乘用車混合動(dòng)力技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢分析

王崧浩 鐘發(fā)平 吳純?nèi)A

摘 要：近幾年國內(nèi)汽車行業(yè)蓬勃發(fā)展，但混合動(dòng)力技術(shù)相比國外起步較晚，為響應(yīng)國家節(jié)能汽車發(fā)展政策，做到節(jié)能減排，發(fā)展汽車混合動(dòng)力技術(shù)顯得尤為重要。文章簡單闡述了混合動(dòng)力技術(shù)的耦合技術(shù)，對國內(nèi)外較成熟的車型混動(dòng)技術(shù)的進(jìn)行收集整理，簡單分析國內(nèi)外主流車型與技術(shù)方案，總結(jié)出國內(nèi)外混動(dòng)技術(shù)優(yōu)缺點(diǎn)，并對未來汽車混合動(dòng)力技術(shù)發(fā)展趨勢進(jìn)行分析與闡述，對國內(nèi)混合動(dòng)力技術(shù)發(fā)展具有一定的參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞：汽車;節(jié)能;混合動(dòng)力;發(fā)展趨勢

中圖分類號(hào)：U469.79? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? 文章編號(hào)：1671-7988（2020）13-266-03

Development Status and Trend Analysis of Passenger Car Hybrid Technology

Wang Songhao， Zhong Faping， Wu Chunhua

（ Corun CHS Technology CO.， Ltd.， Guangdong Foshan 528000 ）

Abstract： In recent years， the domestic automotive industry has been developing rapidly. However， the research of hybrid power technology is carried out late compared with foreign countries. In order to respond to the national development policy of the fuel-efficient car to achieve energy conservation and emission reduction， the development of hybrid power technology is particularly important. The connection technology of the hybrid power technology in this article is described. The hybrid power technology of more mature cars at home and abroad is illustrated. Mainstream car models and technology solutions are analyzed. The advantages and disadvantages of hybrid power technology are summarized， and its development trend in the future is analyzed. It has certain reference value for the development of domestic hybrid power technology.

Keywords： Automobile; Energy saving; Hybrid power technology; Development trend

CLC NO.： U469.79? Document Code： A? Article ID： 1671-7988（2020）13-266-03

引言

汽車產(chǎn)業(yè)是國民經(jīng)濟(jì)的支柱型產(chǎn)業(yè)，我國雖然汽車產(chǎn)銷量連續(xù)多年居世界第一，但汽車產(chǎn)業(yè)大而不強(qiáng)[1]，產(chǎn)業(yè)存在創(chuàng)新能力不足、產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展不完善、節(jié)能減排任務(wù)艱巨、自主品牌市場競爭力不足、國際化水平相對較低、核心技術(shù)匱乏等諸多問題。大氣污染防治、降低碳排放方面，近十年我國CO2 排放量持續(xù)攀升，已超越美國排名全球首位;目前我國能源結(jié)構(gòu)主力為火電發(fā)電，其次是清潔能源;同樣一度電，中國產(chǎn)生的碳排放量是日本的1.6倍，美國的1.7倍，法國的6倍。

實(shí)現(xiàn)我國傳統(tǒng)能源消耗降低仍需要漫長的過程，近年來國家通過大力推廣節(jié)能及新能源車、提出“國家藍(lán)圖保衛(wèi)戰(zhàn)”要求各地實(shí)施大氣污染防治條例及行動(dòng)方案、推動(dòng)汽車國六排放降低，我們必須發(fā)展新能源汽車技術(shù)，降低汽車交通領(lǐng)域排放對大氣污染防治、降低整體碳排放水平意義重大。

1 混合動(dòng)力技術(shù)現(xiàn)狀

1.1 混合動(dòng)力技術(shù)概述

混合動(dòng)力總成可以按傳輸路線分為三大類，分別為串聯(lián)系統(tǒng)、并聯(lián)系統(tǒng)和混聯(lián)系統(tǒng)[2]。

