混动电机和电控理论 想搞明白其实很简单

大家知道世界上第一辆混动汽车是谁发明的吗？相信很多人会回答丰田的Prius。其实笔者一开始也这么认为，但自从在德国保时捷公司实习并参观了保时捷博物馆之后，笔者才知道，世界上第一辆混动汽车早在1900年就由保时捷公司的创始人斐迪南‧保时捷发明了，叫罗纳‧保时捷（Lohner Porsche）。

罗纳‧保时捷是一辆由汽油发动机和两个轮毂电机共同驱动的所谓的混动汽车。因此，早在19世纪人们就已经对混动以及电动汽车有了初步的概念。

罗纳‧保时捷（Lohner Porsche）

混动汽车

想了解混动汽车的电机和电控技术，首先我们要聊聊什么是混动汽车。

混动汽车，顾名思义就是不以单一能源类型作为动力的汽车。确切的说，混合动力汽车是具有至少两个不同的能量转换器（例如电机和汽油机）和两个不同的能量储存系统（例如锂电池组和油箱）的汽车。

混动汽车按照混合程度可以分为弱混合动力，轻度混合动力（轻混），强混合动力和插电式混动。下表是我整理的不同程度的混动汽车的功能。

弱混虽然在降低油耗和改善排放能力方面有限，但是其对传统内燃机汽车的改造成本最低。弱混汽车依然是以12V的电源电压来来驱动6千瓦功率的电机，并不能实现纯电驾驶，其电动机提供的电压主要用于启动发动机。另外，弱混汽车可以通过额外的电机来进行动能回收。

弱混汽车可以节约大约3% - 6%的燃油，其作为改造成本最低的混动汽车，被广大汽车厂商广泛应用，也成为很多汽车公司宣传的噱头，比如国内刚刚上市的2019款奥迪A6,就是全系至少配备12V弱混系统的汽车。当然，作为混动里面最亲民的混动类型，相信每一个品牌的最新车型都要至少配备弱混系统。

当电动机在42至144V电源电压下提供的功率在6 - 20千瓦之间时，就可以称为轻混汽车。区别于微混汽车，轻混汽车除了自动启停和动能回收外，电机还可以在汽车启动和加速期间辅助内燃机，并且可以为汽车的其他用电设备供电，比如空调。然而由于受限于电机的功率，轻混汽车还是不能实现纯电驾驶。

轻混汽车可以实现10%-20%的燃油经济性，正是由于他较高的燃油经济性以及不算高的改造成本，现在越来越受到各大汽车厂商的青睐，比如目前很火的48V轻混和即将在美国推出的90V轻混。笔者作为一名德系汽车的忠实粉丝，向大家极力推荐全新的奥迪A6和奔驰S级的48V轻混系统汽车，他们的驾驶平顺性以及燃油经济性绝对是物超所值的。

当混动汽车的电机的功率达到40千瓦以上并且电源电压在250V时，就要被称为强混了。强混汽车的电机不仅可以保证并且配合内燃机的扭矩输出，还可以实现纯电驾驶。而插电式混合又在强混的基础上实现了从电网来给汽车的电池充电。其燃油经济性可以高达30%-40%。

按照混动汽车的结构来分，分为串联式，并联式和混联式。在此我就用并联式结构的混动汽车来解释一下混动汽车的五种行驶状态，分别是传统行驶，也就是只有内燃机在提供动力，纯电行驶，提速状态，动能回收以及充电行驶。

丰田Prius

强混和插电式混合汽车的代表肯定非丰田Prius莫属了，作为混动汽车市场化的鼻祖，丰田公司也是在混动汽车上下了不少功夫。也正是由于丰田公司对研发混动技术的不懈努力，才催生了其他汽车公司生产不同的强混车型，比如保时捷第二代卡宴（第三代卡宴貌似取消了混动车型）以及笔者在挪威旅行时驾驶的奔驰C350e（下一个小山刹车所回收的动能就能纯电驾驶5km,还是非常给力的）等车型。

