解析VELITE 5混動(dòng)技術(shù)

隨著(zhù)汽車(chē)能耗和排放問(wèn)題的日益突出，發(fā)展已經(jīng)成為汽車(chē)行業(yè)的大趨勢，而和已經(jīng)成為新能源汽車(chē)突破的兩大主要方向。但就現階段來(lái)說(shuō)，純電動(dòng)汽車(chē)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(dòng)力汽車(chē)目前更合時(shí)宜，技術(shù)也相對成熟。

混合動(dòng)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，其中包括通用、豐田和本田。通用、豐田等也是少數幾家掌握了PS型(Power Split 功率分流型)這種先進(jìn)混合動(dòng)力構型的廠(chǎng)家，PS型也是目前公認的最優(yōu)解的混動(dòng)構型，而這其中又以通用的Gen2 VOLTEC系統最為出色。在最近剛上市的別克VELITE 5上搭載的就是Gen2 VOLTEC混動(dòng)技術(shù)，從VELITE 5上這套混合動(dòng)力系統實(shí)際駕駛表現來(lái)看，做到了能耗、排放和性能的平衡，所搭載的這套電驅技術(shù)可以當作未來(lái)十年混動(dòng)技術(shù)的路線(xiàn)圖來(lái)參考。

之所以這么說(shuō)，一方面源于VELITE 5先進(jìn)的混動(dòng)技術(shù)構型，另一方面則是它有著(zhù)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)，純電續航里程最長(cháng)(116km)的國內生產(chǎn)的混合動(dòng)力車(chē)型，綜合里程達到了768km。那么VELITE 5為何能如此優(yōu)異的數據領(lǐng)跑全行業(yè)?我們不妨來(lái)對它的動(dòng)力總成工作原理，進(jìn)行一個(gè)深度的解析。

VELITE 5上這套電驅系統來(lái)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(dòng)力部分由1.5L直噴發(fā)動(dòng)機、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，一臺最大扭矩120N·m/功率52kW的副電機組成。電驅系統綜合功率達到110kW，綜合扭矩398N·m，動(dòng)力綜合參數已經(jīng)超過(guò)了主流2.0T發(fā)動(dòng)機的水平，同時(shí)這套混合動(dòng)力總成已連續兩年的沃德十佳。

通用給VELITE 5取名為增程型混合動(dòng)力車(chē)，從實(shí)際工作模式來(lái)說(shuō)，與傳統意義的增程型混動(dòng)并不一樣，因為它的主要驅動(dòng)模式并非發(fā)動(dòng)機與電機為串聯(lián)的增程式工作模式，而是由一套復雜的控制程序來(lái)實(shí)現了多種驅動(dòng)模式。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)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(shí)，依據扭矩需求來(lái)決定是采用單電機還是雙電機驅動(dòng)，與車(chē)速無(wú)關(guān)。在電池電量達到最低限值時(shí)，則采用HEV模式，包括單雙電機驅動(dòng)、混合驅動(dòng)、并聯(lián)驅動(dòng)、發(fā)動(dòng)機直驅多種工作模式，根據車(chē)輛行駛工況去精準控制能耗。

要說(shuō)明白這個(gè)，我們需要借助幾張簡(jiǎn)圖來(lái)進(jìn)行說(shuō)明。

VELITE 5的電量高于電池最低限值(SOC值20%左右)時(shí)的工作模式

VELITE 5的工作模式可以分為兩個(gè)階段來(lái)分解，在電池電量高于最低限值時(shí)，它完全是采用純電驅動(dòng)，扭矩需求大則采用雙電機，扭矩需求小則采用主電機單獨驅動(dòng)，在這個(gè)階段它與純電動(dòng)汽車(chē)沒(méi)有任何區別。以下圖中紅色箭頭均表示能量的流動(dòng)方向。

發(fā)動(dòng)機不參與工作，離合器2結合，扭矩需求低時(shí)主電機驅動(dòng)車(chē)輛行駛

發(fā)動(dòng)機不參與工作，離合器2結合，扭矩需求高時(shí)主副電機共同驅動(dòng)車(chē)輛行駛

在這個(gè)過(guò)程中，主電機(MGB)還要負責制動(dòng)和減速時(shí)的能量回收。整個(gè)過(guò)程中電機驅動(dòng)的工況可以參考下面這張車(chē)軸扭矩與速度的關(guān)系圖：

在車(chē)內的車(chē)載中控屏幕上，我們也能看到此刻行駛中的車(chē)輛能量的流示圖，區別在于我們無(wú)法看出此刻是屬于單電機還是雙電機驅動(dòng)。

純電驅動(dòng)時(shí)的中控屏幕的能量流示圖、儀表處能實(shí)時(shí)監測純電續航里程

能量回收

VELITE 5的電量達到電池最低限值(SOC值20%左右)時(shí)的混動(dòng)工作模式

當VELITE 5的電池電量達到最低限值(這個(gè)值并非恒定，而是隨著(zhù)使用工況在波動(dòng))時(shí)，此時(shí)在電子儀表上顯示的純電續航為0，整個(gè)VOLTEC系統的工作模式實(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(guò)電機輸出時(shí)，且車(chē)速在20km/h之內，車(chē)輛依然采用純電驅動(dòng)，與電池SOC高于20%時(shí)的電驅動(dòng)不同的是，此時(shí)的電流輸出受到限制，最大扭矩輸出要小于雙電機的最大扭矩輸出，又高于主電機的最大扭矩輸出。這樣設計的好處是可以讓發(fā)動(dòng)機規避低速啟動(dòng)時(shí)候的高負荷運轉，發(fā)動(dòng)機保持在最佳工作區間，規避高能耗運轉工況。VOLTEC的工作模式與電池SOC高于20%時(shí)的電驅動(dòng)一樣。