（1）串聯(lián)式混合系統(tǒng)是由發(fā)動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)和驅(qū)動(dòng)電機(jī)三者串聯(lián)組成的驅(qū)動(dòng)總成。當(dāng)車輛處于啟動(dòng)、加速、爬坡等狀態(tài)時(shí)，電動(dòng)機(jī)大負(fù)荷工作，主要由發(fā)動(dòng)機(jī)向電機(jī)提供電能，當(dāng)車輛處于低速、滑行、怠速工作時(shí)，電機(jī)小負(fù)荷工作，主要由電池包向電機(jī)提供電能。城市內(nèi)車輛行駛頻繁起步且時(shí)速低，這種串聯(lián)式結(jié)構(gòu)可以將發(fā)動(dòng)機(jī)調(diào)整在最佳工況點(diǎn)附近穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)，提高了發(fā)動(dòng)機(jī)的工作效率且降低廢氣排放。

（2）并聯(lián)式結(jié)構(gòu)由發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)為汽車提供動(dòng)力，在不同的行駛工況下既可以兩者共同驅(qū)動(dòng)，也可單獨(dú)驅(qū)動(dòng)。例如當(dāng)車輛處于加速爬坡狀態(tài)時(shí)，由于對動(dòng)力需求大，發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)將同時(shí)驅(qū)動(dòng)，為傳動(dòng)機(jī)構(gòu)提供動(dòng)力。當(dāng)車輛達(dá)到預(yù)定行駛速度時(shí)，將只有發(fā)動(dòng)機(jī)為其提供動(dòng)力。與傳統(tǒng)汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)類似，沒有獨(dú)立電機(jī)，發(fā)動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)車輪，這樣機(jī)械效率損耗低，所以應(yīng)用較為廣泛。

（3）混聯(lián)式驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)也叫功率分流式驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，它具有上述兩種結(jié)構(gòu)的傳動(dòng)特點(diǎn)?；炻?lián)式驅(qū)動(dòng)由發(fā)動(dòng)機(jī)、電動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)組成，不同的驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)由不同的部件完成，有些驅(qū)動(dòng)主裝置是發(fā)動(dòng)機(jī)，電機(jī)則為輔助裝置;則另一種驅(qū)動(dòng)主力是電機(jī)，在高功率下發(fā)動(dòng)機(jī)作為輔助裝置。這種驅(qū)動(dòng)方式系統(tǒng)控制起來相對比較容易實(shí)現(xiàn)，但是在結(jié)構(gòu)上相當(dāng)復(fù)雜。

2 國內(nèi)外混合動(dòng)力技術(shù)研究

2.1 國外主流混合動(dòng)力技術(shù)現(xiàn)狀

目前國外許多廠家都推出混合動(dòng)力汽車，以豐田普銳斯、通用沃藍(lán)達(dá)、寶馬530Le等三款車型較為典型。豐田普銳斯汽車采用功率分流混合動(dòng)力系統(tǒng)，通用沃藍(lán)達(dá)汽車采用增程式混合動(dòng)力系統(tǒng)，寶馬530Le汽車采用同軸并聯(lián)混合動(dòng)力系統(tǒng)。國外混動(dòng)汽車如四代豐田普銳斯純電動(dòng)里程56 km，每百公里綜合油耗2.5L，百公里加速時(shí)間為10.3 s，通用沃蘭達(dá)純電動(dòng)里程56 km，每百公里綜合油耗3.9L，百公里加速時(shí)間為9 s;寶馬純電動(dòng)里程58 km，每百公里綜合油耗3.8L，百公里加速時(shí)間為7.1 s。

