縱置P2構(gòu)型混合動(dòng)力系統(tǒng)技術(shù)研究

胡志林　張昶　李坤遠(yuǎn)　付磊

【摘要】P2混合動(dòng)力系統(tǒng)是傳統(tǒng)縱置車型實(shí)現(xiàn)電氣化的一個(gè)主流技術(shù)方案，具有低油耗和續(xù)駛里程長(zhǎng)的優(yōu)點(diǎn)。本文結(jié)合整車仿真分析和整車工況大數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，對(duì)P2混合動(dòng)力系統(tǒng)工作特點(diǎn)和不同駕駛工況下的節(jié)油效果進(jìn)行對(duì)比，為P2混合動(dòng)力系統(tǒng)開(kāi)發(fā)提供參考。P2混合動(dòng)力汽車節(jié)油率與用戶實(shí)際行駛路況密切相關(guān)，在城市擁堵路況下具有明顯節(jié)油優(yōu)勢(shì)，但P2混合動(dòng)力系統(tǒng)成本較高，在用戶使用成本層面并不占有優(yōu)勢(shì)。

關(guān)鍵詞：混合動(dòng)力汽車；縱置構(gòu)型；P2構(gòu)型

中圖分類號(hào)：U464.12+3? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? DOI： 10.19822/j.cnki.1671-6329.20220301

Research on Technologies of Longitudinal P2 Hybrid Power System

Hu Zhilin， Zhang Chang， Li Kunyuan， Fu Lei

（Global R&D Center， China FAW Corporation Limited， Changchun 130013）

【Abstract】 The P2 hybrid system is a mainstream technical solution to realize eletrifcation for traditional longitudinal vehicles， with the advantages of low fuel consumption and long driving range. This paper combines the vehicle simulation analysis and big data statistics of different vehicle working conditions to compare the working characteristics of the P2 hybrid system and the fuel saving effect under different driving conditions so as to provide some references for the development of P2 hybrid system. The fuel efficiency of P2 hybrid vehicles is closely related to the actual driving conditions of users compared to traditional fuel vehicles， and has obvious fuel saving advantages in urban congested road conditions. However， the P2 hybrid system has a higher cost and does not have an advantage in terms of user usage cost.

Key words： Hybrid power system， Longitudinal configuration， P2 Configuration

0 引言

近年來(lái)，伴隨著國(guó)家低碳節(jié)能技術(shù)路線的提出，我國(guó)傳統(tǒng)汽車產(chǎn)業(yè)面臨著技術(shù)升級(jí)和轉(zhuǎn)型的壓力。大力發(fā)展新能源汽車是我國(guó)從汽車大國(guó)邁向汽車強(qiáng)國(guó)的必由之路，也是應(yīng)對(duì)氣候變化、推動(dòng)綠色發(fā)展的戰(zhàn)略舉措。但電動(dòng)汽車存在冬季續(xù)駛里程短、充電慢和成本高的限制條件，短期內(nèi)還不能完全取代傳統(tǒng)燃油汽車?；旌蟿?dòng)力汽車是介于傳統(tǒng)燃油汽車和電動(dòng)汽車之間的技術(shù)路線，可在傳統(tǒng)燃油汽車的基礎(chǔ)上，不需要經(jīng)過(guò)較大的改動(dòng)，實(shí)現(xiàn)整車節(jié)油的目的，同時(shí)保留傳統(tǒng)燃油汽車加油便利、續(xù)駛里程長(zhǎng)的優(yōu)點(diǎn)[1]。在《節(jié)能與新能源汽車技術(shù)路線圖2.0》中提到，到2035年傳統(tǒng)能源動(dòng)力乘用車將全部轉(zhuǎn)變?yōu)榛旌蟿?dòng)力汽車，而新能源汽車將成為主流[2]。

本文將從P2構(gòu)型混合動(dòng)力系統(tǒng)原理方面，闡述其相對(duì)于傳統(tǒng)燃油汽車動(dòng)力系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)，結(jié)合整車大數(shù)據(jù)工況，對(duì)不同城市駕駛工況下的P2動(dòng)力系統(tǒng)節(jié)油效果進(jìn)行仿真分析，綜合對(duì)比P2混合動(dòng)力汽車與傳統(tǒng)燃油汽車用戶實(shí)際使用油耗，為P2混合動(dòng)力系統(tǒng)開(kāi)發(fā)提供參考。

