汽車動力系統(tǒng)匹配設計及發(fā)展趨勢展望

伍賽特

(上海汽車集團股份有限公司，上海 200438)

0 引言

統(tǒng)計表明，目前汽車發(fā)動機使用工況多數(shù)會遠離最佳經(jīng)濟油耗區(qū)域，由此難以實現(xiàn)動力和傳動系統(tǒng)的最佳匹配，而該項工作對汽車性能具有決定性的影響[1]。通過合理匹配汽車動力和傳動系統(tǒng)、降低燃油消耗是一項有待進一步研究的課題。

在總體布置開始之前進行整車和發(fā)動機性能的分析和匹配研究，能對整車的性能進行初步預測，在整車方案和各總成的參數(shù)確定之后，還能根據(jù)各總成、部件設計所提供的具體數(shù)據(jù)對整車性能盡快做出全面、準確的預測，便于及早發(fā)現(xiàn)問題，進行調(diào)整和修改。上述工作均可大幅提高設計質(zhì)量、縮短研制周期。

1 汽車動力系統(tǒng)匹配設計概述

在評價某款車型時，首先會想到其所搭載的發(fā)動機型號，進而會考慮到變速箱種類。發(fā)動機和變速箱對一款汽車的重要性是毋庸置疑的。如果說發(fā)動機是汽車的心臟，那變速箱就是心臟的主動脈，發(fā)動機的動力只有經(jīng)過變速箱才能傳遞到整車傳動系統(tǒng)，進而驅(qū)動整車前進。

不僅如此，如需充分發(fā)揮發(fā)動機的動力優(yōu)勢，需要做好發(fā)動機與整車的匹配工作，即一方面要讓發(fā)動機舒服地工作，另一方面需將發(fā)動機的動力在合適的時機傳遞給整車系統(tǒng)，并以此驅(qū)動整車前進，下文對此進行簡要說明。

車用發(fā)動機在開發(fā)過程中，經(jīng)過了大量的開發(fā)和標定工作，開發(fā)和標定工作是在特定的邊界條件下完成的。發(fā)動機在整車實際使用過程中，整車相關系統(tǒng)若能在發(fā)動機開發(fā)和標定中覆蓋的邊界條件下，則發(fā)動機將運作得更為流暢，發(fā)揮出更優(yōu)越的性能；若發(fā)動機工作的邊界條件得不到保證，則發(fā)動機的性能將會受到顯著的影響。

其次，發(fā)動機的動力能否很好地傳遞到整車系統(tǒng)。發(fā)動機發(fā)揮的性能，用于驅(qū)動整車前進的部分為有用部分，其余損耗部分為無用功。努力提高有用部分比例，減少無用功占比，亦是一項需要重點考慮的問題。

2 汽車動力系統(tǒng)匹配設計發(fā)展趨勢

近年來，隨著科學技術的不斷發(fā)展，越來越多的新技術在汽車上得到應用，這對整車匹配設計也提出了新的挑戰(zhàn)。在汽車發(fā)展過程中，汽車的功能不斷增加，汽車的結構變得越來越復雜，汽車的零部件數(shù)量不斷增多，因此汽車匹配設計的難度不斷增加。下文簡要分析汽車整車動力系統(tǒng)匹配設計的發(fā)展趨勢。

2.1 混合動力汽車匹配設計及發(fā)展趨勢

混合動力汽車不僅需要考慮發(fā)動機與變速箱的匹配、動力總成與整車的匹配[2-4]，根據(jù)混合動力技術的不同，還需要考慮混合動力系統(tǒng)在動力總成內(nèi)部的匹配關系。根據(jù)QC/T 837—2010《混合動力電動汽車類型》的定義，按照混合度劃分，混合動力電動汽車分為微混合型混合動力電動汽車(Micro Hybrid Electric Vehicle)、輕度混合型混合動力電動汽車(Mild Hybrid Electric Vehicle)和重度混合(強混合)型混合動力電動汽車(Full Hybrid Electric Vehicle)。3種型號的混合動力汽車的具體區(qū)分如下：

(1)微混合型混合動力電動汽車是以發(fā)動機為主要動力源，電機作為輔助動力，具備制動能量回收功能的混合動力電動汽車。電機的峰值功率和總功率的比值小于10%。僅具有停車怠速停機功能的汽車也可稱為微混合型混合動力電動汽車。BSG(皮帶驅(qū)動起動發(fā)電機)技術路線的48 V系統(tǒng)汽車，根據(jù)電機峰值功率和總功率的比值，部分屬于微混合型混合動力電動汽車[5-7]。

