滿足2025嚴(yán)苛污染物和CO2排放標(biāo)準(zhǔn)要求的輕型商用車柴油混合動(dòng)力

德T. KOERFER

交通運(yùn)輸領(lǐng)域溫室氣體（GHG）減排壓力的日益增大對(duì)整個(gè)汽車行業(yè)提出了挑戰(zhàn)。由于新發(fā)布的歐洲車隊(duì)CO2排放目標(biāo)要求在未來(lái)幾年內(nèi)大幅減少CO2排放?；?021年數(shù)據(jù)，歐盟要求到2025年CO2排放目標(biāo)減少15%，到2030年減少31%。研究人員為此提出了大量建議，確保開發(fā)出成本低、排放少的車型，以滿足市場(chǎng)需求。柴油動(dòng)力車，尤其是輕型柴油車已經(jīng)成為近年來(lái)CO2減排的主要研究方向，其減排效果主要在于燃燒效率改善與機(jī)械損失減少。然而，僅通過(guò)改進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)很可能無(wú)法進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)燃油耗降低和CO2減排。為滿足不斷嚴(yán)苛的減排要求，介紹了針對(duì)大型輕型商用車（LCV）用途的先進(jìn)動(dòng)力裝置結(jié)構(gòu)的概念設(shè)計(jì)，以及在工作特性圖上功能性與相應(yīng)成本降低措施之間的平衡情況;還介紹了初始功能性數(shù)據(jù)，尤其是與傳統(tǒng)動(dòng)力裝置和串聯(lián)混合動(dòng)力結(jié)構(gòu)之間的比較情況;最后，對(duì)參數(shù)進(jìn)行了排序，以確定實(shí)現(xiàn)該新型結(jié)構(gòu)工業(yè)化需要進(jìn)行的后續(xù)工作。

輕型商用車;混合動(dòng)力;動(dòng)力裝置;排放

0 前言

在全球范圍內(nèi)，輕型商用車（LCV）的市場(chǎng)份額急劇增大，覆蓋了車輛總質(zhì)量為2 500～5 500 kg的所有車型[1]。當(dāng)今商用車市場(chǎng)幾乎都采用柴油推進(jìn)動(dòng)力。盡管當(dāng)前的汽車市場(chǎng)存在一些阻礙，但是從全球角度預(yù)測(cè)，未來(lái)10年內(nèi)，柴油動(dòng)力裝置在輕型商用車領(lǐng)域的市場(chǎng)占有率將持續(xù)增長(zhǎng)[2-3]（圖1）。

對(duì)于車輛質(zhì)量較大的車輛，尤其是重型貨物運(yùn)輸和/或需要牽引車牽引的車輛，由于需要平衡總成本與客戶需求之間的關(guān)系，需要采用不同的動(dòng)力裝置結(jié)構(gòu)。為滿足未來(lái)溫室氣體（GHG）減排法規(guī)和多樣化實(shí)際工作負(fù)載循環(huán)的要求，新型動(dòng)力裝置結(jié)構(gòu)的開發(fā)已經(jīng)被提上了議事日程。研究人員針對(duì)上述要求開發(fā)了1種極具前景和吸引力的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，并將其命名為“Diesel Emotion”。該結(jié)構(gòu)由高效柴油機(jī)和大功率電輔助裝置組成。該結(jié)構(gòu)采用了定制技術(shù)參數(shù)的優(yōu)化柴油機(jī)和功率強(qiáng)勁的電動(dòng)機(jī)。在市區(qū)工況下，車輛通常以全電或電輔助的形式行駛。一旦車速和負(fù)載超過(guò)閾值，會(huì)觸發(fā)直連模式，直接執(zhí)行駕駛員的指令要求。偏好這種結(jié)構(gòu)的最重要因素是行駛里程長(zhǎng)、起動(dòng)性能卓越、耐久性良好、負(fù)載能力高、實(shí)際燃油耗低，以及綜合性能出色，因此極具吸引力[4]。

在這種背景下，對(duì)于嚴(yán)格要求CO2排放的市場(chǎng)，研究人員針對(duì)歐洲市場(chǎng)專門設(shè)計(jì)了1款柴油混合動(dòng)力裝置，其具有卓越的性能、結(jié)構(gòu)靈活的推進(jìn)系統(tǒng)，且推進(jìn)系統(tǒng)的實(shí)際燃油耗低，CO2排放少[5]。除了具有排氣管污染物接近零排放的特點(diǎn)外，該動(dòng)力裝置保持了主要的車輛特點(diǎn)和特性，諸如重型貨物運(yùn)輸、長(zhǎng)距離行駛（上坡）及重型牽引車牽引，也可以用于市區(qū)貨運(yùn)和客運(yùn)的皮卡車、箱式貨車及大客車等在內(nèi)的輕型商用車。同時(shí)，該動(dòng)力裝置可用于市間或高速公路運(yùn)輸。目前，動(dòng)力裝置電氣化進(jìn)入商用車領(lǐng)域的比例越來(lái)越高。本文詳細(xì)地研究了柴油混合動(dòng)力推進(jìn)系統(tǒng)的中期市場(chǎng)引入潛力[6]。該柴油混合動(dòng)力推進(jìn)系統(tǒng)是專為上述車輛設(shè)計(jì)的，且可實(shí)現(xiàn)接近零污染物排放及最低CO2排放。因此，分析矩陣研究基于的是全局柴油機(jī)平臺(tái)，以確保與其他市場(chǎng)需求的兼容性[7-8]。

