比亚迪新能源汽车DM 系统解析

许昌市魏都区科学技术局 张占杰

纵观比亚迪新能源汽车，主要有2类，一类是采用比亚迪DM（即Dual Mode，是比亚迪双模插电式混合动力技术的简称）系统的比亚迪DM系列插电式混动汽车，譬如比亚迪唐DM、宋Pro DM、宋MAX DM、秦Pro DM、秦DM等车；另一类是采用比亚迪e平台的比亚迪EV系列纯电动汽车，譬如比亚迪元EV、唐EV、秦EV、宋EV、秦Pro EV、宋Pro EV、宋MAX EV、比亚迪e1等车。本文主要介绍比亚迪新能源汽车的DM系统。

1 比亚迪DM系统概述

比亚迪DM系统将汽油发动机和电机有机结合，融合为一体，配合动力电池，形成由电机和电机配合发动机向车辆输出动力的“双擎双模”驱动，所谓“双擎”，就是2个驱动系统——发动机+电机；所谓“双模”，就是2种行驶模式——纯电（EV）行驶模式+油电混合（HEV）行驶模式，车辆短途行驶使用纯电（EV）行驶模式（电机单独工作），长途行驶使用油电混合（HEV）行驶模式（发动机和电机一起工作），从而提供了不同行驶需求下最经济实用的动力输出，不仅降低了油耗及排放，更极大地提高了车辆的动力和操控性能，实现了既可充电，又可加油的多种能源补充方式，实现了真正意义上的双动力混合系统。

到目前为止，比亚迪DM技术共推出了3代。比亚迪第1代DM系统（以下简称DM1系统）诞生于2008年，用于比亚迪F3 DM车上；2013年比亚迪推出第2代DM系统（以下简称DM2系统），2013年和2014年的比亚迪秦、唐插电式混合动力车型及2017年的宋DM车型采用的都是DM2系统；2018年比亚迪推出了第3代DM系统（以下简称DM3系统），2018年的比亚迪秦Pro、唐DM及2019年的宋Pro DM等新能源汽车都采用了DM3系统。

2 DM1系统及其工作模式

比亚迪的DM1系统是2008年推出的。当时，比亚迪进入汽车市场才6个年头，我国针对新能源汽车的补贴还未全面开始。当时，混合动力汽车领域的全球旗帜性产品只有丰田普锐斯混合动力汽车。作为一个从做电池发展起来的新兴汽车品牌——比亚迪，要实现“弯道超车”，必须结合自身优势杀出一条血路，显然最直接的方式就是下注混合动力技术，因为比亚迪从1995年就开始做电池了，这是其他汽车企业所不具备的优势。比亚迪既然要做混动技术，那就免不了要向行业内领先的日系汽车品牌学习，因此比亚迪DM1系统的开发思路非常接近日系汽车混合动力技术的思路，其核心导向是在有限成本下实现明显的节油效果。那么，双电机架构便是绕不开的，因为只有采用双电机架构，才能发挥出电机的合适转速及高效率，当时比亚迪将DM技术成果锁定在0 km/h～100 km/h加速时间为10.5 s以内，综合油耗为2.7 L/100 km。但当时丰田THS（Toyota Hybrid System，丰田混合动力系统）动力分流系统的设计门槛实在太高，且还有专利保护，为此，比亚迪的做法是在CVT变速器内安置了2个电机，实现了双电机的串并联结构（图1），其思路非常接近本田的i-MMD（Intelligent Multi Mode Drive，智能化多模式驱动）结构，其节油效果并不输于丰田的混动技术，且要比丰田的混动技术更易发挥动力性能，但其致命的弱点是要比丰田THS成本高出很多，难以实现盈利。比亚迪将其DM1系统应用在了比亚迪F3 DM车上，由1台1.0 L汽油发动机（50 kW）和2台电机组成，电机1（M1）的额定功率为25 kW，电机2（M2）的额定功率为50 kW，M2为主电机，M1在需要时可当发电机使用。以比亚迪F3 DM车为例，DM1系统的工作模式如下。

