輕型越野車P2混合動力構(gòu)型研究

孫國慶，李良波，施胡濱，劉剛

摘? 要：混合動力技術(shù)是當前越野車領(lǐng)域的重要發(fā)展方向。論文根據(jù)某輕型越野車設(shè)計需求，基于對各混合動力構(gòu)型的分析，提出了適合該輕型越野車的P2路線。針對該型P2混合動力越野車，首先根據(jù)車輛功能要求及P2構(gòu)型特點，定義整車功能;根據(jù)整車功能需求，通過理論計算初步選定動力系統(tǒng)參數(shù)，然后利用AVL Cruise & Matlab/simulink進行了整車動力性經(jīng)濟性聯(lián)合仿真，最終達成整車動力性經(jīng)濟性設(shè)計指標。論文對越野車混合動力構(gòu)型開發(fā)具有一定的指導作用。

關(guān)鍵詞：越野車;混合動力;P2;AVL Cruise

中圖分類號：U462.2? ? ?文獻標識碼：A? ? ?文章編號：1005-2550（2021）04-0070-05

Researched on P2 hybrid configuration of light Off-road Vehicle

SUN Guo-Qing， LI Liang-bo， SHI Hu-bin， LIU Gang

（Dongfeng off-road vehicle Co.， Ltd， Wuhan 430058， China ）

Abstract： The hybrid technology is an important development direction in the field of off-road vehicle at present. According to the design requirements of a light off-road vehicle， based on the analysis of the current hybrid technology route， the paper proposed P2 configuration which is suitable for the light off-road vehicle. To the P2 hybrid light off-road vehicle， firstly， the whole vehicle function is defined according to the vehicle function requirements and P2 configuration characteristics; according to the vehicle function requirements， the powertrain parameters are preliminarily selected through theoretical calculation， and then the vehicle dynamic and economic joint simulation is carried out by using AVL Cruise & Matlab / Simulink， the vehicle power and economy design index is achieved Finally. This paper has a certain guiding role on the development of hybrid vehicle configuration.

1? ? 概述

隨著國家油耗、排放法規(guī)的不斷升級及國家能源戰(zhàn)略方向的引導，新能源汽車得到了快速發(fā)展。在純電動技術(shù)尚未取得重大突破之前，混合動力系統(tǒng)逐漸成為各大汽車公司重點發(fā)展的技術(shù)方案。越野車工作環(huán)境惡劣，工況復雜，對動力性要求高;而主要適用于普通民用車輛的油耗法規(guī)則是民用越野車發(fā)展的一大技術(shù)難題。在傳統(tǒng)發(fā)動機技術(shù)難以取得突破的情況下，混合動力技術(shù)是解決民用越野車油耗問題的一條重要途徑。

某輕型越野車為4×4全時四驅(qū)民用車輛，整車設(shè)計指標如下：

（1）最高車速Vamax≥140km/h;

（2）最大爬坡度tanαmax≥60%;

（3）0～100 km/h 加速時間t≤18s。

（4）車輛最大設(shè)計總質(zhì)量5.6t。根據(jù)對重型商用車四階段油耗限值法規(guī)的預測，同時考慮一定的余量，要求滿足C-WTVC循環(huán)工況油耗≤11L/100km。

基于對該輕型越野車傳統(tǒng)動力車型的動力性經(jīng)濟性研究，確定在現(xiàn)有整車邊界條件下無法達成油耗限值要求，整車考慮采用混合動力路線。

2? ? 混合動力構(gòu)型分析

混合動力汽車有多種分類方式。按動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式劃分，可分為串聯(lián)式、并聯(lián)式、混聯(lián)式三類;按照是否外接充電可分為插電式和非插電式;按照混合度劃分，可分為微混、輕混、中混、重混等形式……按可再充電能量存儲系統(tǒng)類型、技術(shù)特征、燃料類型、功能結(jié)構(gòu)和車輛用途等，還有其它劃分方式[1]。當前，行業(yè)內(nèi)應(yīng)用最廣泛的是按動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式分類。

2.1? ?串聯(lián)式

串聯(lián)式混合動力的最主要特點是發(fā)動機不直接參與驅(qū)動，只驅(qū)動發(fā)電機發(fā)電，電機是唯一驅(qū)動源，串聯(lián)式構(gòu)型如圖1所示。串聯(lián)式優(yōu)點如下：1.發(fā)動機不直接與機械系統(tǒng)相連，發(fā)動機的工作狀態(tài)相對獨立，由此可將發(fā)動機設(shè)定于最佳效率點工作;2.在電量保持模式下主要由發(fā)動機驅(qū)動，當需求功率較小時發(fā)動機關(guān)閉，由動力電池提供電能，這樣可避免發(fā)動機的工作點波動，保證發(fā)動機工作于最佳效率點。但串聯(lián)式也有其劣勢：1.發(fā)動機沒有直接參與驅(qū)動，所以在機械能-電能-機械能的轉(zhuǎn)換過程中，會有功率損失，在高速行駛時，油耗會偏高;2.由于驅(qū)動電機要滿足所有的動力性要求，電機的功率、體積會偏大。

