乘用車混合動力技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢分析

王崧浩 鐘發(fā)平 吳純?nèi)A

摘 要：近幾年國內(nèi)汽車行業(yè)蓬勃發(fā)展，但混合動力技術(shù)相比國外起步較晚，為響應(yīng)國家節(jié)能汽車發(fā)展政策，做到節(jié)能減排，發(fā)展汽車混合動力技術(shù)顯得尤為重要。文章簡單闡述了混合動力技術(shù)的耦合技術(shù)，對國內(nèi)外較成熟的車型混動技術(shù)的進行收集整理，簡單分析國內(nèi)外主流車型與技術(shù)方案，總結(jié)出國內(nèi)外混動技術(shù)優(yōu)缺點，并對未來汽車混合動力技術(shù)發(fā)展趨勢進行分析與闡述，對國內(nèi)混合動力技術(shù)發(fā)展具有一定的參考價值。

關(guān)鍵詞：汽車;節(jié)能;混合動力;發(fā)展趨勢

中圖分類號：U469.79? 文獻標識碼：A? 文章編號：1671-7988（2020）13-266-03

Development Status and Trend Analysis of Passenger Car Hybrid Technology

Wang Songhao， Zhong Faping， Wu Chunhua

（ Corun CHS Technology CO.， Ltd.， Guangdong Foshan 528000 ）

Abstract： In recent years， the domestic automotive industry has been developing rapidly. However， the research of hybrid power technology is carried out late compared with foreign countries. In order to respond to the national development policy of the fuel-efficient car to achieve energy conservation and emission reduction， the development of hybrid power technology is particularly important. The connection technology of the hybrid power technology in this article is described. The hybrid power technology of more mature cars at home and abroad is illustrated. Mainstream car models and technology solutions are analyzed. The advantages and disadvantages of hybrid power technology are summarized， and its development trend in the future is analyzed. It has certain reference value for the development of domestic hybrid power technology.

Keywords： Automobile; Energy saving; Hybrid power technology; Development trend

CLC NO.： U469.79? Document Code： A? Article ID： 1671-7988（2020）13-266-03

引言

汽車產(chǎn)業(yè)是國民經(jīng)濟的支柱型產(chǎn)業(yè)，我國雖然汽車產(chǎn)銷量連續(xù)多年居世界第一，但汽車產(chǎn)業(yè)大而不強[1]，產(chǎn)業(yè)存在創(chuàng)新能力不足、產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展不完善、節(jié)能減排任務(wù)艱巨、自主品牌市場競爭力不足、國際化水平相對較低、核心技術(shù)匱乏等諸多問題。大氣污染防治、降低碳排放方面，近十年我國CO2 排放量持續(xù)攀升，已超越美國排名全球首位;目前我國能源結(jié)構(gòu)主力為火電發(fā)電，其次是清潔能源;同樣一度電，中國產(chǎn)生的碳排放量是日本的1.6倍，美國的1.7倍，法國的6倍。

實現(xiàn)我國傳統(tǒng)能源消耗降低仍需要漫長的過程，近年來國家通過大力推廣節(jié)能及新能源車、提出“國家藍圖保衛(wèi)戰(zhàn)”要求各地實施大氣污染防治條例及行動方案、推動汽車國六排放降低，我們必須發(fā)展新能源汽車技術(shù)，降低汽車交通領(lǐng)域排放對大氣污染防治、降低整體碳排放水平意義重大。

1 混合動力技術(shù)現(xiàn)狀

1.1 混合動力技術(shù)概述

混合動力總成可以按傳輸路線分為三大類，分別為串聯(lián)系統(tǒng)、并聯(lián)系統(tǒng)和混聯(lián)系統(tǒng)[2]。

（1）串聯(lián)式混合系統(tǒng)是由發(fā)動機、發(fā)電機和驅(qū)動電機三者串聯(lián)組成的驅(qū)動總成。當車輛處于啟動、加速、爬坡等狀態(tài)時，電動機大負荷工作，主要由發(fā)動機向電機提供電能，當車輛處于低速、滑行、怠速工作時，電機小負荷工作，主要由電池包向電機提供電能。城市內(nèi)車輛行駛頻繁起步且時速低，這種串聯(lián)式結(jié)構(gòu)可以將發(fā)動機調(diào)整在最佳工況點附近穩(wěn)定運轉(zhuǎn)，提高了發(fā)動機的工作效率且降低廢氣排放。

