重型商用車混合動力構(gòu)型研究

田方，耿志勇，陳琳，余修濤，盧甲

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重型商用車混合動力構(gòu)型研究

田方，耿志勇，陳琳，余修濤，盧甲

（陜西汽車集團有限責任公司技術(shù)中心，陜西 西安 710200）

研究分析了多種重型商用車混合動力系統(tǒng)構(gòu)型，著重對BSG系統(tǒng)、單電機ISG系統(tǒng)、雙電機系統(tǒng)多種構(gòu)型的結(jié)構(gòu)與原理進行了分析，通過對多種構(gòu)型技術(shù)路線優(yōu)勢與重型商用車的分析，給出了重型商用車未來技術(shù)路線的方向，可為其他重型混合動力商用汽車產(chǎn)品的開發(fā)及混動技術(shù)路線的選擇提供參考經(jīng)驗。

混合動力；技術(shù)路線；重型商用車；產(chǎn)品開發(fā)

1 研究背景和意義

混合動力汽車近些年來的保有量不斷增加，特別是我國大力鼓勵發(fā)展新能源汽車產(chǎn)業(yè)以來，以插電式混合動力汽車為主的油電/氣電混合動力汽車正在以超乎尋常的速度增長，其可以采用優(yōu)化發(fā)動機瞬態(tài)油耗及排放，實現(xiàn)怠速啟停、實現(xiàn)純電起步、實現(xiàn)高效能源管理及電氣化輔機等多種手段，實現(xiàn)動力性與經(jīng)濟性兼顧的一個有效手段。重型商用車方面，混合動力技術(shù)路線也被認為是在實現(xiàn)使用階段完全零排放之前，節(jié)能汽車的一個重要技術(shù)路線；插電式混合動力在一個相當長的時期內(nèi)也是新能源汽車部分零排放的有效解決方案。

2 重型商用車混合動力系統(tǒng)常見構(gòu)型

混合動力汽車/插電式混合動力汽車（含增程式）的技術(shù)路線相對較多，按照混合動力系統(tǒng)依照其動力形式可以分為串聯(lián)、并聯(lián)和混連式；根據(jù)其動力電機的布置位置、電機的功率扭矩參數(shù)、應(yīng)用條件相對較多，在重型商用車上常見構(gòu)型基本可分為以下幾種：BSG微混、單電機中輕混、雙電機強混方案等。

2.1 BSG/P0微混

BSG(Belt-driven Starter/Generator)皮帶傳動啟動/發(fā)電一體化方案，是一種較為經(jīng)濟的混合動力實現(xiàn)方式，在乘用車上以48V微混的形式，已在部分品牌的部分車型上形成量產(chǎn)，其能夠?qū)崿F(xiàn)如快速啟停、部分制動能量回收等工作模式，但其先天的結(jié)構(gòu)導致了其采用的電機、動力電池組均為較低功率，無法達到較高的混合度，其BSG皮帶電機位于曲軸前端，電機無法直接驅(qū)動車輛與制動能量回收，整車的傳統(tǒng)部件電氣化程度依然較低。

其能夠以較低的混動系統(tǒng)新增成本以及較小的傳統(tǒng)零部件改動實現(xiàn)混合動力，在乘用車上也可冠以HYBRID之名，但其就技術(shù)方面而言只能歸為弱混的一種，可視作為一種低物料成本的混動系統(tǒng)解決方案。商用車方面，卡車的BSG較為少見，在約2010年前后BSG曾經(jīng)在國內(nèi)多家客車上短暫出現(xiàn)過一段時間，但并未大規(guī)模推廣。分析其原因是多方面的，主要原因一方面BSG為傳動皮帶，雖然可避免過載但傳遞的扭矩有限，不能滿足混動系統(tǒng)的高效要求，且會為系統(tǒng)帶來較高的故障率，再者帶傳動引起的曲軸偏載、混動系統(tǒng)本身控制的問題都使整體系統(tǒng)的可靠性問題較為顯著。