1 混合動(dòng)力系統(tǒng)構(gòu)型概述

混合動(dòng)力系統(tǒng)構(gòu)型基于電機(jī)的布置位置差異，可分為P0、P1、P2、P3和P4方案，如圖1所示。

1.1 P0與P1構(gòu)型方案

P0與P1構(gòu)型方案主要應(yīng)用于48 V動(dòng)力系統(tǒng)，在發(fā)動(dòng)機(jī)前端或后端增加48 V電機(jī)，實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)起停控制和制動(dòng)能量回收的功能。該方案成本較低，對(duì)傳統(tǒng)燃油汽車改動(dòng)較小，綜合性價(jià)比較高[3]。P0電機(jī)通過(guò)傳動(dòng)帶在發(fā)動(dòng)機(jī)前端與發(fā)動(dòng)機(jī)輸入軸相連，受限于帶傳動(dòng)的可靠性，P0電機(jī)的功率等級(jí)一般在10～15 kW。P1電機(jī)布置在發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出軸端，一般通過(guò)齒輪連接，相對(duì)于P0電機(jī)的功率等級(jí)更高，一般可達(dá)到15～30 kW。

1.2 P2構(gòu)型方案

P2構(gòu)型方案電機(jī)布置于發(fā)動(dòng)機(jī)與變速器之間，且在電機(jī)與發(fā)動(dòng)機(jī)之間增加一個(gè)分離離合器C0，可實(shí)現(xiàn)P2電機(jī)與發(fā)動(dòng)機(jī)脫開(kāi)。相對(duì)于P0與P1構(gòu)型，增加了純電驅(qū)動(dòng)功能，同時(shí)在制動(dòng)或滑行能量回收過(guò)程中，脫開(kāi)發(fā)動(dòng)機(jī)，減少發(fā)動(dòng)機(jī)反拖損失，提升系統(tǒng)能量回收效率。該構(gòu)型方案發(fā)動(dòng)機(jī)與電機(jī)同軸布置，動(dòng)力系統(tǒng)軸向尺寸增加明顯，常應(yīng)用于縱置后驅(qū)車型中[4-6]。

1.3 P3構(gòu)型方案

P3構(gòu)型方案電機(jī)集成在變速器的輸出軸上，可減少電機(jī)到車輪端的傳遞損失，提升電機(jī)純電驅(qū)動(dòng)、制動(dòng)能量回收的效率。但由于電機(jī)不能與發(fā)動(dòng)機(jī)相連，所以P3電機(jī)不具備起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)的功能，一般采用雙電機(jī)構(gòu)型，即P0/P1+P3方案。由于采用雙電機(jī)系統(tǒng)，P3構(gòu)型方案的成本相對(duì)較高，并且驅(qū)動(dòng)電機(jī)集成在變速器輸出軸上，對(duì)動(dòng)力系統(tǒng)集成和變速器控制要求較高[3]。

1.4 P4構(gòu)型方案

P4構(gòu)型一般是在車輛后軸上增加一個(gè)電驅(qū)動(dòng)橋，該方案一般也采用雙電機(jī)構(gòu)型，即P0/P1+P4方案。相對(duì)于P3構(gòu)型，電機(jī)與輪端動(dòng)力傳遞鏈更短，可進(jìn)一步提升電機(jī)驅(qū)動(dòng)和能量回收的效率。另外電機(jī)后驅(qū)系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)整車四驅(qū)功能。但P4電機(jī)集成在整車后驅(qū)動(dòng)橋上，需要增加額外的減速器，導(dǎo)致系統(tǒng)成本較高[6-8]。

2 P2構(gòu)型工作模式分析

P2混合動(dòng)力系統(tǒng)主要工作模式可實(shí)現(xiàn)停車停機(jī)、純電驅(qū)動(dòng)、行車發(fā)電、發(fā)動(dòng)機(jī)直驅(qū)、并聯(lián)助力和制動(dòng)能量回收，下面針對(duì)于各工作模式進(jìn)行分析。