串聯(lián)式的應(yīng)用主要集中在市區(qū)工況比較多的乘用車和客車。典型代表車型有：日產(chǎn)E-Power;雪佛蘭VOLT;BMWi3增程版;廣汽傳祺GA5增程版;理想one等。

2.2? ?并聯(lián)式

并聯(lián)式混合動力根據(jù)電機位置的不同，又分為P0、P1、P2、P2.5、P3、P4等構(gòu)型（P， Parallel，并聯(lián)式），如圖2所示，P0～P4用來區(qū)分各種有變速箱的并聯(lián)混動構(gòu)型。并聯(lián)式混合動力大量成熟產(chǎn)品已經(jīng)投放市場，歐系企業(yè)應(yīng)用較多，總體上依賴成熟的自動變速箱技術(shù)，易于平臺化，但由于軸向空間的問題，前驅(qū)車型挑戰(zhàn)大。

P0：電機位于發(fā)動機前端輪系上。P0一般只應(yīng)用于自動啟停系統(tǒng)，以及12-25V微混和48V弱混。

P1：電機位于發(fā)動機曲軸上。電機固連在了發(fā)動機上，電機不能單獨驅(qū)動。在制動能量回收和滑行模式下，也因為必須帶動曲軸空轉(zhuǎn)而浪費能量并增加噪音和振動。P1沒有純電行駛模式，不適用于強混系統(tǒng)。

P2：電機位于發(fā)動機與變速箱之間，位于離合器之后。電機與發(fā)動機之間有離合器，因此可以單獨驅(qū)動;在制動能量回收時也可以切斷與發(fā)動機的連接;同時還能與現(xiàn)有的變速箱很好的集成。因此P2是目前市面混動車型采用最多的模式。

P2.5：電機集成于變速箱內(nèi)部，功能同P2類似。電機可布置在變速箱側(cè)面，軸向尺寸容易控制，但徑向尺寸會增加。電機扭矩不受變速箱輸入軸扭矩限制，但控制較為復雜。P2.5應(yīng)用不多，主要應(yīng)用在本田、比亞迪等車型上。

P3：電機位于變速箱輸出端。因為電機必須與車軸相連，因此電機無法用于啟動發(fā)動機;且發(fā)動機扭矩經(jīng)變速器放大后，為了保證發(fā)動機/電機的扭矩比，電機需要輸出的扭矩就非常大，因此它的尺寸、重量就會增加。P3全球量產(chǎn)只有比亞迪秦2014款，比亞迪現(xiàn)已放棄P3構(gòu)型。

P4：電機放在后橋上，另外輪邊驅(qū)動也叫P4。P4布局最大的特點是，電機與發(fā)動機不驅(qū)動同一軸，這意味著：1.車輛可以實現(xiàn)四驅(qū);2.電機與發(fā)動機實際上是通過地面耦合，在車輛內(nèi)部不存在任何機械連接。P4大多應(yīng)用于各種插電混動或者是弱混模式。

2.3? ?混聯(lián)式

混聯(lián)式混合動力兼有串聯(lián)、并聯(lián)的特點，主要有功率分流式（PS，Power Split）及雙電機串/并聯(lián)式（P/S）。目前，業(yè)內(nèi)主流觀點認為最好的混合動力技術(shù)是PS技術(shù)，豐田的THS技術(shù)、通用汽車的Voltec等采用此種技術(shù)模式。但受限于豐田將單行星排、雙電機系統(tǒng)申請了專利;通用汽車將雙行星排、雙電機系統(tǒng)申請了專利;凱迪拉克將三行星排、雙電機電驅(qū)動系統(tǒng)申請了專利，其它企業(yè)能夠介入PS技術(shù)的產(chǎn)品不多。

雙電機串/并聯(lián)構(gòu)型（P/S）動力性一般，經(jīng)濟性較好（發(fā)動機需針對性優(yōu)化），平順性較好;機械系統(tǒng)簡單，容易集成，相對容易平臺化，可以方便的實現(xiàn)HEV、PHEV間的傳動系統(tǒng)共享。但雙電機系統(tǒng)成本高，效率低，NVH挑戰(zhàn)大，總體處于驗證中。本田的i-MMD系統(tǒng)是其典型代表，國內(nèi)代表車型有上汽榮威e550;長安CS75 PHEV等。

