠速充电:车辆停止时,「发动机」继续运转,带动「P2电机」,从而为「电池」充电。

以上基础的工作模式可以说是新一代混动系统的基操,而一套好的「控制系统」则决定了最终的驾驶体验。若具象到「P2混动系统」上,我认为这一步就是在解决『有电一条龙,没电毛毛虫』的痛点。

「蓝鲸 iDD」所采用的「iDD智慧控制系统」主要包含三大核心技术:「智能动态能量管理算法」、「全路况智慧能量管理系统」和「全动力域全生命周期OTA」。

首先,我们知道算法的作用决定了「发动机」与「电机」的扭矩分配策略,即用户在驾驶过程中,「发动机」和「电机」分别该出多少力。就像解数学题,虽然很多方法都能算出答案,但哪个算得快、算得准却是有天壤之别的。

所以,「iDD智慧控制系统」所采用的「智能动态能量管理算法」为自适应等效燃油消耗最小算法(A- ECMS),目前长安是首个在国内实现量产应用。该算法基于系统能耗最优的角度,「智能动态能量管理算法」还会配合「全路况智慧能量管理系统」,做到了根据实时的整车运行工况、零部件参数和外部环境变量,动态调整发动机和电机的扭矩大小,实现最优能耗控制。

在实际驾驶中,「iDD智慧控制系统」会根据实时的交通流信息优化电量管理策略,在开启导航的情况下,通过识别前方道路的拥堵情况,在畅通路段适当启动「发动机」充电提高电量,保证拥堵路段下的纯电行驶,避免在低车速下「发动机」频繁起停,达到能耗降低和驾驶舒适性提升的双重效果。

控制系统是大脑,脑子好使还不够,最终还是要靠执行力,「电驱变速器」的效率成为关键。

我们知道液压系统在「电驱变速器」中充当换挡、冷却、润滑等功能,根据功能的需求,将液压系统分为高、低压两个区域,其中高压区主要控制换挡动作。蓝鲸三离合电驱变速器采用的「高压液压系统」,最大压力达到60bar,因此相比于一般的液压系统,压力控制范围更大,从而保证了更高精度的液压控制,进一步提升电驱变速器的换挡响应和换挡平顺性,保证用户拥有极致的换挡体验。

而「电子油泵」作为「高压液压系统」的动力源,相比于传统的机械泵,通过电机对油泵进行独立控制。传统机械泵是通过皮带传动将发动机的力传递给油泵从而实现工作,它的工作无法与发动机解耦,泵多少油,什么时候泵都受限于发动机。「电子油泵」则采用单独电机进行工作,完全可以根据需求适时调节油泵的工作,想停就停,想泵多少就泵多少,毫不浪费。因此,「电子油泵」相比传统油泵,同在 WLTC 工况下工作,电子油泵能耗可降低 80%以上,对应的油耗可降低约 1L/100km。

从产品端看,「长安UNI-K iDD」搭载容量为30.7kWh的「电池」,NEDC纯电续航里程130km。此外,「蓝鲸iDD」为大容量电池配备了交直流双快充,并支持家用220V的充电功能,在三种充电方式的支持下,基本可覆盖用户95%以上的充电场景。其中交流充电功率更是达到6.6kW,相比当前常见的3.3kW的交流充电方式,充电时间起码缩短1/2。

不仅如此,「蓝鲸iDD」也支持对外放电的功能,3.3kW的对外放电功率,足以支撑大部分小家用电器的放心使用,犹如随身携带了一个移动充电宝。

在电池安全管理上,「蓝鲸iDD」在电池安全监控方面,开发了全天候不间断电池安全监控系统,这是一项可以24小时不间断监控电池安全的技术,即使在车辆下电后也可实现,无时无刻都在保障电池的安全使用。

之所以我把混动系统最重要的组件——混动专用发动机放在最后写,因为在发动机开发方面,长安拥有丰富的开发经验,长安蓝鲸发动机也一直是声名远播。所以让人比较放心。

「蓝鲸iDD」上所采用的混动专用发动机,也属于长安的「NE发动机平台」,充分继承了『净、劲、静』的优秀基因,成熟应用「敏捷燃烧技术」、「智能润滑等技术」,并在此基础上进一步采用「米勒循环」、电动化前端轮系等混动发动机专用技术,实现350bar 高压直喷高滚流气道+巅峰凸轮型线与高压缩比的升级融合。