雖然BSG并未形成大規(guī)模的推廣，但當時不失為一種商用車混合動力系統(tǒng)的大膽嘗試，其為后來其他混動系統(tǒng)的推廣積累了大量寶貴經(jīng)驗。

圖1 BSG方案構(gòu)型

2.2 E+C+ISG+T/P2方案E+ISG+C+T/P1方案中、輕混并聯(lián)

ISG（Integrated Starter & Generator）啟動發(fā)電一體化方案是中、輕混合動力系統(tǒng)的常見方案，將盤式電機集成在發(fā)動機主軸上，以高壓動力電池系統(tǒng)配合電機及動力控制系統(tǒng)實現(xiàn)混合動力。常見的為布置于離合器之后的P2方案混動系統(tǒng)，與變速器一同提供，國內(nèi)、外一般變速器廠家的混合動力系統(tǒng)解決方案多為此方案；布置于離合器之前，以電機轉(zhuǎn)子替代飛輪，實現(xiàn)發(fā)動機與電機的P1連接方案，多為電機與發(fā)動機一同提供，發(fā)動機廠家提供的混合動力系統(tǒng)解決方案多為此方案。

單電機P2混合動力方案其多能夠?qū)崿F(xiàn)純電起步、發(fā)動機快速啟停、制動能量回收、發(fā)動機瞬態(tài)工況調(diào)節(jié)等功能，P1由于無法實現(xiàn)發(fā)動機與電動機解耦，無法實現(xiàn)純電起步以及脫開發(fā)動機的制動能量回收。P2方案的混動一般電機和電池的功率相對較大，混合度相對較高，成本較高，可實現(xiàn)相對較高的節(jié)油率及行駛體驗；P1方案混動一般電機和電池的功率相對較小，混合度相對較低，混動系統(tǒng)及整車的造價相對低廉，是低成本混動的優(yōu)選方案。

此兩種方案共同的缺點為，僅有一臺ISG電機，既要發(fā)動機發(fā)電和制動能量回收保持動力電池組SOC，又要在隨時需要時介入以保障整車的動力需求，僅有的一臺電機無法實現(xiàn)所有工況下的高效的驅(qū)動及發(fā)電，其動力系統(tǒng)控制方案相對來講很難做到多種工況適應(yīng)，也很難保證復雜工況下的動力性及經(jīng)濟性指標。

圖2 ISG單電機方案P2構(gòu)型

圖3 ISG單電機方案P1構(gòu)型

2.3 E+C+ISG+C+TM P2+3/E+C+ISG+T+TM P2+3強混同軸混聯(lián)

雙電機同軸混連系統(tǒng)一般采用一個主發(fā)電的ISG電機和一個主驅(qū)動的TM電機，ISG采用離合器或扭轉(zhuǎn)減震器與發(fā)動機相連，ISG電機之后采用離合器或者變速器與TM電機相連。

發(fā)動機與ISG電機之間采用離合器相連，可實現(xiàn)發(fā)動機與動力系統(tǒng)解耦，使ISG參與驅(qū)動輸出動力，增加純電動驅(qū)動或制動能量回收工況時的雙電機系統(tǒng)的扭矩上限；若發(fā)動機與ISG電機之間采用扭轉(zhuǎn)減震器，多用于ISG只用來發(fā)電的工況，結(jié)構(gòu)上避免使用自動離合器，結(jié)構(gòu)更緊湊，一般適配全功率的TM電機保證動力系統(tǒng)輸出，也使得整車控制系統(tǒng)相對簡化。