（1）纯电动工作模式（EV模式）。如图2所示，在纯电动工作模式下，动力电池提供电能，由电机2驱动车辆行驶。一般情况下，在动力电池电量充足时，只有电机运作。

图1 DM1系统的双电机串并联架构

（2）混合动力工作模式（HEV模式）。DM1系统的混合动力工作模式有3种。

1）混合动力工作模式A（图3）。发动机工作在最佳状态，直接驱动车辆，电机1随发动机转动，产生电量，为动力电池充电。

2）混合动力工作模式B（图4）。在需要较高动力输出的模式下，发动机和电机2一起驱动车辆，提供更高的输出功率。

3）混合动力工作模式C（图5）。在动力电池电量比较低，且整车需要的动力输出也比较低的状态下，发动机带动电机1发电，电机2利用电机1发的电驱动车辆，多余的电能存储到动力电池内。

（3）能量回收模式。制动时，M1变成发电机对动力电池进行充电。

图2 DM1系统的纯电动工作模式

图3 DM1系统的混合动力工作模式A

图4 DM1系统的混合动力工作模式B

图5 DM1系统的混合动力工作模式C

当时，由于我国对混合动力车的政策导向一直是以车辆的纯电续航里程做考量的，因此，比亚迪DM1系统并没有采用日系混合动力车的小动力电池思路（丰田混合动力汽车往往只设计成不到2度电），而是设计安装了1块将近15度电的磷酸铁锂电池。虽然比大家现在熟知的三元锂电池更划算、更安全，但其能量密度有限，动力电池要占用相当大的体积和重量，这为设计一台车带来很大难度，即便如此，这样一套混合动力系统在成本上的代价还是非常大的，当年比亚迪F3 DM混动版车要比燃油车贵8万多元（人民币），这对普通消费者而言，无疑是一大障碍，因此比亚迪F3 DM混动版车最早是向政府和银行等事业单位投放的。比亚迪DM1系统的商业价值不足，导致其没有实现大面积的量产和投放，但这对比亚迪来说，依然是非常重要的技术财富，因为，这毕竟使得比亚迪全面进入了混动技术这片新领域。

2 DM2系统及其工作模式

2013年，比亚迪推出了DM2系统。当比亚迪进行DM2系统研发时，提出了2个非常清晰的思路：第一是要继续遵从本土市场的政策，做有经济价值的技术方案（当时，便于办理牌照就是经济价值）；第二是要抓住消费群体的敏感点，从车辆性能上突破人们对比亚迪的汽车品牌认知。假如比亚迪继续效仿丰田或本田汽车公司，永远无法实现突破，为了另辟蹊径，实现混动技术在某一方面的大幅超越，比亚迪在开发DM2系统时，在DM1系统的基础上，整合比亚迪当时的先进技术——涡轮增压（Ti）发动机、双离合变速器（DCT）、高转速电机、电机控制器集成、分布式电源管理 、动力电池等，在发动机、电机、电控、电池、电源管理等关键技术上都有了质的飞跃。DM2系统采用高电压（将系统的电压由原先的330 V提升到500 V）+高转速电机（110 kW）+高密度、高电容比最新动力电池单元（绿混铁锂电池，所谓绿混技术，简单地说就是将传统的12 V铅酸蓄电池与动力电池合二为一，将铅酸蓄电池更换为比亚迪的铁锂电池，将原有的12 V车载电压提升为48 V。这块绿混铁锂电池重20 kg，电压为48 V，电量为600 W·h，由于铁锂电池具有环保、无铅、高效的特点，再加安全的结构设计与管理系统，使得这款铁锂电池具有体积小、安全性高、寿命长的特点）+1.5TID涡轮增压发动机的组合，大大提升了DM2系统的效能。另外，比亚迪还将原来的集成式动力电池管理系统（PBMS）改为分布式动力电池管理系统（DBMS），从而进一步提升了动力电池的能量管理效率，且达到了轻量化的设计要求，再加上比亚迪对电控系统各主要零部件也进行了优化设计，从而使车辆的效率得以提升，能耗得以降低。相对DM1技术，搭载DM2技术的新能源车型具备了更强的动力性和更优的经济性。

比亚迪DM2系统有两驱和四驱两种典型结构，对于两驱车型，DM2系统采用P3电机的并联混动架构，对于四驱车型，DM2系统采用以P3电机为核心的基于多速DCT的P3+P4并联混动架构。比亚迪DM2系统是一种油电转换效率一般，但动力输出更直接的混合动力系统方案。该方案配合原先的大电池设定，既符合我国对于新能源汽车的定义和要求（50 km以上的纯电续航），又可很好地将发动机和电机性能叠加起来，实现全额的动力输出。要知道，在DM1技术中，虽然发动机和2个电机的最大功率之和是125 kW，但实际上一起输出时只能实现80 kW的总和。而在DM2系统上，比亚迪秦新能源汽车的总功率能达到217 kW。