「蓝鲸NE发动机」的热效率相比传统发动机提升2~3%的前提下,净功率达到122kW,净扭矩达到255Nm,在「混动专用发动机」中处于领先位置。以搭载「蓝鲸NE 1.5T混动专用发动机」为例,在配合「电驱变速」的前提下,最终做到匮电油耗5L/100km,综合里程1100km(皆为NEDC标准)的效果。

我们通过「蓝鲸iDD」对「P2混动系统」技术难点的攻坚过程,可以看出「蓝鲸iDD」在保留传统动力优秀DNA的同时又注入了电驱动的血液,很好地保证了两者之间的融合,体现了长安在混动技术上的强大实力。那么攻克了这些技术难点的「蓝鲸iDD」又能给消费者带来什么体验上的变化呢?长安的答案是『全域混动』。

我觉得『全域混动』这个答案大致包含了4层含义,用大白话说就是:动力,随叫随到(全速域);省油,随时随地(全场景);远方,说走就走(全温域);使用,更加持久(全时域)。

前文提到「蓝鲸iDD」属于「P2混动系统」,其特点是只要有动力需求,「发动机」随时都可并联介入与「电机」一起参与驱动,相比单挡混动车型在全速域工况下的动力会更强。

1. 在低速工况下,系统会安排330Nm大扭矩的「电机」进行驱动,弥补「发动机」低端扭矩弱的弱点,且「电机」相应速度更快,确保整个起步过程的迅捷;

2. 高速工况下,利用6档「电驱变速器」的优势,与传统燃油车一样实现快速实现动力降档,达到动力的二次爆发,满足高速场景下的急加速需求;

3. 极速工况下,「发动机」与「电机」并联驱动,并结合「电驱变速器」,动力持续输出,保证最高车速可突破200km/h。

得益于「蓝鲸iDD」在「iDD智慧控制系统」与「PHEV电池」两方面的攻坚,在市区通勤的场景下,系统会将模式标定为纯电模式,依靠大容量的「PHEV电池」减少用油量。而在长途出行时,动力需求变化较大,此时系统会结合导航信息,提前对路况进行判断,从而对电能进行管理,在「发动机」高效工作的区间内,适时地为「电池」进行充电,以保证充足的电量来通过未来的拥堵路段已达到节能的效果。所以『市区通勤』和『市郊长途』两大主要场景下都会有不错的油耗表现。

以「长安UNI-K iDD」为例,NEDC标准下纯电续航130km,完全满足日常的纯电通勤需求。而在郊游旅行场景下,NEDC匮电油耗低至5L/100km,综合续航里程 1100km,解决长途旅行带来的油耗和续航烦恼。另外,「长安UNI-K iDD」全系标配交直流双快充,并支持220V家用充电的功能,完全可满足全场景下的充电需求,充电更便捷。

我们常会看到北方车主对纯电汽车在极寒天气中用车的抱怨,最近在北美更是报出了某日系纯电汽车在低温下无法充电的问题,而这些不良的使用体验多源于「电池」。

「蓝鲸iDD」拥有电池预约加热和电池自动保温技术。系统会根据外部环境温度与电池温度的反馈,自动识别唤醒车辆进行电池的定时加热,避免用车时刻的电池温度处于极低状态,保证了在全温域均具有极强适应性。

此外,因为保留了传统动力的基因,所以在面对高温、低温等极端场景时,即使电池和电机性能出现衰减,发动机也能直接驱动车辆,保证在极限场景下的稳定输出,适应性更强。这使得「蓝鲸iDD」可适应-35C至55C的环境温度区间。远方,可不是说走就走?

「蓝鲸iDD」的所有动力控制器均已具备OTA功能,这也是目前大部分新混动系统的特点,随着「蓝鲸iDD」使用者数量增加,必然会有更多个性化的建议,而这些合理化的反馈往往能提升用车的体验,通过OTA使得整套「蓝鲸iDD」动力体验不断提升,可谓是『常用常新』,同时还减少用户前往门店升级车机系统的时间成本。

即是,让有形的技术转化成畅快的驾驶体验,而不断提升的驾驶体验,终究是源于强大的技术背书。

所以,混动技术路线的选择,没有是非对错,有的只是更合适当下市场,更适合企业发展的路线。长安选择啃下了行业内公认比较复杂的「P2混动系统」,使得「蓝鲸iDD」为新一代混动技术中的重要一员。更关键的是,「蓝鲸iDD」为消费者带来了『全域混动』智能混动体验,将技术融入体验,彻底消除前几代混动系统带给消费者的不良印象,最终让消费者『无感』地畅快驾驶。这或许正是一种『有形化无形,无形终有形』的表现。

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