研究人員分析并研究了串聯(lián)-混聯(lián)混合動(dòng)力推進(jìn)系統(tǒng)的技術(shù)特點(diǎn)，旨在提高電驅(qū)動(dòng)的日常使用比例。當(dāng)純電驅(qū)動(dòng)模式不可行時(shí)，高速公路、牽引車牽引導(dǎo)致的高負(fù)載、長(zhǎng)距離上坡，以及高貨運(yùn)負(fù)載等工況可以通過(guò)柴油機(jī)直接機(jī)械驅(qū)動(dòng)車輪，以獲得極高的工作效率。

如圖2所示，為了減少交通運(yùn)輸領(lǐng)域的碳排放，歐盟基于新歐洲行駛循環(huán)（NEDC）工況和全球統(tǒng)一輕型車試驗(yàn)程序（WLTP）工況針對(duì)汽車行業(yè)制定了極為宏偉的CO2減排目標(biāo)[9]。此外，針對(duì)污染物排放、噪聲-振動(dòng)-平順性（NVH）的法規(guī)要求也日益嚴(yán)格，尤其側(cè)重于市區(qū)范圍內(nèi)。如圖3所示，為了滿足這些標(biāo)準(zhǔn)要求，相關(guān)企業(yè)需要大量增加動(dòng)力裝置技術(shù)封裝。

極具挑戰(zhàn)性的歐盟排放法規(guī)、超出車隊(duì)CO2法規(guī)目標(biāo)值將面臨高額罰單的威脅，以及無(wú)法獲得城市中心準(zhǔn)入許可的風(fēng)險(xiǎn)等都促使研究者要考慮先前認(rèn)為不適用于這類對(duì)成本極為敏感的車輛的那些先進(jìn)技術(shù)。 圖4示出了市內(nèi)區(qū)域的定義實(shí)例。意大利的都靈市歸類為超低/零排放區(qū)域，在該區(qū)域內(nèi)，內(nèi)燃機(jī)汽車是不允許通行的。對(duì)這些特殊區(qū)域類型的深入分析可為已安裝的電動(dòng)推進(jìn)系統(tǒng)提供必要技術(shù)規(guī)格和能力方面的有價(jià)值信息。為了實(shí)現(xiàn)精確調(diào)節(jié)附加成本與牽引系統(tǒng)功能需求（包含諸如環(huán)境條件惡化或高度負(fù)載，以及牽引車牽引工況等所有變化因素）之間的折中關(guān)系，研究人員在混合動(dòng)力推進(jìn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中全面考慮了這些研究結(jié)果。

該研究進(jìn)行的相應(yīng)分析完全基于實(shí)際物理組件，并且采用了先進(jìn)的仿真模型計(jì)算，包含典型輕型商用車領(lǐng)域的運(yùn)行策略優(yōu)化精確評(píng)價(jià)，以及針對(duì)不同應(yīng)用實(shí)例的CO2和污染物減排潛力評(píng)價(jià)。

1 概念定義與技術(shù)規(guī)格

針對(duì)社會(huì)高需求和高預(yù)期制訂的法規(guī)制度，研究人員旨在通過(guò)綜合采用諸如整體系統(tǒng)效率改善及更高程度的電氣化等不同措施，實(shí)現(xiàn)溫室氣體的大幅減排。所有措施都有助于實(shí)現(xiàn)不采用化石燃料的整體目標(biāo)。根據(jù)當(dāng)前對(duì)法規(guī)要求與主要市場(chǎng)需求之間綜合關(guān)系的理解與解讀，典型輕型柴油機(jī)的發(fā)展將包含2個(gè)方面的主要技術(shù)路線。

一方面，通過(guò)采用更加精煉的技術(shù)進(jìn)一步加速改進(jìn)傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)，即采用基于成本高效的48 V系統(tǒng)輕度電輔助;另一方面，為實(shí)現(xiàn)成本優(yōu)化，一些未來(lái)應(yīng)用傾向于采用動(dòng)力性更強(qiáng)的電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，同時(shí)大量減少內(nèi)燃機(jī)集成技術(shù)封裝的使用，具體實(shí)例如圖5所示。根據(jù)全球的生產(chǎn)數(shù)量，考慮到相同的基本發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)及關(guān)鍵零部件和子系統(tǒng)的高度模塊化，這2個(gè)方面的技術(shù)路線應(yīng)當(dāng)同步進(jìn)行。

上述輕型商用車通常用于運(yùn)載貨物，在某些情況下也可用于運(yùn)載乘客。在歐洲，輕型商用車允許的車輛總質(zhì)量為3 500 kg（N1類）。輕型商用車市場(chǎng)被劃分為4個(gè)類型：小型、中型、大型箱式貨車，以及皮卡車。近期，針對(duì)乘用車和輕型商用車發(fā)布的新歐洲CO2車隊(duì)目標(biāo)要求是在未來(lái)10年內(nèi)大幅減少CO2排放（相對(duì)輕型商用車的2021年目標(biāo)值，到2025年減少15%，到2030年減少31%）。除了這些極為嚴(yán)苛的CO2排放目標(biāo)值，進(jìn)一步降低污染物排放極限也將是后歐六排放標(biāo)準(zhǔn)工作的一部分內(nèi)容。