在混合動(dòng)力總成結(jié)構(gòu)方面，豐田公司采用行星排功率分流模式[3]。豐田公司的行星齒輪動(dòng)力分流裝置開始用于插電式混合動(dòng)力系統(tǒng)，普銳斯系統(tǒng)從單模單速度，向單模多速度發(fā)展。通用公司采用的行星排功率分流結(jié)構(gòu)圖系統(tǒng)具有低速大扭矩輸出、高車速高效率等優(yōu)點(diǎn)，但結(jié)構(gòu)及控制策略較為復(fù)雜。

在混合動(dòng)力專用汽油機(jī)方面，增壓直噴、電控可變氣門正時(shí)VVT-i、阿特金森等技術(shù)紛紛在國外混合動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)上得以應(yīng)用。豐田第四代普銳斯Prius發(fā)動(dòng)機(jī)采用阿特金森循環(huán)，熱效率提升到40%以上;本田雅閣插電式混合動(dòng)力汽車采用智能可變氣門正時(shí)及升程電子控制系統(tǒng)自然吸氣發(fā)動(dòng)機(jī)，實(shí)現(xiàn)阿特金森循環(huán)和高負(fù)荷狀態(tài)奧拓循環(huán)切換，燃油經(jīng)濟(jì)性提高了10%。

國外車企在以下幾個(gè)方面進(jìn)行優(yōu)化：結(jié)構(gòu)上小型化、輕量化;控制策略方面，避開燃油經(jīng)濟(jì)性較差的低負(fù)荷工況，多控制在中高負(fù)荷區(qū)域工作[4];排氣后處理方面，采用氧化催化器DOC等技術(shù)來控制排放。標(biāo)致3008柴油插電式混合動(dòng)力汽車，綜合油耗3.8L/100km。奔馳E300插電式混合動(dòng)力汽車，采用同軸并聯(lián)啟動(dòng)/發(fā)電一體化電機(jī)技術(shù)，該車油耗為4.2L/100km。

在混合動(dòng)力驅(qū)動(dòng)電機(jī)方面，豐田和通用搭載了油冷雙電機(jī)和電力電子集成雙控制器，電機(jī)的連續(xù)功率密度可達(dá)2.5kW/kg，控制器功率密度在12-15kW/kg。豐田第四代普銳斯Prius和通用沃藍(lán)達(dá)Volt電機(jī)采用了矩形導(dǎo)體繞組。

在整車熱管理技術(shù)方面，豐田普銳斯通過電池溫度監(jiān)控、優(yōu)化散熱器，實(shí)現(xiàn)油耗降低1%-4%，排放降低60%。通用沃藍(lán)達(dá)熱管理系統(tǒng)具有四個(gè)冷卻回路，每個(gè)回路具有單獨(dú)的散熱器。寶馬530Le的發(fā)動(dòng)機(jī)與電機(jī)采用同一冷卻循環(huán)，電機(jī)自帶一個(gè)節(jié)溫器，可自行調(diào)節(jié)冷卻液溫度，使其保持在最佳溫度范圍。

在混動(dòng)的NVH方面，國外的研究主要聚焦于發(fā)動(dòng)機(jī)頻繁啟停的振動(dòng)噪聲、風(fēng)噪和胎噪、電動(dòng)輔件振動(dòng)噪聲、急加速時(shí)問題，以及動(dòng)力切換瞬態(tài)振動(dòng)。針對上述問題，豐田公司使用主動(dòng)控制策略降低啟停振動(dòng);美國俄亥俄州立大學(xué)利用最優(yōu)控制理論得出不同階段的目標(biāo)轉(zhuǎn)矩，降低車輛縱向沖擊噪音;韓國漢陽大學(xué)將混合動(dòng)力汽車的模式切換過程劃分成發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)、轉(zhuǎn)速同步、離合器結(jié)合及轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)移四個(gè)階段，使用干擾補(bǔ)償?shù)霓D(zhuǎn)矩協(xié)調(diào)控制策略減少噪音。