發(fā)動(dòng)機不參與工作，離合器2結合，扭矩需求低時(shí)主電機驅動(dòng)車(chē)輛行駛

發(fā)動(dòng)機不參與工作，離合器2結合，扭矩需求高時(shí)主副電機共同驅動(dòng)車(chē)輛行駛

當起步階段扭矩輸出需求高于電機的最大扭矩輸出時(shí)，此時(shí)電驅系統處于一種混聯(lián)的工作模式，通過(guò)調節負載讓發(fā)動(dòng)機維持在高效率區間運轉，同時(shí)將多余的能量用來(lái)發(fā)電，以及讓電機來(lái)彌補此時(shí)扭矩輸出的不足。此時(shí)離合器2結合，發(fā)動(dòng)機啟動(dòng)運轉，發(fā)動(dòng)機動(dòng)力一部分經(jīng)過(guò)1號齒圈傳遞給1號行星座，驅動(dòng)車(chē)輛，另外一部分動(dòng)力則由行星齒輪帶動(dòng)1號太陽(yáng)輪讓MGA電機發(fā)電，部分給MGB電機，或者全部給B電機，B電機則同時(shí)驅動(dòng)車(chē)輛。在此工況下的能量回收過(guò)程中，MGA還要負責平衡發(fā)動(dòng)機的負扭矩，MGB則用來(lái)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(chē)速在0~60km/h之間的高扭矩需求工況，還有一種就是車(chē)速在20~40km/h的低扭矩需求工況。此時(shí)的能量流示圖如下圖：

高扭矩輸出時(shí)的能量流示圖

低扭矩輸出時(shí)的能量流示圖

能量回收時(shí)的能量流示圖

在車(chē)輛處于中高速行駛時(shí)，VELITE 5電驅系統會(huì )采用一種固定速比的工作模式，此時(shí)發(fā)動(dòng)機的能量幾乎完全用于驅動(dòng)車(chē)輪。這種工況下發(fā)動(dòng)機負載小、能耗低，處于高效率區間運轉，因此不需要去進(jìn)行混合驅動(dòng)。系統運轉模式如下：1號太陽(yáng)輪被1號離合器鎖止不轉，發(fā)動(dòng)機帶動(dòng)1號齒圈通過(guò)1號行星座以固定的齒比驅動(dòng)車(chē)輛，而MGB電機則通過(guò)2號行星座向車(chē)輪提供動(dòng)力或者吸收動(dòng)力發(fā)電(車(chē)輛在制動(dòng)或者減速過(guò)程中，MGB電機成為發(fā)動(dòng)機對電池充電)，此時(shí)2號齒圈也被鎖止，MGB電機與車(chē)輪之間的轉速也是固定齒比。此過(guò)程的能量回收依然由MGB執行，且MGB還需要參與平衡發(fā)動(dòng)機的負扭矩，MGA完全不參與工作。

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

發(fā)動(dòng)機直驅

發(fā)動(dòng)機直驅與主電機參與驅動(dòng)

在車(chē)輛處于高速巡航時(shí)，VELITE 5電驅系統會(huì )采用一種高速增程模式來(lái)運轉。此時(shí)離合器1鎖止，離合器2斷開(kāi)。發(fā)動(dòng)機一部分動(dòng)力從1號行星座直接驅動(dòng)車(chē)輛，另外一部分動(dòng)力則通過(guò)1號太陽(yáng)輪傳送到2號齒圈，再傳給2號行星座驅動(dòng)車(chē)輛，2號行星齒輪還分出部分動(dòng)力給MGB電機發(fā)電。而MGB電機則要么將發(fā)出的電給MGA電機，MGA電機驅動(dòng)1號太陽(yáng)輪，要么流出部分電給電池。這個(gè)和低速增程模式的區別主要是改變了發(fā)動(dòng)機到車(chē)輪的齒比，以保證較高車(chē)速下發(fā)動(dòng)機處于低負載的高效區間。類(lèi)似于常規動(dòng)力的發(fā)動(dòng)機與變速箱在高低檔位的工作區別。能量回收的過(guò)程與低速增程模式一樣。

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

高扭矩輸出時(shí)的能量流示圖

低扭矩輸出時(shí)的能量流示圖

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

從圖中我們可以很直觀(guān)的看到在各工況下的扭矩以及速度都有重疊區間，在這些重疊區間，VELITE5的這套混動(dòng)的控制策略完全基于發(fā)動(dòng)機的負載來(lái)調節，盡可能讓發(fā)動(dòng)機處于更高效率的區間運轉，這也是這套系統的精髓所在。

VELITE5在行駛過(guò)程中的電量也可以用下圖來(lái)進(jìn)行一個(gè)說(shuō)明。電池的電量在達到SOC值最低要求時(shí)，就會(huì )進(jìn)行HEV模式，電量會(huì )在最低值附近浮動(dòng)。這里需要說(shuō)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(guò)放電對電池的傷害，一方面讓電機隨時(shí)參與驅動(dòng)去調節發(fā)動(dòng)機的負載，補充扭矩，讓發(fā)動(dòng)機盡可能維持高效率區間運轉，這也是為什么SOC的最低值是浮動(dòng)的原因。

VELITE5這套精細的能耗管理策略，以及先進(jìn)的混動(dòng)系統構型，讓它可以輕松滿(mǎn)足未來(lái)十年內的全球各地區的能耗以及排放法規，所以它完全可以被當作未來(lái)十年混動(dòng)技術(shù)的路線(xiàn)圖來(lái)參考。