2.1 两驱车型DM2系统的的工作模式

以比亚迪秦DM2双模混动车型为例，比亚迪两驱车型DM2系统的组成如图6所示，搭载1.5Ti涡轮增压+缸内直喷发动机+6速DCT，转速在5 200 r/min时达到最高功率113 kW，转速在1 750 r/min～3 500 r/min时最大转矩达240 N·m；搭载比亚迪全新研发的高转速、大功率交流永磁同步驱动电机（图7），电机的最高转速可达12 000 r/min，最大功率达110 kW，在0 r/min～5 200 r/min能输出最大转矩为250 N·m；在HEV模式下，发动机和电机共同工作，能在1 750 r/min～3 500 r/min爆发出479 N·m的最大转矩，百千米加速时间仅为5.9 s，最高车速超过185 km/h。比亚迪秦DM2系统的工作模式如下。

（1）纯电动工作模式（EV模式）。与DM1系统相同，EV工作模式下，动力电池提供电能，供电机参与驱动车辆（图8），可以满足各种工况行驶，如起步、倒车、怠速、急加速、匀速行驶等，适用于短途行驶，零油耗，经济性最佳。EV模式下车辆可以续航70 km，超过70 km后会自动切换至HEV模式。

（2）稳定发电模式。当电量不足时，系统从EV模式自动切换到HEV模式，如图9所示，使用发动机驱动，在车辆以稳定的速度行驶时，发动机输出的一部分转矩会驱动电机进行发电，对动力电池进行充电。

图6 比亚迪秦DM2的系统组成

图7 秦DM2双模混动车型驱动电机

（3）混动模式（HEV模式）。当用户从EV模式切换到HEV模式后，车辆由发动机和电机共同驱动（图10），实现了最佳的动力性，但仍能保证混合动力系统具有良好的经济性。

（4）燃油驱动模式。当电量不足或高压系统有故障时，可单独使用发动机驱动（图11），实现了高压系统的独立性。

（5）能量回馈工作模式。与DM1系统一样，DM2系统在车辆减速时，电机将车辆需要降低的动能转化为电能存储在动力电池内（图12），但DM2系统的回馈效率比DM1系统更高。

图8 比亚迪秦DM2系统纯电动工作模式

图9 比亚迪秦DM2系统稳定发电模式

2.2 双模混动全时电四驱车型DM2系统工作模式

图10 比亚迪秦DM2系统混动工作模式（HEV模式）

图11 比亚迪秦DM2系统燃油驱动模式

图12 比亚迪秦DM2系统能量回馈工作模式

对于四驱车型而言，比亚迪DM2系统采用以P3电机为核心的基于多速DCT的P3+P4并联混动架构。以比亚迪宋DM2双模混动全时电四驱车为例，如图13所示，比亚迪宋DM2系统采用插电式混合动力，拥有混动（HEV）和纯电动（EV）两种运行模式，整车拥有1.5T缸内直喷涡轮增压发动机、前电机（P3电机）及后电机（P4电机，安装在车辆后桥上）等3个动力源，其中任意一个可以正常工作，均可驱动整车，当在HEV混合动力工作模式下，发动机和电机共同驱动车辆，纯电动续航里程为80 km。比亚迪宋DM2双模混动全时电四驱车的工作模式如下。

（1）纯电动模式（EV模式）。动力电池提供电能供电机驱动车辆（图14），可满足各种工况行驶，如起步、倒车、怠速、急加速及匀速行驶等，但在急加速、车速过高、爬坡、温度高、温度低、电量低等情况下，车辆可能会自动切换到HEV模式。如果要继续使用EV模式行驶，可手动切换回EV模式。在温度高或温度低时建议继续使用HEV模式。

（2）混动模式（HEV模式）。当驾驶人从EV模式切换到HEV模式后，车辆由发动机和电机共同驱动（图15），实现了最佳的动力性，同时仍能保证混合动力系统具有良好的经济性。

（3）稳定发电模式。当电量不足时，系统从EV模式自行切换到HEV模式，使用发动机驱动，在车辆以较稳定的速度行驶时发动机输出的一部分转矩会驱动电机进行发电，对动力电池进行充电（图16）。