在該背景下，相關(guān)專家根據(jù)輕型商用車的主要工作特點(diǎn)和最大行駛里程劃分出4個(gè)主要客戶群，如圖6所示。除了原始設(shè)備制造商（OEM）的車輛布置，以及客戶端使用環(huán)境和駕駛習(xí)慣等可能的偏好要求外，制造商還必須滿足上述提及的嚴(yán)苛溫室氣體排放法規(guī)的要求。當(dāng)前車隊(duì)的官方數(shù)據(jù)顯示，歐盟28國(guó)的CO2排放為158 g/km（2018年數(shù)據(jù)），德國(guó)的CO2排放為152 g/km（2018年數(shù)據(jù)）。對(duì)于平均整車質(zhì)量為1 766 kg的車輛，相較于在NEDC工況下CO2排放147 g/km的2020目標(biāo)值，差距相對(duì)較小。與傳統(tǒng)NEDC工況相比，如果過(guò)渡到新實(shí)施的WLTP工況，CO2排放數(shù)值將增大20%～25%。即將生效的2021 WLTP排放目標(biāo)值將作為確定2025年和2030年CO2排放目標(biāo)值的基礎(chǔ)。2025年，CO2排放減少15%;2030年，CO2排放減少31%。在將來(lái)，柴油機(jī)仍會(huì)在成本高效區(qū)為實(shí)現(xiàn)輕型商用車和箱式貨車的目標(biāo)減排要求作出必要貢獻(xiàn)。

除了要滿足來(lái)自于法定利益相關(guān)者和政策制訂者的基本需求外，輕型商用車的發(fā)展還要兼顧客戶端高度細(xì)分和差異化的市場(chǎng)組成。圖6提供了針對(duì)較大型輕型商用車用途的主要應(yīng)用實(shí)例的簡(jiǎn)化分類情況?？蛻羧篈對(duì)行駛里程的需求很低，主要在郊區(qū)行駛，屬于小客戶群。該類車型包括在郊區(qū)行駛的綠化專用車輛和往返通勤班車?？蛻羧築需要長(zhǎng)行駛里程，主要在郊區(qū)和高速上行駛。針對(duì)該客戶群的經(jīng)典車型定義實(shí)例如下：快遞運(yùn)輸車輛、在人口稀少的郊區(qū)行駛的包裹運(yùn)輸車輛，以及諸如野營(yíng)房車等?？蛻羧篊需要長(zhǎng)行駛里程，在城市內(nèi)或城市間行駛。該運(yùn)行范圍主要適用于較大城市周邊的綠化專用車輛、往返通勤班車或乘客運(yùn)輸車輛。客戶群D僅需要較短的行駛里程，主要在市區(qū)行駛。具有代表性的這類車型包括醫(yī)用服務(wù)或運(yùn)輸服務(wù)車輛，以及市政車輛等。

基于這些分類，研究人員確定了目標(biāo)車輛定義，并采用1款經(jīng)典的大型箱式貨車。該車型繼承了2017年款車型的技術(shù)規(guī)格，其特點(diǎn)是采用約3.6 m的中等軸距及低頂?shù)妆P作為基準(zhǔn)車輛（圖7）。通常，這些車輛類型適用于多種設(shè)計(jì)或結(jié)構(gòu)（前輪驅(qū)動(dòng)、后輪驅(qū)動(dòng)和四輪驅(qū)動(dòng)）。為了有助于附加混合動(dòng)力系統(tǒng)組件的安裝，研究人員選擇了采用后輪驅(qū)動(dòng)的結(jié)構(gòu)作為起點(diǎn)。該車輛結(jié)構(gòu)內(nèi)采用的基準(zhǔn)發(fā)動(dòng)機(jī)是1款標(biāo)準(zhǔn)的2.0 L直列4缸發(fā)動(dòng)機(jī)，最高功率約130 kW，最大扭矩超過(guò)400 N·m。該發(fā)動(dòng)機(jī)采用了先進(jìn)的可變噴嘴渦輪（VNT）+廢氣渦輪（WG）二級(jí)渦輪增壓系統(tǒng)、冷卻高壓EGR和緊耦合集成式選擇性催化還原及顆粒過(guò)濾器（ACC SDPF），以及后置地板下選擇性催化還原（a.uf SCR）系統(tǒng)。研究人員根據(jù)重型車標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了驗(yàn)證，該車型滿足歐六排放標(biāo)準(zhǔn)要求。表1為該車型的主要技術(shù)參數(shù)。

如圖8所示，初始分析結(jié)果預(yù)定義了上述市場(chǎng)領(lǐng)域最可能出現(xiàn)的電氣化趨勢(shì)，強(qiáng)化了對(duì)高度靈活和模塊化動(dòng)力裝置結(jié)構(gòu)的要求，從而有效覆蓋未來(lái)市場(chǎng)需求。