3? ? P2構(gòu)型的提出

越野車特別是硬派越野車，由于其行駛地域的特殊性，插電混動對其意義不大，常用油電混動即非插電式實現(xiàn)改善車輛動力性經(jīng)濟性的目的。由于其前置四驅(qū)特性，考慮到車輛軸向布置空間，串/并聯(lián)雙電機布置形式難以實現(xiàn);同時功率分流式又受制于部分企業(yè)的技術(shù)壟斷，故混聯(lián)式混合動力在越野車上應(yīng)用困難。

串聯(lián)式四驅(qū)越野車主要形式有橋電機、輪邊驅(qū)動、輪轂電機等形式。橋電機對于前置四驅(qū)越野車前橋總布置有很大挑戰(zhàn)，目前應(yīng)用很少;輪邊驅(qū)動、輪轂電機技術(shù)尚不成熟，輪邊驅(qū)動少量應(yīng)用在客車上;輪轂電機的簧下質(zhì)量是困擾其發(fā)展的技術(shù)難題，但因為其整體優(yōu)越的性能，在軍用越野車上得到重視，但多數(shù)處于技術(shù)預研階段。

并聯(lián)式混合動力構(gòu)型動力性好，同時兼顧經(jīng)濟性，并聯(lián)式構(gòu)型在越野車上有很好的應(yīng)用前景。各混合動力構(gòu)型動力性經(jīng)濟性對比如表1所述：

基于以上對各混動構(gòu)型的分析，綜合考慮成本、現(xiàn)有供應(yīng)商資源等否決項因素，該輕型越野車混合動力方案優(yōu)選基于AT的P2構(gòu)型。

4? ? 整車動力性經(jīng)濟性仿真

4.1? ?整車功能概述

基于AT的P2混動變速箱開發(fā)思路如圖6所示?？紤]到發(fā)動機的扭轉(zhuǎn)振動對底盤的沖擊，發(fā)動機飛輪端需加扭轉(zhuǎn)減振器來衰減振動。

該輕型P2構(gòu)型越野車功能需求如下：常規(guī)行駛時，由發(fā)動機提供能量;急加速或車輛有較大扭矩需求時，由發(fā)動機、電機共同驅(qū)動;低速、怠速行駛時，進入純電模式。由此，可初步計算動力系統(tǒng)參數(shù)。

4.2? ?動力系統(tǒng)初步選型

通過理論計算[2-5]，初步選定的發(fā)動機、電機、動力電池等主要參數(shù)如表2所示：

4.3? ?整車動力性經(jīng)濟性仿真

用AVL Cruise軟件建立P2混動越野車動力性經(jīng)濟性仿真模型，用Matlab/simulink模塊設(shè)置仿真控制策略，根據(jù)《GB/T 19752-2005 混合動力電動汽車動力性能試驗方法》[6]及《GB/T 19754 -2015 重型混合動力電動汽車能量消耗量試驗方法》[7]設(shè)置動力性經(jīng)濟性計算任務(wù)?；贏VL Cruise與Matlab/simulink的DLL接口或API接口，開展AVL Cruise & Matlab/simulink聯(lián)合仿真。

反復優(yōu)化控制策略，使發(fā)動機和電機工況點盡可能處于高效區(qū)。同時根據(jù)《GB/T 19754-2015 重型混合動力電動汽車能量消耗量試驗方法》規(guī)定，使動力電池的SOC平衡誤差處于規(guī)定范圍內(nèi)，仿真結(jié)果如表3所示。由表3可知，動力性經(jīng)濟性各項指標均達標，仿真結(jié)果證實了P2構(gòu)型選擇的合理性。

5? ? 結(jié)束語

論文基于某輕型越野車設(shè)計需求，分析了混合動力各構(gòu)型特點，提出了適合某輕型越野車的P2構(gòu)型。論文定義了P2混動越野車的功能模式，通過理論計算初步選定了動力系統(tǒng)參數(shù)，并基于AVL Cruise & Matlab/simulink軟件開展了動力性經(jīng)濟性仿真。仿真結(jié)果表明，P2構(gòu)型能滿足該型越野車整車動力性經(jīng)濟性指標。論文對輕越野車混合動力構(gòu)型開發(fā)具有一定的指導作用。

參考文獻：

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[5]孫國慶，孟建軍，葉建偉等.基于Cruise的越野車動力匹配技術(shù)研究[J].汽車科技，2018（5）：29-33.

[6]GB/T 19752-2005 混合動力電動汽車動力性能試驗方法.

[7]GB/T 19754-2015 重型混合動力電動汽車能量消耗量試驗方法.

孫國慶

畢業(yè)于天津大學，碩士研究生，現(xiàn)就職于東風越野車有限公司，任整車產(chǎn)品定義及性能集成主管工程師，主要研究整車動力性經(jīng)濟性開發(fā)，已發(fā)表論文2篇。