2.1 停車停機(jī)模式

圖2所示為P2混動(dòng)系統(tǒng)停車停機(jī)模式示意。在城市路面行駛過(guò)程中停車時(shí)可對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行停機(jī)，相對(duì)于傳統(tǒng)燃油汽車減少怠速消耗和怠速排放。當(dāng)駕駛員有起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)需求時(shí)，可通過(guò)P2電機(jī)拖動(dòng)快速起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，獲得更好的駕乘體驗(yàn)。

2.2 純電驅(qū)動(dòng)模式

由于P2混合動(dòng)力系統(tǒng)的電機(jī)與發(fā)動(dòng)機(jī)之間加裝有分離離合器C0，可實(shí)現(xiàn)整車純電驅(qū)動(dòng)功能。尤其適用于城市低速、小負(fù)荷工況，避免發(fā)動(dòng)機(jī)頻繁起動(dòng)，提升系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)效率，同時(shí)改善整車駕乘舒適性。工作模式示意見(jiàn)圖3。

2.3 行車發(fā)電模式

當(dāng)整車電池電量較低或車速較高，不能采用P2電機(jī)進(jìn)行純電驅(qū)動(dòng)的情況下，動(dòng)力系統(tǒng)采用發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，如果發(fā)動(dòng)機(jī)需求扭矩較小，可通過(guò)P2電機(jī)發(fā)電來(lái)提升發(fā)動(dòng)機(jī)的工作負(fù)荷，改善驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)效率。此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)能量同時(shí)用于驅(qū)動(dòng)車輪和發(fā)電，工作模式示意見(jiàn)圖4。

2.4 發(fā)動(dòng)機(jī)直驅(qū)模式

當(dāng)動(dòng)力系統(tǒng)采用發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)時(shí)，如果發(fā)動(dòng)機(jī)需求扭矩相對(duì)較高，發(fā)動(dòng)機(jī)效率較高，此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)能量直接用于驅(qū)動(dòng)車輪，以發(fā)揮系統(tǒng)最優(yōu)的綜合效率。該工作模式與傳統(tǒng)燃油汽車驅(qū)動(dòng)方式相同，常應(yīng)用于整車中高速巡航或小負(fù)荷加速過(guò)程，工作模式示意見(jiàn)圖5。

2.5 并聯(lián)助力模式

當(dāng)駕駛員有較大的動(dòng)力需求時(shí)，如大負(fù)荷加速或中高速爬坡工況，常采用并聯(lián)助力模式，此時(shí)利用動(dòng)力電池的電能驅(qū)動(dòng)P2電機(jī)，電機(jī)與發(fā)動(dòng)機(jī)同時(shí)作為整車動(dòng)力源驅(qū)動(dòng)車輪，以獲得強(qiáng)勁的整車動(dòng)力性響應(yīng)，工作模式示意見(jiàn)圖6。

2.6 制動(dòng)能量回收模式

當(dāng)整車處于滑行和制動(dòng)工況時(shí)，P2電機(jī)可作為發(fā)電機(jī)工作，將車輪端傳遞的制動(dòng)能量轉(zhuǎn)化為電能儲(chǔ)存在動(dòng)力電池中，實(shí)現(xiàn)能量回收的目的，提升系統(tǒng)能量利用效率，工作模式示意見(jiàn)圖7。

2.7 市場(chǎng)應(yīng)用案例

P2混合動(dòng)力系統(tǒng)由于對(duì)傳統(tǒng)燃油汽車改動(dòng)較小，節(jié)油效果顯著，較早地被國(guó)內(nèi)外汽車企業(yè)作為從燃油車向深度混合動(dòng)力系統(tǒng)轉(zhuǎn)化的主流技術(shù)方案進(jìn)行研究。由于該混合動(dòng)力系統(tǒng)電機(jī)與發(fā)動(dòng)機(jī)同軸布置，增加動(dòng)力系統(tǒng)軸向尺寸，主要應(yīng)用于縱置車型中。從圖8可以看出，目前P2混合動(dòng)力系統(tǒng)主要應(yīng)用于大軸距豪華品牌車型，寶馬、奔馳、奧迪、保時(shí)捷均采用P2混合動(dòng)系統(tǒng)作為旗下豪華縱置車型混合動(dòng)力化的主流技術(shù)，突出強(qiáng)勁動(dòng)力性能，根據(jù)廠家公布的數(shù)據(jù)顯示，整車從0～100 km/h的加速時(shí)間分布在4～7 s之間。