(2)輕度混合型混合動力電動汽車是以發(fā)動機為主要動力源，電機作為輔助動力，在車輛加速和爬坡時，電機可向車輛行駛系統(tǒng)提供輔助驅(qū)動力矩的混合動力電動汽車。一般情況下，電機的峰值功率和總功率的比值大于10%。ISG(整體起動發(fā)電機)技術路線的48 V系統(tǒng)汽車，根據(jù)電機峰值功率和總功率的比值，部分屬于輕度混合型混合動力電動汽車。

(3)重度混合(強混合)型混合動力電動汽車是以發(fā)動機和(或)電機作為動力源，一般情況下，電機的峰值功率和總功率的比值大于30%，且電機可以獨立驅(qū)動車輛正常行駛的混合動力電動汽車。P2技術路線的汽車，根據(jù)電機峰值功率和總功率的比值，部分屬于重度混合型混合動力電動汽車。

混合動力電動汽車匹配過程中需要重點關注的內(nèi)容如下：停車怠速停機功能的汽車，同傳統(tǒng)汽車的區(qū)別是增加了停車怠速停機功能，主要通過增強型起動機或起發(fā)一體式電機來實現(xiàn)的。在匹配設計過程中，需要重點關注增強型起動機或起發(fā)一體式電機性能、外形尺寸、接口尺寸方面的內(nèi)容。

性能方面主要關注其起動次數(shù)相對傳統(tǒng)汽車有顯著提升，以及對耐久性能要求的提高和怠速起停過程中噪聲方面的影響。

外形尺寸方面主要關注其體積增大對周邊間隙的影響，避免因設計校核階段的疏忽而導致試制驗證階段的設計變更。

接口尺寸方面主要關注包括外形尺寸的變更對安裝尺寸的變更和電器接插件匹配的影響。對于停車怠速停機功能的汽車，需要關注的另一重要部件為蓄電池，由于整車全生命周期中起動次數(shù)顯著增加，對蓄電池壽命帶來嚴峻挑戰(zhàn)，若不對蓄電池進行針對性設計，將大幅降低蓄電池使用壽命。

48 V系統(tǒng)技術汽車，相對傳統(tǒng)汽車增加了BSG或ISG電機、動力電池、控制器等部件。在匹配設計中，首先需要考慮各部件的性能對整車性能的影響，特別要考慮BSG或ISG電機在車輛起步階段對車型起步性能的貢獻及起步階段與發(fā)動機性能的匹配關系；其次，需要考慮各部件的布置，通常而言，BSG或ISG電機布置在機艙內(nèi)，需要考慮其安裝空間、接口尺寸和運動干涉、熱害性能等方面的因素。動力電池根據(jù)布置需要放置在機艙內(nèi)或乘員艙內(nèi)，動力電池布置過程中需要同步考慮空間要求和電池冷熱特性實現(xiàn)。為了保持良好的性能，在高溫條件下需要做好動力電池的降溫工作，在低溫條件下需要使動力電池快速升溫；若動力電池布置在乘員艙內(nèi)，特別需要關注其安全防護。

P2技術汽車，在匹配設計過程中首先需要解決的是P2電機的布置和接口匹配、性能匹配等問題。P2電機布置在發(fā)動機后端、變速箱前端，因此，需要重點關注它與發(fā)動機和變速箱的物理接口匹配關系。P2電機作為整車驅(qū)動的重要動力源，其性能對整車性能有重要影響，在匹配設計過程中，需要對P2電機與發(fā)動機雙動力源作用下的整車性能進行詳細的計算，以便做好P2電機的選型。

2.2 智能網(wǎng)聯(lián)汽車匹配設計及發(fā)展趨勢

隨著智能網(wǎng)聯(lián)技術的發(fā)展，整車智能化水平越來越高，發(fā)動機也在適應智能化的需要進行相應的升級工作。智能網(wǎng)聯(lián)汽車匹配設計過程中，重點關于新功能零部件的布置、接口匹配、信號通信與匹配、軟件功能開發(fā)、EMC(電磁兼容)等方面的問題。

為了適應整車智能化和網(wǎng)聯(lián)化，必然增加很多新的零部件，這些零部件在車內(nèi)和機艙內(nèi)的物理布置需要考慮，不僅需要關注其物理空間的問題，還需要關注其受熱害熱輻射的影響，以及控制線束的布置和固定是否滿足零部件本身的安裝和布置要求等多方面的因素。