為了研究這種部分電氣化的柴油動(dòng)力裝置的優(yōu)勢(shì)和挑戰(zhàn)，研究人員啟動(dòng)了1項(xiàng)先進(jìn)工程項(xiàng)目。該研究項(xiàng)目初始階段的主要目標(biāo)如下：（1）基于目前先進(jìn)的柴油機(jī)結(jié)構(gòu)，為電動(dòng)柴油動(dòng)力裝置的模塊化技術(shù)平臺(tái)確定技術(shù)配置;（2）針對(duì)輕型商用車領(lǐng)域具有代表性的不同客戶群特點(diǎn)及運(yùn)行范圍，確定優(yōu)化柴油混合動(dòng)力推進(jìn)系統(tǒng)。

柴油混合動(dòng)力裝置優(yōu)化運(yùn)行策略具體包括：（1）優(yōu)化起動(dòng)性能;（2）改善DPF再生;（3）確定CO2和污染物排放之間的折中關(guān)系;（4）定義成本-功能性優(yōu)化的發(fā)動(dòng)機(jī)和排氣后處理系統(tǒng)。

在先進(jìn)工程項(xiàng)目的第一階段，研究人員分析了幾種混合動(dòng)力裝置，確定2種主要結(jié)構(gòu)作進(jìn)一步的詳細(xì)評(píng)價(jià)。1種是P2并聯(lián)式混合動(dòng)力結(jié)構(gòu)，另1種是“串聯(lián)-混聯(lián)”的混合動(dòng)力結(jié)構(gòu)。研究人員選擇P2結(jié)構(gòu)是因?yàn)槠溽槍?duì)不同混合動(dòng)力運(yùn)行模式具有很高的靈活性，并且能夠兼容具有極高共享度的批量生產(chǎn)零部件;而選擇“串聯(lián)-混聯(lián)”結(jié)構(gòu)是為了更精準(zhǔn)地滿足歐洲一些主要客戶的動(dòng)力需求，如滿載長(zhǎng)距離行駛、牽引車牽引，以及長(zhǎng)距離爬坡行駛等。

定義這種未來(lái)柴油混合動(dòng)力裝置的推進(jìn)系統(tǒng)需要采用系統(tǒng)性的同步優(yōu)化方法，不僅要考慮與燃油經(jīng)濟(jì)性和CO2排放有關(guān)的法規(guī)驗(yàn)證循環(huán)，而且還要考慮很多其他與車輛特點(diǎn)和特性有關(guān)的方面，如車輛起動(dòng)性能、牽引力、擁有成本、滿足嚴(yán)苛歐七排放標(biāo)準(zhǔn)和相關(guān)尿素（AdBlueGA16B）消耗要求的實(shí)際尾氣排放特性。

由于多個(gè)子系統(tǒng)的相關(guān)功能參數(shù)數(shù)量較大且相互作用，研究人員因此采用統(tǒng)計(jì)優(yōu)化方法，取代每次僅檢測(cè)1個(gè)參數(shù)的傳統(tǒng)耗時(shí)評(píng)價(jià)方法。先進(jìn)推進(jìn)系統(tǒng)優(yōu)化算法基于的是針對(duì)每個(gè)動(dòng)力裝置組件具有預(yù)測(cè)能力的模型。研究人員針對(duì)該模型進(jìn)行了進(jìn)一步開發(fā)，可對(duì)所有可能行駛模式下的先進(jìn)輕型柴油機(jī)進(jìn)行仿真。針對(duì)硬件選擇及混合動(dòng)力運(yùn)行策略，研究人員采用了擴(kuò)展試驗(yàn)設(shè)計(jì)（DoE）方法，通過(guò)探索幾項(xiàng)不同并聯(lián)混合動(dòng)力結(jié)構(gòu)潛力的研究驗(yàn)證工具鏈的能力。本研究采用的優(yōu)化方法基于的是上述先期的研究工作，并且遵循如圖9所示的優(yōu)化過(guò)程。

2 結(jié)果與評(píng)價(jià)

2.1 實(shí)現(xiàn)方案設(shè)計(jì)

針對(duì)動(dòng)力裝置結(jié)構(gòu)的1個(gè)關(guān)鍵要求是其以純電牽引模式進(jìn)出市區(qū)中心的能力，其中涵蓋了最大負(fù)荷工況。為了確定所需功率的各自能量需求，圖10列出了所須考慮的目標(biāo)用途的功率需求。盡管忽略了牽引車的純市區(qū)工況牽引力，但在市區(qū)內(nèi)快速路等超低排放區(qū)域平穩(wěn)行駛電動(dòng)機(jī)所需的功率最高可達(dá)70 kW。

基于上述車輛技術(shù)參數(shù)及與市區(qū)內(nèi)特定超低排放區(qū)域一致的功能特性，研究人員最終確定選擇了2種主要的適當(dāng)混合動(dòng)力結(jié)構(gòu)。這也在一定程度上反映了先前劃分的柴油機(jī)發(fā)展階段，即在該10年周期的第2個(gè)5年間，柴油機(jī)的發(fā)展已經(jīng)超越了預(yù)期目標(biāo)。