2.2 國內(nèi)主流混合動(dòng)力技術(shù)現(xiàn)狀

目前，國內(nèi)汽車企業(yè)紛紛推出混合動(dòng)力汽車，較為典型的有比亞迪的秦和唐、上海汽車榮威550、廣汽傳祺等插電式車型。2015年國內(nèi)插電式混合動(dòng)力汽車已累計(jì)銷售量非?？捎^。國內(nèi)主流插電式混合動(dòng)力汽車的主要性能參數(shù)如下：比亞迪秦純電動(dòng)里程70 km，每百公里綜合油耗1.6 L，百公里加速時(shí)間為5.9 s;上汽榮威550電動(dòng)里程58 km，每百公里綜合油耗2.3 L，百公里加速時(shí)間為10.2 s;廣汽傳祺純電動(dòng)里程80 km，每百公里綜合油耗2.4 L，百公里加速時(shí)間為10.9 s;長安逸動(dòng)純電動(dòng)里程70 km，每百公里綜合油耗1.6 L，百公里加速時(shí)間為10.97 s;吉利帝豪純電動(dòng)里程57 km，每百公里綜合油耗1.6 L，百公里加速時(shí)間為9.5 s。

在混合動(dòng)力總成結(jié)構(gòu)方面[5]，比亞迪秦采用并聯(lián)“雙?！被靹?dòng)系統(tǒng)，系統(tǒng)可純電動(dòng)或發(fā)動(dòng)機(jī)模式進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。上汽榮威550插電式混合動(dòng)力汽車采用了雙電機(jī)串并聯(lián)方案，并搭載一個(gè)兩檔變速機(jī)構(gòu)，對發(fā)動(dòng)機(jī)工作區(qū)間進(jìn)行優(yōu)化。工作模式主要包含純電動(dòng)、串聯(lián)、并聯(lián)、制動(dòng)能量回收、行車充電和怠速充電等。

CHS混合動(dòng)力系統(tǒng)，動(dòng)力總成通過調(diào)節(jié)雙電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩，可以實(shí)現(xiàn)全工況無極變速（E-CVT），使發(fā)動(dòng)機(jī)始終處于最優(yōu)工作區(qū)間，達(dá)到經(jīng)濟(jì)性、動(dòng)力性和排放性能的最佳控制。搭載該系統(tǒng)的吉利EC7混合動(dòng)力汽車，已經(jīng)在2016年上市銷售。

在混合動(dòng)力方面，比亞迪秦、長安逸動(dòng)和吉利帝豪采用渦輪增壓、缸內(nèi)直噴、內(nèi)部和外部廢氣再循環(huán)、電控可變氣門正時(shí)等技術(shù)。而在混合動(dòng)力專用柴油機(jī)方面，國內(nèi)已經(jīng)具備了乘用車用柴油機(jī)開發(fā)基礎(chǔ)，但針對插電混合動(dòng)力系統(tǒng)進(jìn)行研的究相對較少。

能量管理優(yōu)化方面，國內(nèi)廣泛采用的是邏輯門策略實(shí)現(xiàn)整車能量管理及優(yōu)化。比亞迪秦采用“雙擎雙?！?，比亞迪唐搭載了“三擎雙模”動(dòng)力系統(tǒng)，兩種模式可以自由切換;上汽榮威550根據(jù)駕駛工況及電池電量將管理策略細(xì)分為六種工作模式;科力遠(yuǎn)混合動(dòng)力系統(tǒng)采用基于邏輯門和實(shí)時(shí)優(yōu)化控制相結(jié)合的方法，完成工作模式管理和動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩控制。