智能化和網(wǎng)聯(lián)化方面新增的零部件大多帶有電器接口，在進行線束設計時需要考慮接口的匹配和信號通信與匹配，這樣才能確保裝配后相關功能正常的實現(xiàn)。智能化和網(wǎng)聯(lián)化需要有相應的控制單位來實現(xiàn)，通過與整車ECU(電子控制單元)或VCU(整車控制器)的集成可實現(xiàn)，通過單獨的控制器也可實現(xiàn)。不管什么模式，控制器與ECU或VCU之間的通信是必須的，通過對發(fā)動機或車輛運行工況的識別，判斷車輛運行工況、駕駛員意圖，進而實現(xiàn)對車輛的控制。

控制器軟件功能的開發(fā)對智能化和網(wǎng)聯(lián)化功能的實現(xiàn)具有重要的意義，這是智能化和網(wǎng)聯(lián)化實現(xiàn)的核心之一。隨著車輛功能的不斷增加，車內(nèi)的傳感器、控制器和執(zhí)行器越來越多，各零部件之間的電磁干涉不斷增加，為保證整車電器功能的正常運行，車輛開發(fā)過程中必須進行電磁干擾測試，這是整車匹配驗證的重要試驗之一。

2.3 燃料電池汽車匹配設計及發(fā)展趨勢

近年來，燃料電池汽車技術得到了飛速的發(fā)展，日本和歐美燃料電池汽車的發(fā)展相對我國更快。其中日本燃料電池技術領先我國約10年時間，日本豐田和本田均量產(chǎn)了搭載燃料電池的乘用車，日本每年各類燃料電池汽車的銷售量可達到近萬輛。

近年來，我國對燃料電池技術的研究不斷進步，上汽等國內(nèi)知名汽車企業(yè)和清華大學、同濟大學等高校一起，已開始進行燃料電池汽車集成和控制技術的研究。相對于傳統(tǒng)燃油車，燃料電池汽車并未采用傳統(tǒng)意義上的發(fā)動機，取而代之的是燃料電池動力裝置。

燃料電池動力裝置是由燃料電池電堆和相關輔助系統(tǒng)(氫氣系統(tǒng)、空氣系統(tǒng)、增濕系統(tǒng)、水熱管理系統(tǒng)等)在一起組成的能實現(xiàn)氫氣發(fā)電的整套系統(tǒng)的總稱。氫氣通過氫氣系統(tǒng)，以一定的形式進入燃料電池電堆，與空氣系統(tǒng)的氧氣進行化學反應，氫原子與氧原子結合轉化為水，電子流動進而產(chǎn)生電能[8-10]。

為了保證燃料電池電堆的正常運行，需要對進入電堆的空氣進行加濕(最先進的技術已經(jīng)可取消加濕系統(tǒng))，保持空氣的濕潤；水熱管理系統(tǒng)保證燃料電池電堆內(nèi)部處于合理的溫度范圍內(nèi)。溫度過低，燃料電池電堆無法正常工作或工作效率偏低；溫度過高，燃料電池電堆超過過熱保護，同樣無法正常工作。

燃料電池汽車匹配設計過程中，重點是從燃料電池相關系統(tǒng)的設計要求出發(fā)，確保燃料電池系統(tǒng)正常高效地工作，做好氫氣系統(tǒng)(含氫氣引射系統(tǒng))的設計以及空氣系統(tǒng)(含加濕系統(tǒng)和增壓系統(tǒng))、水熱管理系統(tǒng)和電控系統(tǒng)等方面的匹配設計工作[11]。

3 結論及展望

隨著動力系統(tǒng)匹配設計在汽車工程中的應用不斷深入以及現(xiàn)代計算方法的發(fā)展，目前美國、日本以及歐洲的一些著名的汽車公司在該領域廣泛采用了計算機模擬技術，并在這方面做了大量的工作，形成了一整套新的理論和新方法，并研制出了方便、可靠的計算機模擬程序，使其在提高汽車性能、加快研制周期方面起了巨大的作用。

進入新世紀以來，我國汽車工業(yè)得到了飛速發(fā)展，技術水平突飛猛進，政策銷量與日俱增。但即便如此，相比世界先進水平依然有一定的差距，為此仍需戒驕戒躁，穩(wěn)步發(fā)展！