（2）并聯(lián)式結(jié)構(gòu)由發(fā)動機和電機為汽車提供動力，在不同的行駛工況下既可以兩者共同驅(qū)動，也可單獨驅(qū)動。例如當車輛處于加速爬坡狀態(tài)時，由于對動力需求大，發(fā)動機和電機將同時驅(qū)動，為傳動機構(gòu)提供動力。當車輛達到預(yù)定行駛速度時，將只有發(fā)動機為其提供動力。與傳統(tǒng)汽車驅(qū)動系統(tǒng)類似，沒有獨立電機，發(fā)動機直接驅(qū)動車輪，這樣機械效率損耗低，所以應(yīng)用較為廣泛。

（3）混聯(lián)式驅(qū)動系統(tǒng)也叫功率分流式驅(qū)動系統(tǒng)，它具有上述兩種結(jié)構(gòu)的傳動特點。混聯(lián)式驅(qū)動由發(fā)動機、電動機和發(fā)電機組成，不同的驅(qū)動結(jié)構(gòu)由不同的部件完成，有些驅(qū)動主裝置是發(fā)動機，電機則為輔助裝置;則另一種驅(qū)動主力是電機，在高功率下發(fā)動機作為輔助裝置。這種驅(qū)動方式系統(tǒng)控制起來相對比較容易實現(xiàn)，但是在結(jié)構(gòu)上相當復雜。

2 國內(nèi)外混合動力技術(shù)研究

2.1 國外主流混合動力技術(shù)現(xiàn)狀

目前國外許多廠家都推出混合動力汽車，以豐田普銳斯、通用沃藍達、寶馬530Le等三款車型較為典型。豐田普銳斯汽車采用功率分流混合動力系統(tǒng)，通用沃藍達汽車采用增程式混合動力系統(tǒng)，寶馬530Le汽車采用同軸并聯(lián)混合動力系統(tǒng)。國外混動汽車如四代豐田普銳斯純電動里程56 km，每百公里綜合油耗2.5L，百公里加速時間為10.3 s，通用沃蘭達純電動里程56 km，每百公里綜合油耗3.9L，百公里加速時間為9 s;寶馬純電動里程58 km，每百公里綜合油耗3.8L，百公里加速時間為7.1 s。

在混合動力總成結(jié)構(gòu)方面，豐田公司采用行星排功率分流模式[3]。豐田公司的行星齒輪動力分流裝置開始用于插電式混合動力系統(tǒng)，普銳斯系統(tǒng)從單模單速度，向單模多速度發(fā)展。通用公司采用的行星排功率分流結(jié)構(gòu)圖系統(tǒng)具有低速大扭矩輸出、高車速高效率等優(yōu)點，但結(jié)構(gòu)及控制策略較為復雜。

在混合動力專用汽油機方面，增壓直噴、電控可變氣門正時VVT-i、阿特金森等技術(shù)紛紛在國外混合動力發(fā)動機上得以應(yīng)用。豐田第四代普銳斯Prius發(fā)動機采用阿特金森循環(huán)，熱效率提升到40%以上;本田雅閣插電式混合動力汽車采用智能可變氣門正時及升程電子控制系統(tǒng)自然吸氣發(fā)動機，實現(xiàn)阿特金森循環(huán)和高負荷狀態(tài)奧拓循環(huán)切換，燃油經(jīng)濟性提高了10%。

國外車企在以下幾個方面進行優(yōu)化：結(jié)構(gòu)上小型化、輕量化;控制策略方面，避開燃油經(jīng)濟性較差的低負荷工況，多控制在中高負荷區(qū)域工作[4];排氣后處理方面，采用氧化催化器DOC等技術(shù)來控制排放。標致3008柴油插電式混合動力汽車，綜合油耗3.8L/100km。奔馳E300插電式混合動力汽車，采用同軸并聯(lián)啟動/發(fā)電一體化電機技術(shù)，該車油耗為4.2L/100km。

在混合動力驅(qū)動電機方面，豐田和通用搭載了油冷雙電機和電力電子集成雙控制器，電機的連續(xù)功率密度可達2.5kW/kg，控制器功率密度在12-15kW/kg。豐田第四代普銳斯Prius和通用沃藍達Volt電機采用了矩形導體繞組。