第1種適當(dāng)結(jié)構(gòu)是P2插電式混合動(dòng)力結(jié)構(gòu)。這是1種具有代表性的推進(jìn)系統(tǒng)，仍舊采用技術(shù)高度成熟的柴油機(jī)作為主推進(jìn)裝置，采用針對(duì)特定工況需求的動(dòng)力強(qiáng)勁的電動(dòng)機(jī)作為輔助推進(jìn)裝置，特定工況需求覆蓋特定市區(qū)內(nèi)僅限純電行駛的必要因素。圖11列出了研究中所選的2種主要結(jié)構(gòu)，以及2種結(jié)構(gòu)與經(jīng)典串聯(lián)混合動(dòng)力結(jié)構(gòu)的比較情況。研究人員傾向采用P2混合動(dòng)力裝置，采用功率為42/70（恒定/峰值）kW的電動(dòng)機(jī)，并且在變速箱前布置2個(gè)離合器，用于解耦電動(dòng)機(jī)和內(nèi)燃機(jī)。在市區(qū)熱點(diǎn)工況下，采用這種技術(shù)規(guī)格以純電模式行駛能夠精確獲得上述目標(biāo)制定的車輛動(dòng)力性。

另1種混合動(dòng)力系統(tǒng)是電力更強(qiáng)的電氣系統(tǒng)，能夠產(chǎn)生75/120（恒定/峰值）kW的功率，作為整車的推進(jìn)動(dòng)力，可實(shí)現(xiàn)純電行駛。為了消除對(duì)行駛性能任何形式的限制，“串聯(lián)-混聯(lián)”混合動(dòng)力結(jié)構(gòu)中還包含了1臺(tái)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的1檔變速箱。該變速箱可實(shí)現(xiàn)與發(fā)動(dòng)機(jī)和驅(qū)動(dòng)輪的高效直接機(jī)械耦合，從而在特定工況下可通過(guò)柴油機(jī)直接驅(qū)動(dòng)車輛。

在初始階段，研究人員全面確定了推進(jìn)系統(tǒng)的主要功能參數(shù)、主推進(jìn)系統(tǒng)參數(shù)，以及高級(jí)運(yùn)行策略，并將其簡(jiǎn)化成幾個(gè)相關(guān)的標(biāo)量參數(shù)。例如，電池與電動(dòng)機(jī)類型和特性、發(fā)電機(jī)能力與基本特點(diǎn)，以及所有排氣后處理系統(tǒng)組件。這樣就可以聯(lián)合優(yōu)化組件的特性和運(yùn)行策略，從而具備全面探索多種動(dòng)力裝置結(jié)構(gòu)的潛力。針對(duì)特定實(shí)例定義，研究人員充分考慮了包含各種精細(xì)度的1組預(yù)設(shè)柴油機(jī)特性。

基于先前識(shí)別和生成的主要參數(shù)集合，研究人員生成了1個(gè)綜合DoE矩陣，并且針對(duì)每1種有利的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行了仿真研究。獲得的結(jié)果可用于創(chuàng)建1個(gè)綜合統(tǒng)計(jì)高斯過(guò)程（GP）模型，然后利用該模型識(shí)別有益于技術(shù)規(guī)格和整體動(dòng)力裝置設(shè)計(jì)參數(shù)和在給定限制下最有益的運(yùn)行策略。最后，研究人員將優(yōu)化過(guò)程結(jié)果與仿真結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比（階段1），并針對(duì)所選的特性行駛循環(huán)對(duì)優(yōu)化過(guò)程結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證（階段2）。

研究人員采用了基于FEV公司內(nèi)部平均值模型的仿真鏈作為當(dāng)前分析研究的基礎(chǔ)。針對(duì)全縱向車輛工況仿真，基于SimulinkGA16B仿真試驗(yàn)與應(yīng)用環(huán)境，確保了同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)電力牽引和排氣后處理系統(tǒng)等在內(nèi)的柴油動(dòng)力裝置關(guān)鍵子系統(tǒng)的高度關(guān)注。先進(jìn)的綜合工具鏈主要包含可擴(kuò)展的物理平均值發(fā)動(dòng)機(jī)模型、基于詳細(xì)特性圖的模型或動(dòng)力學(xué)后處理模型，以及包含相關(guān)動(dòng)力裝置控制單元簡(jiǎn)化模型的傳動(dòng)和混合動(dòng)力組件模型。該精確模型具有高度可變性和模塊化程度。因此，矩陣DoE測(cè)試計(jì)劃中研究的不同結(jié)構(gòu)、循環(huán)和策略都極易設(shè)置和仿真。經(jīng)過(guò)優(yōu)化后，F(xiàn)EV公司平均值模型仿真平臺(tái)可重復(fù)使用，用于實(shí)施所選的其他驗(yàn)證循環(huán)，以及通過(guò)附加循環(huán)計(jì)算推進(jìn)系統(tǒng)的性能。

針對(duì)面向未來(lái)的柴油混合動(dòng)力推進(jìn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，旨在實(shí)現(xiàn)工況有效利用最大化的優(yōu)化策略對(duì)充分發(fā)揮該新型結(jié)構(gòu)復(fù)雜但動(dòng)力強(qiáng)勁的動(dòng)力裝置系統(tǒng)的所有優(yōu)勢(shì)至關(guān)重要。專用的混合動(dòng)力運(yùn)行策略決定了駕駛員扭矩需求在所安裝柴油機(jī)與電驅(qū)動(dòng)單元之間的優(yōu)化分布。運(yùn)行策略不僅影響燃油耗，而且還影響發(fā)動(dòng)機(jī)排放和排氣溫度，進(jìn)而影響整體排氣后處理系統(tǒng)的轉(zhuǎn)化效率。研究人員提出的優(yōu)化方法需要通過(guò)標(biāo)量參數(shù)精準(zhǔn)復(fù)制該運(yùn)行策略，同時(shí)也對(duì)包含所有相關(guān)行駛模式的簡(jiǎn)化能量管理進(jìn)行了仿真。

