輕度混合動力傳動系統的未來

0 前言

如果高科技超高效混合動力和電動車輛僅占道路車輛的一小部分，那么大幅減少全球車輛CO2排放的目標就無法實現。要使地球環境得以改善，CO2減排技術必須通過提供附加值特性在更多車輛上得以應用，增加其在所有市場領域的銷量，尤其是保有量大且快速增長的A級車領域。

盡管現在投放市場的先進混合動力和電動車輛技術已具有一定的廣度和深度，但是，市場采用的最新混合動力和電動車輛技術大多仍處于嘗試階段，在全球輕型車輛銷量中僅占有很小比例，甚至已經應用了十幾年的自動起停系統在全球車輛銷量中的比例也僅增加了30%。根據預測，配備自動起停系統的車輛在全球車輛銷量中的占比如要達到50%，還將需要5年的時間。

自動起停技術在新歐洲行駛循環(NEDC)工況下獲得的循環CO2排放減少量約為5.0%，但在全球統一輕型車輛排放測試規程(WLTP)工況下的CO2排放減少量僅為2.5%[1]。諸如制動能量回收和滑行控制等進一步混合動力特性還可使CO2排放減少10%～15%[1-3]。當2020年排放限值目標日益臨近時，制造商們面臨的挑戰是如何在整車上更快、更大范圍地推廣這些策略和技術。

12 V混合動力傳動系統是實現上述目標的理想方式，且不會大幅增加高壓電氣系統的附加成本(圖1)。這對于快速增長的大型汽車市場尤為重要，例如印度和中國。此外，48 V電機為構成這些領域大多數銷量的輕型車輛帶來的邊際效應要小得多。

圖1 混合動力CO2減排量與邊際成本的關系

由于絕大多數工況制動減速恰好處于12 V電機的功率范圍內，因此12 V系統具有更高的全混合動力循環減排潛力，尤其適用于微型車和A級車。

為了模擬車輛在完整駕駛循環上的慣性能量及主要能量損失源(例如傳動阻力、發動機機械損失阻力、氣動阻力，以及滾動阻力損失等)，建立了MATLAB模型。針對小型A級車和大型D級車，利用該模型對12 V和48 V電機進行了模擬。圖2所示的結果表明，通過采用昂貴且復雜的全混合動力系統，小型車上的12 V電機可實現60%以上的能量回收率。該復雜系統在更大型、更豪華的車型上能夠獲得相對更具優勢的能量回收，但是附加成本很高。制動回收能量的多少直接影響到CO2排放量，因為該部分能量在加速工況下能夠提供給車輛以實現再次使用。

圖2 不同電機尺寸在全球統一輕型車排放測試工況(WLTC)循環上的可回收能量

為了建立48 V總線，48 V系統還需要額外添加1套48 V電池和48 V-12 V DC-DC變換器，而12 V系統可以集成到車輛的標準電氣結構中，使其成為一種成本效率更高的解決方案。

1 手動變速器的機遇

與在發動機上的布置相比，將電機布置在變速器上會帶來很多優勢，有助于促進混合動力車輛的應用，提高發動機的設計功率。

廣泛采用混合動力特性的阻礙之一就是手動變速器，而手動變速器車輛在全球車輛銷量中的占比約為50%。

大多數混合動力特性依賴于決定變速器狀態的混合動力控制器，從而確保混合動力策略實施的一致性。

對于動力裝置來說，將電機集成到變速器主換檔元件飛輪端具有以下幾個優點：(1)混合動力功能不受變速器狀態的影響，無需傳動系統授權即可實施，使其適用于手動變速箱。(2)當發動機關閉時，電機仍可產生電功率。(3)電機可在手動換檔或自動換檔過程中提供轉矩支持，減弱或消除換檔頓挫感。

2 變速器布置

圖3為自由飛輪混合動力概念的一種可能結構。自由飛輪裝置(紅色)安裝在驅動主差動齒輪的齒輪上。如果自由飛輪上產生負轉矩，那么自由飛輪就會斷開。當自由飛輪斷開后，變速器和發動機也從最終傳動系統上分離。在這種情況下，發動機和變速器不會對車輛施加任何倒拖力，使車輛處于電動緩行、滑行或再生制動狀態。

電機安裝在自由飛輪下游，采用一個附加傳動比驅動的主差動齒輪。這種布置可使電機不受發動機或變速器狀態的影響。

發動機停機使發動機和變速器與飛輪分離，而無需對主系統離合器實施任何主動控制。在不對主起步離合器進行控制的情況下，可以利用電機實現電動緩行功能。

圖3 自由飛輪混合動力結構示意圖

該布置包含1個位于自由飛輪機構上的閉鎖離合器，該離合器主要用于需要采用發動機制動的情況，例如長距離下坡情況或者車輛運動模式。還有一種將電機從飛輪上分離開的斷開裝置，主要用于高速巡航或系統故障情況。這些元件可由低功率電動執行器驅動，僅當該斷開裝置通過接合自由飛輪離合器或者電機主動控制將裝置兩端設置成同步轉速時，才需要對其進行接合處理。