下图即简易的并联式混动汽车的结构图：

下图是并联混动汽车的传统行驶模式，即仅有内燃机提供动力，蓝色箭头代表传统能源的能量传输方向：

下图是并联混动汽车的纯电行驶模式，仅电机提供动力，红色箭头代表电能的能量传输方向：

当电机辅助内燃机一起提供动力时，也就是俗称的boosten：

混动汽车另外一个重要的特性就是可以进行动能回收，也就是说，当混动汽车制动减速时，不再仅仅依赖于刹车片，而还会通过电机反转来进行制动并且给电池充电：

当混动汽车正常行驶并且不需要很高扭矩时，这时内燃机会保证自己的一个最优的工作点，但是只有一部分扭矩输出，另一部分能量则给电池充电了：

混动汽车的电机

为了区别于其他博主对混动汽车电机的介绍，本文将从另一个角度来介绍一下混动汽车的电机。

电机作为混动汽车最重要的组成部分一般使用永磁同步电机。根据混动等级的不同，所需电机的功能也就不同，因此混动汽车的电机又可以分为变速箱一体化电机（GEM: Gearbox integrated E-machine）和牵引电机（TEM: Traction E-machine）两种。变速箱一体化电机（GEM）可以支持内燃机，主要作为混动汽车低速行驶时的主驱动器；而牵引电机（TEM）则可以独自提供完整的驱动性能。

变速箱一体化电机普遍纯在于没有纯电行驶的混动汽车中，用于支持内燃机，或者存在于有纯电行驶功能但是只能支持低速和低续航里程的混动汽车。换句话说，这种电机提供的扭矩比较小，不足以独自支持整个纯电行驶所需的扭矩。

这种电机通常通过一种特殊的离合器或者直接与内燃机连接（通常是轻混汽车），或者通过一个可以分配功率的变速箱与内燃机连接（通常是强混汽车）。这种电机的扭矩特性必须满足内燃机的要求，换句话说，他必须在7000转以内可以持续稳定的进行扭矩输出。笔者对此种电机接触不多，因此只能举一个德国格特拉克（Getrag）公司生产的变速箱一体化电机6HMT215作为例子。

相反的，牵引电机就像他的名字一样，主要设计用于在内燃机没有启动的情况下独立提供扭矩或牵引力。他主要用于强混，插电式混合，或者纯电汽车。就像传统的永磁同步电机一样，牵引电机的输出扭矩在一定范围内是恒定的，但是当汽车的速度或者说电机的转速超过一定的范围，这时由于电机的弱磁作用，电机输出的扭矩会以1/n的速度降低。因为牵引电机可以独自驱动汽车行驶，所以牵引电机的功率要显著高于GEM，通常在50-150 kW之间。

德国格特拉克公司（现为Magna Group旗下）作为一个重要的混动汽车电机的生产商，研发了好几款用于强混或者纯电汽车的牵引电机，分别为HIGHLY INTEGRATED eDRIVE low,mid,high。

混动汽车的电控系统

传统汽车的电控系统主要由ECU（Engine control unit）组成。混动汽车与传统汽车电控系统的最大的区别就是，混动汽车电控多了HCU（Hybrid control unit）这个部件。

HCU作为混动汽车的大脑，是混动汽车的最核心部件。HCU可以根据驾驶员的操作，比如踩油门或者刹车踏板、变换挡位或者驾驶模式变更等输入信号，来计算出如发动机输出功率，电机和发电机扭矩等输入信号。而且，随着HCU的不断发展，越来越多原来用ECU进行处理的信号将直接由HCU进行处理。因此，HCU的设计将直接影响混动汽车的动力性能，燃油经济性，可靠性等性能。所以，HCU必须满足以下要求：

HCU采用模块化设计，为了满足上述要求，HCU分为几个功能模块。每个功能模块都有自己的功能：

电源模块用于将12V / 24V电池电压转换为5V，并为控制器内部电路提供稳定的电源。数字输入模块和A / D转换模块用于识别驾驶意图。CAN总线模块用于与混合动力车辆的其他控制单元（ECU，PCU，BCU等）通信。驱动器模块用于控制混合动力车辆的致动器。MCU模块用于为车辆控制策略程序提供平台，并连接其他模块以形成控制器。

在各国政府陆续出台更严格的汽车尾气排放标准，电动汽车的电池技术和续航里程还有待进一步发展的大背景下，混动汽车无疑为我们提供了最好的解决方案，而48V轻混汽车作为性价比最高的混动车型，也将挑起混动汽车的大梁。

而笔者认为，混动汽车的发展重心将落在HCU的研发上，更优化的算法以及如何精确快速的执行HCU的各种指令将成为重中之重。

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