熱管理技術(shù)方面，上汽榮威550通過優(yōu)化電池?zé)峁芾聿呗浴⒛K布置等，保證動(dòng)力電池工作在較佳溫度范圍內(nèi);比亞迪秦采用分布式電池管理系統(tǒng)，通過對電池單體溫度和電壓的采集，進(jìn)行動(dòng)力電池?zé)崞胶夤芾?，但其冷卻方式為風(fēng)扇冷卻，電池溫度的均勻性較差，壽命受到影響;同濟(jì)大學(xué)依托熱環(huán)境風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)室，開展了大量整車熱管理系統(tǒng)優(yōu)化研究。國內(nèi)混合動(dòng)力系統(tǒng)電池組、發(fā)動(dòng)機(jī)、電機(jī)、動(dòng)力電池等發(fā)熱部件的熱管理系統(tǒng)未完全實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制，冷卻系統(tǒng)集成度和整體控制策略有待提高。

NVH方面，上汽榮威550有效控制了胎噪和路面顛簸;比亞迪秦在發(fā)動(dòng)機(jī)艙蓋內(nèi)表面等部位使用隔音材料，降低了車內(nèi)噪音;吉利帝豪通過匹配行星排混合動(dòng)力汽車減振器的剛度阻尼，降低噪音;同濟(jì)大學(xué)對混合動(dòng)力總成懸置系統(tǒng)進(jìn)行匹配提升了隔振性能，設(shè)計(jì)動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩協(xié)調(diào)控制策略抑制了混動(dòng)轎車在模式切換過程中的縱向沖擊。

3 結(jié)論及趨勢分析

從國際發(fā)展趨勢上看，一是多種插電式混合動(dòng)力技術(shù)路線并存[6];二是階段油耗不斷降低;三是混合動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)效率不斷提升，混合動(dòng)力機(jī)電耦合結(jié)構(gòu)更加緊湊，功率控制單元趨向集成，動(dòng)力性能和安全性水平更加優(yōu)秀;四是純電動(dòng)續(xù)駛里程趨向更長。與國際先進(jìn)水平相比，我國混合動(dòng)力技術(shù)還存在較大差距，具體表現(xiàn)在：國內(nèi)還處在產(chǎn)業(yè)化初期，在機(jī)電耦合裝置、混合動(dòng)力階段油耗、能量管理策略、熱管理技術(shù)、NVH性能、整車可靠性、集成開發(fā)及成本控制上，有待進(jìn)一步提高。

目前國內(nèi)外48V系統(tǒng)較為熱門，48V系統(tǒng)具備低成本、技術(shù)門檻低和降油耗效果明顯的特點(diǎn)，在后退補(bǔ)時(shí)期表現(xiàn)逐漸升溫。歐洲是未來48V系統(tǒng)的主要應(yīng)用區(qū)域，當(dāng)前48V系統(tǒng)主要應(yīng)用于中檔及高檔車型，預(yù)計(jì)到2021年大部分的新生產(chǎn)車型都將搭載輕度混合動(dòng)力系統(tǒng)。從技術(shù)特點(diǎn)來看，目前階段市場推出的48V系統(tǒng)主要為一代BSG技術(shù)，電機(jī)的功率較小，不能提供足夠功率以改善發(fā)動(dòng)機(jī)工作區(qū)域。二代48V系統(tǒng)將電機(jī)設(shè)置在傳動(dòng)系端，對系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化集成。電機(jī)功率提高，能夠?qū)嵸|(zhì)的提供額外輔助動(dòng)力。在純電動(dòng)的安全性、電池包壽命、里程限制、充電便利性等多因素的影響下，在未來的5年內(nèi)HEV汽車趨于上升。目前日本三個(gè)有代表性的企業(yè)分別為豐田、本田和日產(chǎn)，也分別是混聯(lián)系統(tǒng)、串并聯(lián)系統(tǒng)和串聯(lián)系統(tǒng)，都取得了比較好的整車油耗[6]。HEV混合動(dòng)力是個(gè)系統(tǒng)級(jí)的概念，混合動(dòng)力整車油耗和經(jīng)濟(jì)性的體現(xiàn)，需要在“整車+發(fā)動(dòng)機(jī)+機(jī)電耦合裝置+電機(jī)+電池+多能源管理”，進(jìn)行系統(tǒng)優(yōu)化。

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