图13 比亚迪宋双模混动全时电四驱车DM2系统的组成

图14 比亚迪宋DM2系统纯电动模式（EV模式）

图15 比亚迪宋DM2系统混动模式（HEV模式）

（4）发动机单独驱动模式。当高压系统有故障时，可单独使用发动机驱动（图17），实现了高压系统的独立性。由于动力电池在低温环境下的性能会下降，因此如果在-20 ℃以上的环境中行驶，最好使用单独发动机驱动车辆。为防止动力电池损坏，会出现以下情况：温度在-30 ℃以下，动力电池将无法进行充放电；温度在-30 ℃～-20 ℃，动力电池可以放电但无法充电；温度在-20 ℃以上，动力电池可以充放电。

图16 比亚迪宋DM2系统稳定发电模式

图17 比亚迪宋DM2系统发动机单独驱动模式

（5）强制EV模式。EV模式行驶过程中，在高压系统无故障、无起动发动机需求情况下，当电量下降到15%时，整车自动由EV模式切换到HEV模式，在低速短距离行驶时，如果仍需进入EV模式，可长按EV按键3 s以上，直到组合仪表上的EV指示灯持续闪烁，表明整车进入EV模式，此时输出功率受到一定限制；直到电量下降到一定程度时，整车将自动切换到HEV模式。

3 DM3系统及其工作模式

事实上，在DM2系统中，比亚迪有一些比较明显的问题，而“掉电太快”是当时作为一款插电式混合动力产品不可规避的方面，因此，如何在能量流方面进行优化，是解决“电耗高”问题的所在，那么到底是优化电控还是降低电机功率呢？比亚迪认为，开发一个全新的“BSG（Belt-Driven Starter Generator）电控系统”是有效且折中的方案。比亚迪2018年推出的第三代DM系统（DM3），采用电机+电控系统有效解决了“避开发动机低效率区”的问题，利用电机的高响应特性，直接将发动机拉伸至高效转速，在发挥电机特性的同时，解决了发动机初段起动时的低效区域，同时协助车辆发电，让整个能量流系统更加平衡。因此，全新的“BSG架构”系统是DM3的核心之一，也是解决“电耗高”的有效手段。BSG架构用硬件解决了软件无法实现的技术瓶颈，对发动机系统的转矩输出起到了帮助作用，从而获得了更好的加速性能。在搭载DM3系统的车型中，秦Pro DM版的性能相对弱一些，但实测数据也达到了0 km/h～100 km/h加速时间为6.09 s的效果。DM3系统加入了BSG电机（图18），可以更好地避开在低转速区间时的抖动，从而提升了驾驶质感，让换挡动作变得更加平顺柔和。除了电池、电机、电控“三电技术”的长足进步，比亚迪在DM3系统中融入了BSG电机，打造了“P0+P3+P4结构”（P0电机采用BSG传动带起动/发电机，能实现自动起停、能量回收、转矩辅助，更节能更平顺；P3电机为前轴电机，增加前轴输出，加快动力响应速度；P4电机为大功率后轴电机，实现“全时电四驱”），可将车辆的动力更好地进行传输与释放。DM3技术主要由发动机、BSG电机及前后驱动电机组成，可实现P0+P3+P4（三擎四驱）、P0+P3（前驱）、P0+ P4（双擎四驱）三种动力架构组合，同时可实现纯电动模式、发动机与前后电机同时输出的HEV并联模式、BSG电机为主的串联驱动保电模式、纯粹的发动机模式及能量回收模式等，覆盖到了日常驾车的各种工况。全新一代唐DM为P0+P3+P4结构，秦Pro DM因为是前驱车型，后轴没有布置电机，因此为P0+P3结构。

图18 BSG电机

DM3系统加入BSG电机之后，就可以使用类似“串联式混合动力”的驱动形式，离合器断开，发动机不直接参与驱动车辆行驶，因此发动机的转速可以控制在最经济的转速区间，带动BSG电机给动力电池充电，动力电池给电机供电，使得发动机的效率和BSG电机的发电效率最大化，达到节能的效果。这台BSG电机的功率为25 kW，与市场中其他搭载P0电机的混动系统不同的是，其功率要高出60%左右。大家都知道BSG电机是不参与驱动的，大功率是为了获得更高的发电效率，特别是在市区低速行驶时，相对于之前没有加装BSG电机的混合动力系统，发电效率提高了21%，相比于小功率的BSG电机，发电效率也有不同程度的提高。数据显示，BSG电机的加入，让采用DM3系统的车辆发电系统总效率最高达到87%。发动机效率有效利用、发电效率高了之后，车辆日常使用可以更节能。