3 混合動力功能

3.1 能量回收與調配

回收滑行和制動階段的慣性能量是混合動力系統節油策略的核心。實施這項功能的電機安裝在發動機上，需要接受來自車輛傳動機構和發動機的所有阻力和摩擦損失。

即使在低轉速下，發動機和變速器摩擦也存在部分的功率損失，因此，將電機布置在變速器換檔元件的下游可增大能量回收的潛力(圖4)。

圖4 A級車在WLTC循環上的可回收能量(發動機安裝帶式驅動起動發電機(BSG)系統)

3.2 滑行功能

一些整車制造商已經制造出了具有“滑行”功能的自動變速器和雙離合變速器傳動系統的車輛，當駕駛員斷開加速踏板時，發動機減速至怠速或直接停機。試驗結果表明，與采用閉鎖離合器策略的發動機相比，“滑行”策略可節約燃油3%～5%，即可減少CO2排放達3%～5%[1-3]。

將電機布置在變速器輸出端，自由飛輪布置在變速器上，在無需對變速器進行任何控制操作的條件下就可實現怠速-滑行功能。一旦轉矩為負，自由飛輪斷開，發動機轉速下降至怠速或零。如有需要，位于自由飛輪端的電機能夠模擬發動機制動并且回收以熱量形式浪費掉的能量(圖5)。

對于換檔，在滑行過程中，電機能夠提供響應踏板命令的即時轉矩，因此，當發動機重起或在同步過程中，幾乎感覺不到延遲。

而BSG電機無法實現前述功能，因為該電機會一直與飛輪保持斷開狀態，直至發動機重新與傳動機構接合。

圖5 發動機怠速滑行過程中的能量流動

3.3 其他特性

變速器安裝小型12 V電機產生的功率足夠在交通擁堵情況下用于發動機關閉緩行模式的使用(圖5)。交通擁堵是在大城市行駛中極為常見的狀態，尤其在印度和中國。發動機關閉緩行模式將極大減少人口密集城市的CO2和其他廢氣排放。

發動機關閉緩行模式適用于行駛輔助。例如自動泊車。之前僅有自動變速傳動系統具有這種功能。此外，如果用戶在日常使用過程中大量采用這種駕駛模式，那么該模式幾乎不需要考慮法規限制。在擁堵城市行駛工況下，實際CO2排放減少量要多于法規駕駛循環模擬的結果。

輸出端安裝電機還具有斜坡輔助特性，該特性也適用于自動變速傳動和雙離合器系統，坡道起步和坡道駐車都將是離合器系統的熱門關注問題。

4 電機需求

由于電機不具備根據車速匹配主傳動齒輪轉速的功能，因此，需要電機具備寬廣的工作轉速范圍，并且必須能在該轉速范圍內輸出可接受工作效率狀態下的額定功率。

BSG電機面臨著類似的挑戰，但是，BSG電機的帶傳動比約為3∶1，設計的工作轉速范圍為0～18 000 r/min，甚至更高。有文獻[4]提出，可以根據變速器用途對現有的BSG電機設計進行改造，從而節約開發成本。尤其需要對高速電機進行優化設計，從而使鐵心損耗最小化。鐵心損耗是由旋轉永磁鐵或快速轉換電磁線圈產生的高頻交流磁場導致的，還需要使旋轉慣量最小化，以確保電機在車輛加速過程中產生寄生負荷。

5 電氣結構

在車輛行駛過程中，重新起動發動機系統通常需要兩個動力源，以確保諸如制動和轉向系統等安全關鍵元件在發動機重起過程中具有不間斷的動力供應。傳統的解決方案是當發動機上的交流電機關閉時采用兩塊12 V電池。盡管如此，在變速器輸出端布置的另一個電機可作為第二動力源，當發動機關閉及變速器處于空檔時使用。

需要利用變速器轉矩支持特性的時間段極短，例如換檔或滑行后的發動機重起。在上述過程中，所需的轉矩要比12 V系統的額定值大。但是，在超過額定功率的情況下，電氣系統在極短的時間內仍可繼續使用，因為限值通常由系統的熱容量決定。短暫的高功率階段對設計考慮因素很重要，這是因為功率器件必須能夠承受高于電機額定功率的數值。

6 總結

為了實現CO2減排和燃油耗降低的目標，整車制造商們必須加快混合動力技術的研發步伐。為使混合動力技術獲得更加廣泛的應用，必須通過深入挖掘車輛的功能性使其適用于更大范圍的車型和驗證用途。

(1)通過消除能量回收和調配產生的寄生阻力，布置在主換檔元件下游的變速器集成12 V電機，增大安裝電機的效率。

(2)該電機的尺寸對于微型車和A級車是非常理想的，其功率足以回收減速階段的大部分慣性能量。

(3)混合動力策略不受變速器狀態的影響，無需對變速器進行控制操作，該策略既適用于手動變速器又適用于自動變速器。

(4)布置在變速器和電機之間的自由飛輪裝置還具有其他功能，例如發動機熄火緩行、自動泊車和坡道起步輔助等。

(5)該技術可實現發動機怠速或發動機關閉狀態時的滑行，進一步增強了安裝電機的CO2減排優勢。

(6)通過在傳動比變化過程中提供轉矩支持，有助于促進自動變速傳動系統的廣泛使用。