3 P2混合動(dòng)力系統(tǒng)節(jié)油效果分析

3.1 發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行工況對(duì)比

針對(duì)于GB 18352.6—2016附件CA所述的世界輕型汽車測(cè)試循環(huán)（World Light Vehicle Test Cycle，WLTC），通過(guò)仿真軟件對(duì)P2混合動(dòng)力汽車與傳統(tǒng)燃油汽車運(yùn)行工況進(jìn)行對(duì)比分析。

圖9所示為P2混合動(dòng)力系統(tǒng)車型與傳統(tǒng)燃油汽車發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行工況對(duì)比，可以看出P2混合動(dòng)力系統(tǒng)相對(duì)于傳統(tǒng)燃油汽車增加了發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行工況點(diǎn)調(diào)節(jié)的功能。在發(fā)動(dòng)機(jī)低負(fù)荷需求下，通過(guò)行車發(fā)電提升發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行負(fù)荷。在發(fā)動(dòng)機(jī)高負(fù)荷需求下，通過(guò)并聯(lián)助力降低發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行負(fù)荷，改善發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行燃油經(jīng)濟(jì)性。

仿真分析結(jié)果表明，P2混合動(dòng)力系統(tǒng)相對(duì)于傳統(tǒng)燃油汽車在法規(guī)工況下節(jié)油約20%，如圖10所示。整車節(jié)油主要通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)工況轉(zhuǎn)移、制動(dòng)能量回收和怠速停機(jī)技術(shù)實(shí)現(xiàn)。

3.2 循環(huán)工況油耗對(duì)比

根據(jù)大數(shù)據(jù)對(duì)全國(guó)城市路況進(jìn)行采集，統(tǒng)計(jì)出用戶實(shí)際駕駛工況特性參數(shù)，分別設(shè)定城市嚴(yán)重?fù)矶隆⒊鞘幸话銚矶?、城市常?guī)出行和城市高速綜合工況，分析P2混動(dòng)系統(tǒng)相對(duì)于傳統(tǒng)燃油汽車在實(shí)際用戶工況的節(jié)油效果。

不同用戶駕駛工況特征參數(shù)如表1所示，分別代表著城市不同路況的典型特征。

針對(duì)于不同整車行駛工況，進(jìn)行仿真分析。傳統(tǒng)燃油汽車城市行駛工況與WLTC法規(guī)工況整車油耗對(duì)比如圖11所示。從圖11可以看出，傳統(tǒng)燃油汽車在城市實(shí)際路況油耗受道路擁堵程度影響較大，在嚴(yán)重?fù)矶侣窙r下，實(shí)際用戶油耗較WLTC法規(guī)油耗高223%，在常規(guī)出行工況，實(shí)際路況油耗較WLTC法規(guī)油耗高30%，高速綜合工況兩者基本相當(dāng)。

圖12為P2混合動(dòng)力汽車在不同整車運(yùn)行工況下的油耗對(duì)比。從圖12可以看出P2混合動(dòng)力汽車在城市實(shí)際路況油耗受道路路況的影響程度相對(duì)于傳統(tǒng)燃油汽車要小。在嚴(yán)重?fù)矶侣窙r下，實(shí)際用戶油耗較WLTC法規(guī)油耗高75%。在常規(guī)出行工況，實(shí)際路況油耗較WLTC法規(guī)油耗高10%，而高速綜合工況兩者基本相當(dāng)。

P2混合動(dòng)力汽車相對(duì)于傳統(tǒng)燃油汽車在不同城市實(shí)際道路工況下的節(jié)油率如圖13所示。

從圖13可以看出，P2混合動(dòng)力汽車相對(duì)于傳統(tǒng)燃油汽車節(jié)油率與用戶實(shí)際行駛路況密切相關(guān)，在高速綜合工況節(jié)油率較小，但在擁堵工況下，節(jié)油比率大幅提升，尤其在嚴(yán)重?fù)矶鹿r下，P2混合動(dòng)力汽車相對(duì)于傳統(tǒng)燃油汽車可節(jié)油54%，對(duì)于日常行駛路況較為擁堵的用戶，選擇P2混合動(dòng)力汽車出行可實(shí)現(xiàn)較為明顯的節(jié)油效果。