作為矩陣研究的結(jié)果，圖12列出了“P2-PHEV”混合動(dòng)力結(jié)構(gòu)的2種具有代表性的運(yùn)行模式。1種模式是在標(biāo)準(zhǔn)WLTC 120基準(zhǔn)循環(huán)工況中的典型工作特性;另1種模式是連續(xù)充電模式，始終保持電池電量在20.0%～22.5%范圍內(nèi)。

在WLTC 120循環(huán)工況中，該策略的運(yùn)行模式是在WLTC循環(huán)的中低負(fù)荷范圍內(nèi)采用電驅(qū)動(dòng)，在循環(huán)的高負(fù)荷和超高負(fù)荷范圍采用并聯(lián)混合動(dòng)力驅(qū)動(dòng)。該策略研究表明，在市區(qū)內(nèi)局部實(shí)現(xiàn)零排放是可能的。

在達(dá)到特定預(yù)設(shè)閾值后，如達(dá)到設(shè)定車速、電池電量或其他標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，內(nèi)燃機(jī)開始起動(dòng)以完成推進(jìn)需求。隨著行駛距離（循環(huán)長(zhǎng)度）、車速和發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷的不斷提高，柴油機(jī)的觸發(fā)頻率更高，從而滿足車輛行駛過(guò)程中駕駛員的動(dòng)力需求。

2.2 行駛循環(huán)分析

鑒于即將到來(lái)的嚴(yán)苛排放法規(guī)要求，當(dāng)前研究的主要目標(biāo)是確定具有最佳燃油效率的電動(dòng)柴油動(dòng)力裝置，同時(shí)確?；緷M足截至目前尚未確定的后歐六排放標(biāo)準(zhǔn)要求，保持或改進(jìn)主要的客戶特性?？蛻籼匦猿讼耨{駛性能和舒適性等基本需求外，還包括總負(fù)荷能力、長(zhǎng)距離行駛、牽引車牽引等需求。

該新型“串聯(lián)-混聯(lián)”混合動(dòng)力推進(jìn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)針對(duì)4次WLTC 120行駛循環(huán)的運(yùn)行性能如圖13所示?？紤]到市區(qū)中心零排放區(qū)域的邊界，根據(jù)制定的控制邏輯，內(nèi)燃機(jī)僅在循環(huán)的高負(fù)荷和超高負(fù)荷范圍內(nèi)起動(dòng)。在試驗(yàn)提供的實(shí)例中，在WLTC循環(huán)工況內(nèi)不對(duì)電池進(jìn)行再充電，在第3個(gè)WLTC循環(huán)工況結(jié)束時(shí)，初始存儲(chǔ)的電能完全耗盡。結(jié)果表明，該循環(huán)的燃油耗極低，燃油耗低于百公里4.0 L。然而，更客觀的情況是實(shí)際運(yùn)行策略會(huì)表現(xiàn)得各不相同。所以，當(dāng)電池組的荷電狀態(tài)低于60%時(shí)，就應(yīng)開始為電池充電，同時(shí)確保正常輸出諸如最低轉(zhuǎn)速和最小負(fù)荷等其他發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)。

僅限于針對(duì)上述法規(guī)程序的技術(shù)評(píng)價(jià)，該方案可獲得極具吸引力和前景的結(jié)果。由于該標(biāo)準(zhǔn)驗(yàn)證循環(huán)無(wú)法描述和涵蓋輕型商用車的總體負(fù)荷循環(huán)曲線，為了更全面了解整體功能特性，研究人員對(duì)工作型線和駕駛順序進(jìn)行了深入研究。

為了研究先前列出的4種不同的主要應(yīng)用實(shí)例（分別由市區(qū)、郊區(qū)和高速等模式組成），研究人員決定更深入了解以下幾個(gè)方面：（1）僅WLTC 120循環(huán)的低速（市區(qū)）范圍;（2）郊區(qū)RDE工況區(qū)域;（3）德國(guó)汽車協(xié)會(huì)（ADAC）高速循環(huán)（BAB 120）。 圖14總結(jié)了起動(dòng)矩陣研究的基本方法并突出顯示了主要輸入特性。

為了更好地了解電動(dòng)柴油動(dòng)力裝置結(jié)構(gòu)的不同需求與挑戰(zhàn)，研究人員列出了所選行駛模式的主要特性（圖15）。一方面，所選的行駛模式包含清晰的法規(guī)需求，涵蓋官方WLTC循環(huán)及具有代表性的且具有一定挑戰(zhàn)性的RDE工況循環(huán);另一方面，研究人員研究了對(duì)滿載輕型商用車具有挑戰(zhàn)性的其他典型工作模式，如決定市區(qū)內(nèi)輕載模式的WLTC低負(fù)荷工況或針對(duì)動(dòng)態(tài)高車速高速路模式的BAB工況。