在整車熱管理技術(shù)方面，豐田普銳斯通過電池溫度監(jiān)控、優(yōu)化散熱器，實現(xiàn)油耗降低1%-4%，排放降低60%。通用沃藍達熱管理系統(tǒng)具有四個冷卻回路，每個回路具有單獨的散熱器。寶馬530Le的發(fā)動機與電機采用同一冷卻循環(huán)，電機自帶一個節(jié)溫器，可自行調(diào)節(jié)冷卻液溫度，使其保持在最佳溫度范圍。

在混動的NVH方面，國外的研究主要聚焦于發(fā)動機頻繁啟停的振動噪聲、風噪和胎噪、電動輔件振動噪聲、急加速時問題，以及動力切換瞬態(tài)振動。針對上述問題，豐田公司使用主動控制策略降低啟停振動;美國俄亥俄州立大學利用最優(yōu)控制理論得出不同階段的目標轉(zhuǎn)矩，降低車輛縱向沖擊噪音;韓國漢陽大學將混合動力汽車的模式切換過程劃分成發(fā)動機啟動、轉(zhuǎn)速同步、離合器結(jié)合及轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)移四個階段，使用干擾補償?shù)霓D(zhuǎn)矩協(xié)調(diào)控制策略減少噪音。

2.2 國內(nèi)主流混合動力技術(shù)現(xiàn)狀

目前，國內(nèi)汽車企業(yè)紛紛推出混合動力汽車，較為典型的有比亞迪的秦和唐、上海汽車榮威550、廣汽傳祺等插電式車型。2015年國內(nèi)插電式混合動力汽車已累計銷售量非常可觀。國內(nèi)主流插電式混合動力汽車的主要性能參數(shù)如下：比亞迪秦純電動里程70 km，每百公里綜合油耗1.6 L，百公里加速時間為5.9 s;上汽榮威550電動里程58 km，每百公里綜合油耗2.3 L，百公里加速時間為10.2 s;廣汽傳祺純電動里程80 km，每百公里綜合油耗2.4 L，百公里加速時間為10.9 s;長安逸動純電動里程70 km，每百公里綜合油耗1.6 L，百公里加速時間為10.97 s;吉利帝豪純電動里程57 km，每百公里綜合油耗1.6 L，百公里加速時間為9.5 s。

在混合動力總成結(jié)構(gòu)方面[5]，比亞迪秦采用并聯(lián)“雙模”混動系統(tǒng)，系統(tǒng)可純電動或發(fā)動機模式進行驅(qū)動。上汽榮威550插電式混合動力汽車采用了雙電機串并聯(lián)方案，并搭載一個兩檔變速機構(gòu)，對發(fā)動機工作區(qū)間進行優(yōu)化。工作模式主要包含純電動、串聯(lián)、并聯(lián)、制動能量回收、行車充電和怠速充電等。

CHS混合動力系統(tǒng)，動力總成通過調(diào)節(jié)雙電機的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩，可以實現(xiàn)全工況無極變速（E-CVT），使發(fā)動機始終處于最優(yōu)工作區(qū)間，達到經(jīng)濟性、動力性和排放性能的最佳控制。搭載該系統(tǒng)的吉利EC7混合動力汽車，已經(jīng)在2016年上市銷售。

在混合動力方面，比亞迪秦、長安逸動和吉利帝豪采用渦輪增壓、缸內(nèi)直噴、內(nèi)部和外部廢氣再循環(huán)、電控可變氣門正時等技術(shù)。而在混合動力專用柴油機方面，國內(nèi)已經(jīng)具備了乘用車用柴油機開發(fā)基礎(chǔ)，但針對插電混合動力系統(tǒng)進行研的究相對較少。

能量管理優(yōu)化方面，國內(nèi)廣泛采用的是邏輯門策略實現(xiàn)整車能量管理及優(yōu)化。比亞迪秦采用“雙擎雙模”，比亞迪唐搭載了“三擎雙模”動力系統(tǒng)，兩種模式可以自由切換;上汽榮威550根據(jù)駕駛工況及電池電量將管理策略細分為六種工作模式;科力遠混合動力系統(tǒng)采用基于邏輯門和實時優(yōu)化控制相結(jié)合的方法，完成工作模式管理和動態(tài)轉(zhuǎn)矩控制。