4 P2混合動(dòng)力系統(tǒng)成本分析

4.1 成本增加

由于P2混合動(dòng)力系統(tǒng)相對(duì)于傳統(tǒng)燃油車，增加了P2電機(jī)、動(dòng)力電池、高壓器件和高壓線束，導(dǎo)致成本增加。根據(jù)估算，P2混合動(dòng)力汽車相對(duì)于傳統(tǒng)燃油車整車成本增加10%左右。

4.2 成本回收周期估算

以本文中采用的基礎(chǔ)車型為例，假設(shè)采用P2混合動(dòng)力系統(tǒng)，整車市場(chǎng)售價(jià)增加4萬(wàn)元，按照用戶常規(guī)出行工況進(jìn)行核算，P2混合動(dòng)力汽車相較于傳統(tǒng)燃油車節(jié)油28%，燃油價(jià)格按照9.0 元/L計(jì)算，可推算出P2混合動(dòng)力系統(tǒng)的成本回收周期，如圖14所示。

從圖14可以看出，如果用戶日均行駛里程在30 km以下，10年內(nèi)無(wú)法實(shí)現(xiàn)P2混合動(dòng)力系統(tǒng)的成本回收；如果用戶日均行駛里程為60 km，對(duì)應(yīng)的成本回收周期為77個(gè)月。可見(jiàn)對(duì)于一般用戶來(lái)說(shuō)，P2混合動(dòng)力系統(tǒng)從用戶使用成本上并不占有優(yōu)勢(shì)，但P2混合動(dòng)力系統(tǒng)帶來(lái)的動(dòng)力性提升、電驅(qū)動(dòng)體驗(yàn)以及電動(dòng)附屬件的加裝等方面的優(yōu)勢(shì)是傳統(tǒng)燃油汽車無(wú)法比擬的。

5 結(jié)束語(yǔ)

（1）P2混合動(dòng)力系統(tǒng)作為傳統(tǒng)縱置車型實(shí)現(xiàn)電氣化的一個(gè)主流技術(shù)手段，結(jié)構(gòu)布置改動(dòng)較小，相對(duì)于傳統(tǒng)燃油汽車增加了純電驅(qū)動(dòng)、制動(dòng)能量回收和停車停機(jī)等工況，結(jié)合發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行工況點(diǎn)調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)整車法規(guī)工況20%的節(jié)油效果。

（2）目前P2混合動(dòng)力系統(tǒng)主要應(yīng)用于大軸距豪華品牌車型，國(guó)際主流車企均采用P2混合動(dòng)力系統(tǒng)對(duì)旗下豪華縱置車型進(jìn)行技術(shù)升級(jí)，進(jìn)一步突顯豪華縱置車型高動(dòng)力性能屬性。

（3）P2混合動(dòng)力汽車相對(duì)于傳統(tǒng)燃油汽車節(jié)油率與用戶實(shí)際行駛路況密切相關(guān)，其節(jié)油效果在擁堵路況有較為明顯的體現(xiàn)，在嚴(yán)重?fù)矶鹿r下，P2混合動(dòng)力汽車相對(duì)于傳統(tǒng)燃油汽車可節(jié)油54%。

（4）P2混合動(dòng)力系統(tǒng)在用戶使用成本層面并不占有優(yōu)勢(shì)，但P2混合動(dòng)力系統(tǒng)能提升整車的動(dòng)力性、P2電機(jī)快速響應(yīng)性可增強(qiáng)整車駕駛體驗(yàn)，以及加裝的電動(dòng)附屬件可進(jìn)一步提升整車電氣化屬性。

參 考 文 獻(xiàn)

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（責(zé)任編輯 明慧）

【作者簡(jiǎn)介】

胡志林（1986—），男，中國(guó)第一汽車股份有限公司研發(fā)總院，碩士，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)樾履茉聪到y(tǒng)性能開(kāi)發(fā)。E-mail：huzhilin@faw.com.cn