顯然，對(duì)于2種柴油混合動(dòng)力結(jié)構(gòu)的運(yùn)行策略，P2結(jié)構(gòu)中的基本柴油機(jī)可能更需要保持相當(dāng)高水平的技術(shù)定義，因?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)仍作為主要推進(jìn)單元，在一定程度上需要電輔助設(shè)備提供強(qiáng)電輔助;而“串聯(lián)-混聯(lián)”混合動(dòng)力結(jié)構(gòu)基于成本目標(biāo)考慮具有高度簡(jiǎn)化基本柴油機(jī)的潛力，因?yàn)閮H有2～4個(gè)負(fù)荷點(diǎn)需要考慮，避免了冷起動(dòng)、怠速、預(yù)熱和高瞬態(tài)機(jī)動(dòng)性等工況，而且還包含針對(duì)擴(kuò)展標(biāo)定功率工況的特定邊界。

4種不同柴油動(dòng)力裝置結(jié)構(gòu)的總能量消耗情況如圖16和圖17所示。除了原始結(jié)構(gòu)中的傳統(tǒng)柴油動(dòng)力裝置外，研究人員對(duì)比了所選擇的2種柴油混合動(dòng)力結(jié)構(gòu)的總能量消耗情況。此外，研究人員還詳細(xì)比較了經(jīng)典串聯(lián)混合動(dòng)力結(jié)構(gòu)與“串聯(lián)-混聯(lián)”結(jié)構(gòu)的總能量消耗情況。

對(duì)于有限的循環(huán)工況長(zhǎng)度，如WLTC工況，所有的電動(dòng)柴油動(dòng)力裝置都從存儲(chǔ)的電能中自動(dòng)獲益，使其能夠滿足任何企業(yè)平均燃料經(jīng)濟(jì)性（CAFE）法規(guī)要求。隨著行駛里程的增長(zhǎng)，由于不同客戶群的偏好不同（如文章開頭所述），各種結(jié)構(gòu)之間的運(yùn)行特性并不相同。由于在推進(jìn)系統(tǒng)中需要經(jīng)歷多個(gè)能量轉(zhuǎn)化階段，所以傳統(tǒng)串聯(lián)混合動(dòng)力裝置設(shè)計(jì)需要承受所有更長(zhǎng)的行駛距離。P2結(jié)構(gòu)中的1個(gè)明顯優(yōu)點(diǎn)是在所有3個(gè)循環(huán)范圍內(nèi)都具有卓越的總?cè)加秃男阅?。但是，如果運(yùn)行模式主要采用高負(fù)荷工況，“串聯(lián)-混聯(lián)”結(jié)構(gòu)會(huì)更具優(yōu)勢(shì)。由于其可實(shí)現(xiàn)與車輪的直接機(jī)械連接，因此可獲得更佳的實(shí)際燃油經(jīng)濟(jì)性。這與客戶群B的需求高度相關(guān)。如果采用牽引車牽引或是更長(zhǎng)的爬坡行駛工況，相關(guān)度則會(huì)更高。

2.3 總擁有成本評(píng)價(jià)與評(píng)估

在具備了這些關(guān)鍵輸入信息后，研究人員進(jìn)行了首次商用效率計(jì)算。為了生成首次評(píng)估及確定成本函數(shù)的敏感度，計(jì)算側(cè)重所選車輛結(jié)構(gòu)的運(yùn)行成本。研究人員針對(duì)上述2種混合動(dòng)力結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究。該矩陣研究中涵蓋的所有4種柴油動(dòng)力裝置變形結(jié)構(gòu)的運(yùn)行成本首次比較情況如圖18所示，圖中還包含了燃料與電能因不同價(jià)格水平而產(chǎn)生的影響。

盡管如此，基于先前的應(yīng)用與主要使用實(shí)例，要想進(jìn)行全面評(píng)價(jià)和綜合評(píng)價(jià)，必須考慮多種應(yīng)用場(chǎng)景。研究人員假設(shè)了1種稍作改變的行駛模式，如25%市區(qū)、10%郊區(qū)和65%高速的行駛模式。對(duì)于初始設(shè)置的價(jià)格，不同結(jié)構(gòu)的成本節(jié)約數(shù)值基本相同，百公里行駛成本約為155，而對(duì)于另1種設(shè)置價(jià)格，則百公里行駛成本約為290。在平均混合行駛模式中（即每種模式占三分之一），P2混合動(dòng)力結(jié)構(gòu)的最終成本節(jié)約百公里值約為170。在初始價(jià)格邊界下，“串聯(lián)-混聯(lián)”結(jié)構(gòu)的成本百公里節(jié)約值約為140。在另1種價(jià)格條件下（柴油150/L，電能0.23/（kW·h）），P2結(jié)構(gòu)的價(jià)格由百公里300變化至百公里340。

P2混合動(dòng)力結(jié)構(gòu)與“串聯(lián)-混聯(lián)”混合動(dòng)力結(jié)構(gòu)分別在市區(qū)與高速模式下獲得的成本節(jié)約值基本相當(dāng)，但是各自的等級(jí)不同。在市區(qū)模式下，成本節(jié)約值為百公里215，針對(duì)第2種價(jià)格設(shè)置節(jié)約值為百公里505（燃料價(jià)格較高，電能價(jià)格較低）;在高速模式下，成本節(jié)約值為百公里135。針對(duì)第2種價(jià)格設(shè)置節(jié)約值為百公里215。