BSG电机位于发动机的前端，通过传动带的方式与发动机相连。这台BSG电机除具有起动机和发电机的作用以外，还可以调控发动机的转速，在发动机起动过程中，BSG电机可迅速拉升发动机的转速，使其越过低速抖动区间，明显改善了发动机的起动平顺性，并能让发动机起动后迅速达到最佳工况转速，且让其长期处于高效运转区间，减少能量损耗。除此之外，通过调速还改善了车辆在起停、怠速、换挡、加速等方面的平顺性。在升降挡过程中，BSG电机也可主动控制发动机转速，使其与车速、挡位相适应，提高换挡平顺性。因此，DM3系统除了更加节能以外，车辆的行驶平顺性也得到了有效改善。DM3系统的BSG电机工作电压是360 V～518 V，属于高电压起动电机。与一般的低电压起动电机需要额外的起动电池来供电不同的是，其可以直接使用动力电池进行供电，不需要额外的起动电池及与之相配套的充电设备与线路，整个系统的布置更加的简洁，效率也会更高。

DM3系统车辆的前轴结构如图19所示，后轴结构如图20所示。DM3系统的工作模式如下。

（1）纯电四驱模式。纯电四驱模式下，发动机停止工作，动力电池提供电能，仅由前后电机驱动车辆行驶，可以满足各种工况行驶，如起步、倒车、怠速、急加速、匀速行驶等。DM3的纯电驱动模式，没有速度限制，也就是说全工况下都可以使用。在该模式下，纯电最大功率达290 kW，最大转矩达630 N·m，且还可实现零排放。

图19 DM3系统车辆的前轴结构

图20 DM3系统车辆的后轴结构

（2）并联驱动模式。当用户从EV模式切换到HEV模式后，前后电机和2.0T发动机将会“三擎（发动机+前电机+后电机）合力”，车辆由发动机和前后驱动电机共同驱动，能输出441 kW的最大输出功率和950 N·m的最大转矩，实现了最佳动力性，百千米加速时间最快可达4.3 s。

图21 串联驱动模式（发动机+BSG电机串联发电，前后双电机驱）

（3）串联驱动模式。串联驱动模式也就是“增程式混合动力”。该模式下，发动机+BSG电机串联发电，前后双电机驱动车辆行驶（图21），车辆的保电能力更强、行驶更平稳。BSG电机让前驱动电机不用兼顾发电任务，在低速状态下，直接让发动机在最经济的转速下通过高电压、高功率密度的BSG电机快速发电，发电效率优于前电机发电模式，足以满足车辆纯电驱动行驶，并由于在低速行驶时消除了传统发动机的离合反拖和反复起停发动机的过程，可提供无冲击感的行驶平顺性。

（4）发动机驱动模式。当电量不足或高压系统有故障时，可单独使用发动机驱动车辆行驶实现了燃油系统的独立性。当车辆在巡行驾驶模式下，也处于发动机驱动模式下，该模式下，发动机驱动车辆行驶及BSG电机发电（图22），BSG电机发的电给动力电池充电，能为后续的城市行驶储备足够的电能。发动机驱动模式解决了传统混动技术在高速巡行时油耗较高的问题。BSG电机本身的高功率密度和高电压让发电效率大幅提升，且由于电能转化不再经过变速器传动，不存在浪费。通过BSG电机对发动机功率的调整，可以使发动机尽可能地处于高效运转区间，大大提高了燃油效率。

（5）原地发电模式。P/N挡或D挡、R挡车速为0时，当动力电池的SOC低于10%时，发动机带动BSG开始发电。向动力电池充电，直到动力电池的SOC达到15%结束。

（6）行车发电模式。当动力电池电量不足，且车辆在行进过程中，车辆启动行车发电模式，发动机带动前电机发电，后电机参与动力驱动。

（7）能量回收模式。车辆减速或制动时前后电机均转变为发电模式，进行能量回收，为动力电池补充能量。在硬件层面，由于采用高功率密度电机，电能的转化效率更高，保障能量回收效率。同时经软件优化，制动和滑行状态的动能回收更充分，且让整个回收过程衔接流畅，消除顿挫感。

图22 发动机驱动模式（发动机驱动车辆行驶及BSG电机发电）