熱管理技術(shù)方面，上汽榮威550通過優(yōu)化電池熱管理策略、模塊布置等，保證動力電池工作在較佳溫度范圍內(nèi);比亞迪秦采用分布式電池管理系統(tǒng)，通過對電池單體溫度和電壓的采集，進行動力電池熱平衡管理，但其冷卻方式為風扇冷卻，電池溫度的均勻性較差，壽命受到影響;同濟大學依托熱環(huán)境風洞實驗室，開展了大量整車熱管理系統(tǒng)優(yōu)化研究。國內(nèi)混合動力系統(tǒng)電池組、發(fā)動機、電機、動力電池等發(fā)熱部件的熱管理系統(tǒng)未完全實現(xiàn)閉環(huán)控制，冷卻系統(tǒng)集成度和整體控制策略有待提高。

NVH方面，上汽榮威550有效控制了胎噪和路面顛簸;比亞迪秦在發(fā)動機艙蓋內(nèi)表面等部位使用隔音材料，降低了車內(nèi)噪音;吉利帝豪通過匹配行星排混合動力汽車減振器的剛度阻尼，降低噪音;同濟大學對混合動力總成懸置系統(tǒng)進行匹配提升了隔振性能，設(shè)計動態(tài)轉(zhuǎn)矩協(xié)調(diào)控制策略抑制了混動轎車在模式切換過程中的縱向沖擊。

3 結(jié)論及趨勢分析

從國際發(fā)展趨勢上看，一是多種插電式混合動力技術(shù)路線并存[6];二是階段油耗不斷降低;三是混合動力發(fā)動機效率不斷提升，混合動力機電耦合結(jié)構(gòu)更加緊湊，功率控制單元趨向集成，動力性能和安全性水平更加優(yōu)秀;四是純電動續(xù)駛里程趨向更長。與國際先進水平相比，我國混合動力技術(shù)還存在較大差距，具體表現(xiàn)在：國內(nèi)還處在產(chǎn)業(yè)化初期，在機電耦合裝置、混合動力階段油耗、能量管理策略、熱管理技術(shù)、NVH性能、整車可靠性、集成開發(fā)及成本控制上，有待進一步提高。

目前國內(nèi)外48V系統(tǒng)較為熱門，48V系統(tǒng)具備低成本、技術(shù)門檻低和降油耗效果明顯的特點，在后退補時期表現(xiàn)逐漸升溫。歐洲是未來48V系統(tǒng)的主要應(yīng)用區(qū)域，當前48V系統(tǒng)主要應(yīng)用于中檔及高檔車型，預(yù)計到2021年大部分的新生產(chǎn)車型都將搭載輕度混合動力系統(tǒng)。從技術(shù)特點來看，目前階段市場推出的48V系統(tǒng)主要為一代BSG技術(shù)，電機的功率較小，不能提供足夠功率以改善發(fā)動機工作區(qū)域。二代48V系統(tǒng)將電機設(shè)置在傳動系端，對系統(tǒng)進行優(yōu)化集成。電機功率提高，能夠?qū)嵸|(zhì)的提供額外輔助動力。在純電動的安全性、電池包壽命、里程限制、充電便利性等多因素的影響下，在未來的5年內(nèi)HEV汽車趨于上升。目前日本三個有代表性的企業(yè)分別為豐田、本田和日產(chǎn)，也分別是混聯(lián)系統(tǒng)、串并聯(lián)系統(tǒng)和串聯(lián)系統(tǒng)，都取得了比較好的整車油耗[6]。HEV混合動力是個系統(tǒng)級的概念，混合動力整車油耗和經(jīng)濟性的體現(xiàn)，需要在“整車+發(fā)動機+機電耦合裝置+電機+電池+多能源管理”，進行系統(tǒng)優(yōu)化。

參考文獻

[1] 陳世冰.基于鉆石模型下我國汽車產(chǎn)業(yè)國際競爭力分析[J].時代經(jīng)貿(mào)，2011，2：1.

[2] 陳宏昌，楊建華.汽車混合動力技術(shù)的分類及其工作原理[J].汽車運用，2010，4：1.

[3] 韓兵.單模復合動力分流混合動力系統(tǒng)開發(fā)及熱平衡技術(shù)研究[D].江蘇：江蘇大學機械工程學院，2011.

[4] 張彤，朱磊，袁銀南，王存磊等.并聯(lián)混合動力轎車多能源管理系統(tǒng)標定試驗[J].機械工程學報，2009，2： 12-17.

[5] 石磊.混合動力系統(tǒng)控制策略及匹配應(yīng)用研究[D].湖南大學，2014.

[6] 宋靜.中國節(jié)能汽車藍皮書[M].重慶： 社會科學文獻出版社，2020.