3 結(jié)論

鑒于未來(lái)嚴(yán)格的排放法規(guī)要求，研究人員提出了1種電動(dòng)柴油動(dòng)力裝置結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)適用于輕型商用車領(lǐng)域絕大多數(shù)客戶的潛在需求，一方面能夠改善市區(qū)空氣質(zhì)量，另一方面能夠滿足客戶群的主要需求。FEV公司通過(guò)先進(jìn)工程項(xiàng)目研究了這種動(dòng)力裝置結(jié)構(gòu)的潛力。先進(jìn)工程項(xiàng)目涵蓋多種車輛推進(jìn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)研究，為指導(dǎo)進(jìn)一步研究，研究人員還對(duì)各種結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了識(shí)別和確定。本文介紹了不同動(dòng)力裝置結(jié)構(gòu)的主要概念設(shè)計(jì)、系統(tǒng)參數(shù)、零部件結(jié)構(gòu)、運(yùn)行策略，以及良好的首次仿真結(jié)果。在可供選擇的車輛范圍內(nèi)，研究人員選用了大型運(yùn)輸箱式貨車車型，根據(jù)參數(shù)和應(yīng)用的側(cè)重點(diǎn)，為該車型提供了P2和“串聯(lián)-混聯(lián)”2種柴油混合動(dòng)力裝置。這2種混合動(dòng)力裝置采用了僅有微小差別的配置基本相同的基本柴油機(jī)結(jié)構(gòu)。通過(guò)進(jìn)一步分析，研究人員在試驗(yàn)結(jié)果中發(fā)現(xiàn)了這2種結(jié)構(gòu)的主要差別，即由于柴油機(jī)仍被用作主要推進(jìn)單元，并且原則上需要覆蓋所有工況范圍，包括冷起動(dòng)、輕負(fù)荷工況、高動(dòng)力性和全負(fù)荷工況，所以P2結(jié)構(gòu)很可能是強(qiáng)制保持了具有高技術(shù)水平的基本柴油機(jī)。當(dāng)然，如果要求基本發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行高度模塊化，且考慮到傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)在全球的廣泛使用，而最終僅生產(chǎn)較少量的電動(dòng)動(dòng)力裝置，該方法是具有優(yōu)勢(shì)的?！按?lián)-混聯(lián)”柴油混合動(dòng)力裝置可將發(fā)動(dòng)機(jī)工況限制在2～4個(gè)關(guān)鍵運(yùn)行模式內(nèi)，能夠降低包括排氣后處理在內(nèi)的發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)復(fù)雜度，以及進(jìn)一步提高基本發(fā)動(dòng)機(jī)的效率，從而向?qū)I(yè)化的柴油混合動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)方向發(fā)展。采用這種方法，可在一定程度上抵消電氣化設(shè)備帶來(lái)的高附加成本?；谶@種策略，研究人員開發(fā)了另1款基本發(fā)動(dòng)機(jī)。該發(fā)動(dòng)機(jī)僅用于電動(dòng)變形機(jī)用途，且僅在較大生產(chǎn)量時(shí)具備價(jià)值。

[1]Council of the EU. Stricter CO2 emission standards for cars and vans signed off by the council[OL].https：//www.consilium.europa.eu/en/press/press-releases/2019/04/15/stricter-co2-emission-standards-for-cars-and-vans-signedoff-by-the-council/.

[2]European Environment Agency. Average CO2 emissions from newly registered motor vehicles[OL].https：//www.eea.europa.eu/data-and-maps/indicators/average-co2-emissionsfrom-motor-vehicles/assessment-1#：～：text=The%20average%20carbon%20dioxide%20（CO，of%20CO%202%20per%20kilometre.

[3]European Environment Agency. Monitoring CO2 emissions from passenger cars and vans in 2018[R]. EEA Report，2020，2.

[4]SCHAUB J， EHRLY M， VOGT K， et al. Tailored electrification of diesel PHEV powertrains for post 2020 LCV applications[C]. 5th International Conference Diesel Powertrains 3.0，2019.

[5]SCHAUB J， VOGT K， KOTER M， et al. Diesel hybrid powertrains-enabling lowest emissions， minimum CO2 and fun-to-drive[C]. 5th International Engine Congress， 2018.

[6]SCHAUB J， PIEPER M， KLOPSTEIN M， et al. Electrified efficiency – diesel hybrid powertrain concepts for light commercial vehicles[C]. 7th International Engine Congress， 2020.

[7]SEIBEL J， PISCHINGER S. Abschlussbericht zum vorhaben untersuchung zur optimierten auslegung von ottomotoren in hybrid-antriebsstrangen[C]. FVV Frühjahrstagung 2007，Informationstagung Motoren， 2007.

[8]BALAZS A. Optimierte auslegung von ottomotorischen hybridantriebsstrangen unter realen fahrbedingungen[D]. Ph.D. Thesis， Faculty of Mechanical Engineering， Institute for Combustion Engines， RWTH Aachen University， 2015.

[9]BLANCO-RODRQUEZ D， VAGNONI G， AKTAS S， et al. Modellbasiertes werkzeug für die emissionskalibrierung moderner diesel-antriebsstrange[J]. MTZ （10）， 2016.