ISG與TM電機之間采用離合器連接，可在離合器處于分離狀態(tài)時實現(xiàn)雙電機間動力連接中斷，此時同軸混連系統(tǒng)可處于串聯(lián)工作模式，也可處于TM電機單獨驅(qū)動或制動能量回收模式；在離合器處于結(jié)合狀態(tài)時雙電機動力連接，系統(tǒng)根據(jù)1號離合器的狀態(tài)，可處于雙電機共同驅(qū)動、雙電機共同制動能量回收、發(fā)動機與雙電機共同驅(qū)動等多種工作模式。ISG電機與TM電機之間采用一個少檔位變速器，是近些年來各總成提供商提供的一條較新的技術(shù)路線，普遍匹配2檔或4檔AMT，實現(xiàn)ISG的扭矩放大，以滿足更大的動力系統(tǒng)輸出扭矩、更多樣的扭矩分配模式、更寬的工況適用范圍，而且由于AMT自動變速器的引入，使得發(fā)動機在較低轉(zhuǎn)速時就可切入驅(qū)動，相對串聯(lián)工況可減小部分能量損失，進一步的提高效率。

此兩種方案的缺點也相對較明顯，雙電機、雙電機控制器和雙自動離合器的引入使得系統(tǒng)整體造價成本較高，若再加上扭轉(zhuǎn)減震器和AMT變速器及其控制器，系統(tǒng)整體造價將會上升更多。再者，發(fā)動機與雙電機協(xié)同控制，以及其與AMT的控制協(xié)同，使得系統(tǒng)的控制難度有大幅增加，整套系統(tǒng)的策略、調(diào)試與標定水平對整車的綜合表現(xiàn)影響較大，具有更高的技術(shù)門檻。

圖4 雙電機方案構(gòu)型

3 結(jié)論

混合動力系統(tǒng)構(gòu)型多樣，其結(jié)構(gòu)形式、系統(tǒng)構(gòu)型、適應(yīng)工況、造價成本、控制難度各不相同，進行混合動力系統(tǒng)設(shè)計時，應(yīng)根據(jù)整車對于排放、工況、動力性、經(jīng)濟性、制造成本、控制系統(tǒng)等指標綜合考慮混動系統(tǒng)構(gòu)型，適配合適的混動系統(tǒng)構(gòu)型，達到整車對于動力系統(tǒng)的綜合要求。對于重型商用車混動系統(tǒng)，BSG方案已經(jīng)淡出歷史舞臺，單電機方案已經(jīng)趨于商業(yè)化，雙電機方案在未來發(fā)展?jié)摿薮蟆Ｅ袛嘣谝欢螘r期內(nèi)，由于雙電機方案在成本及控制難度方面的劣勢在一定程度上限制了其大規(guī)模發(fā)展，但隨著技術(shù)成熟度不斷提高，成本不斷下降，雙電機混動方案將是未來混合動力系統(tǒng)發(fā)展的最終方向，也是新能源汽車部分零排放的有效解決方案。

[1] 熊演峰,余強,李川,閆晟煜.基于工況特征的混合動力牽引車動力系統(tǒng)構(gòu)型與參數(shù)匹配 [J].汽車技術(shù),2017,12.

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Research on configuration of hybrid powertrain for heavy-duty commercial vehicle

Tian Fang, Geng Zhiyong, Chen Lin, Yu Xiutao, Lu Jia

（Technical Center, Shaanxi Automobile Group Co., Ltd., Shaanxi Xi'an 710200）

This paper analyzes a variety of configuration of hybrid powertrain systems for heavy commercial vehicles, focusing on the structure and principle of BSG system, single-motor ISG system and dual-motor system. Advantages of various configuration of hybrid technology, in combination with the characteristics of heavy commercial vehicles, point out the future direction of technical route for heavy commercial vehicles, to help to develop other heavy-duty hybrid commer -cial vehicles and to choose hybrid technical routes.

Hybrid; Technical route; Heavy commercial vehicles; Product development

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1671-7988(2018)18-18-03

U469.9

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1671-7988(2018)18-18-03

CLC NO.: U469.9

田方，就職于陜西汽車集有限責任公司技術(shù)中心。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2018.18.007