面向2025和2030年混合動力汽車節油技術研究

鄒偉 柯元志 彭澤峰 梅自元 劉石生

（麥格納動力總成（江西）有限公司，南昌 330013）

0 引言

為實現碳達峰和碳中和目標，汽車產業提出碳排放總量在2028 年左右提前達到峰值，到2035 年排放總量較峰值下降20%以上[1]。為實現該目標，東風汽車股份有限公司通過低黏度機油、低彈力-涂層活塞環、機油泵電子化、附件電子化技術，在NEDC 循環下實現節油15.1 g，綜合節油效率達2.74%[2]。東風柳州汽車有限公司通過優化頂導流罩、前保險杠下導流板、側裙及尾翼有效降低風阻，實現節油1.21 L∕100 km[3]。中國汽車技術研究中心通過建立大數據分析系統，篩選出30項影響油耗的技術升級手段，研究結果表明，節油效果超過10%的技術均為混合動力相關技術[4]。中國汽車技術研究中心通過高級駕駛輔助系統與互聯自動駕駛車輛技術相結合，車輛從“臨場知覺”變為“先知先覺”乃至“互通知覺”，使車輛具備更大節油潛力[5]。

以上研究從具體技術出發對節油技術進行研究。本文將從降低整車全生命周期碳排放角度出發，結合行業研究成果，通過建立主流專用混合動力變速器模型及混合動力專用發動機模型進行模擬分析，為混合動力汽車節油技術提供方案參考。

1 整車全生命周期碳排放管理

整車全生命周期碳排放管理是以整車、零部件以及再生利用實體企業為主體，建立涵蓋整車產品的全生命周期碳排放管理[6]。目前相關標準正在制定過程中，ISO 14064-1、GHG協議企業核算標準、GB∕T 32150等標準開展企業組織層面碳排放的核算工作[7-9]。

圖1 所示為整車全生命周期碳排放管理，包括從原材料獲取、零部件到整車的生產過程，從加油和充電到行駛排放的整車使用過程，以及生命周期結束后的回收循環利用過程。

圖1 整車全生命周期碳排放管理[11]

對于當前油耗和排放法規規定的車輛行駛過程中的排放，考慮到全生命周期碳排放管理，傳統動力汽車與新能源汽車碳排放需要重新評估。汽車生產碳排放約占汽車碳排放的10%，這部分通過提升企業電氣化率、清潔電力使用比例及推廣回收利用技術等提高企業能效手段來改善。使用過程中的碳排放占汽車碳排放的90%，約占整個交通領域碳排放總量的80%。使用過程中的碳排放控制，是交通領域重要控制方向[10]。

如表1 所示，全國發電量結構中火電占比逐年下降，但仍然占據主導地位。現階段電能以火電為主要能量來源，在電能產生過程中會產生大量的碳排放。

表1 2011—2020年全國發電量結構[12]億kW·h

如圖2 所示，基于日本的能源結構及各汽車技術條件為邊界條件，針對馬自達2款車型進行了全生命周期碳排放模擬計算。從電池生產、石油生產、電能生產及使用過程中的碳排放影響進行分析計算，結果表明，燃油車與70 kW·h 電量的電動車碳排放相當。如果燃油車效率提升12%，燃油車碳排放量將達到40 kW·h 電量的電動車輛碳排放量相當的效果。對于中高端電動汽車，國內消費者傾向于長續駛里程。廣汽埃安、蔚來等下一代產品續駛里程超過1 000 km，電池容量超過144 kW·h，導致全生命周期碳排放高于燃油車，現階段并不能起到好的降碳效果。

圖2 馬自達不同車型全生命周期碳排放計算[13]

在中國汽車工程學會發布的《節能與新能源汽車技術路線圖2.0》[1]中，在強調純電驅動發展戰略的同時，并行規劃節能汽車混合動力化技術方向。

2 節能汽車混合動力技術總體要求

2.1 企業油耗降低目標

GB 27999—2019《乘用車燃料消耗量評價方法及指標》[14]要求我國乘用車平均燃料消耗量在2025年下降至4 L∕100 km（基準質量為1 415 kg）。現有技術較難實現該目標要求，需要開發低油耗車，降低單車油耗。

結合2021 年度乘用車企業平均燃料消耗量與新能源汽車積分情況的公示[15]及《乘用車燃料消耗量評價方法及指標》國家標準編制說明[16]，2020 年到2030年油耗趨勢如圖3所示。2021年，全國乘用車共生產1 973.5萬輛，總平均達標油耗為5.92 L∕100 km，高于2021年5.66 L∕100 km的目標值。通過調查發現，消費者在選擇車輛時，傾向于選擇SUV車型。SUV銷量占乘用車總體比例從2014年的20.7%提升至2020年的46.9%，市場份額首次超過轎車，其中2020年銷量前20款SUV平均整備質量為1 559 kg，高于基準質量144 kg。

圖3 2020—2030年乘用車油耗變化趨勢[13]

GB 18352.6—2016《輕型汽車污染物排放限值及測量方法（中國第六階段）》[17]規定，2020年7月1日起執行Ⅰ型試驗用測試循環WLTC，取代了NEDC 測試循環。

以某SUV 1.5T 自動兩驅Pro 車型為例進行分析，該車型整備質量為1 550 kg，NEDC 綜合油耗為6.60 L∕100 km。中國汽車技術研究中心有限公司在2018年對上述車型進行了WLTC與NEDC燃料消耗量對比研究，線性回歸分析結果顯示，WLTP比NEDC試驗結果平均高約10.57%[14]。按此規則換算成WLTC 綜合油耗為7.30 L∕100 km。根據GB 27999—2019，車型燃料消耗量計算公式如式（1）[14]：

式中，T為車型燃料消耗量目標值；CM為整車整備質量。

三排以下座椅車型整備質量應滿足：1 090 kg＜CM≤2 510 kg。

根據式（1），計算出2025 年低油耗車目標油耗為4.84 L∕100 km。

節油率計算公式如式（2）：

式中，C為2021年WLTC油耗；R為節油率。

根據式（2）計算2025年節油率要求，2030年節油率在2025基礎上再提升20%。

通過計算，該車當前油耗需降低33.7%，滿足2025年油耗目標；當前油耗降低42%，可以滿足2030 年油耗目標。

2.2 節油技術路線

單一節油技術路線較難實現40%以上節油效果。為達成以上節油目標，通過提升發動機熱效率，提升能量傳遞轉化效率，及降低阻力損耗進行改進，形成3條主要技術路線（圖4）。

圖4 節油技術路線

（1）高效混合動力專用發動機技術路線（技術路線1）

基礎發動機熱效率為35.3%，使用電子節氣門+電控渦輪增壓器+連續可變氣門升程技術。面向2025年通過米勒循環+高壓縮比+長沖程+低EGR+水冷中冷+輕量化設計+高壓燃油噴射+低摩擦運動系統，發動機熱效率將提升到41%~43%。面向2030 年通過分層稀薄燃燒+高EGR 率+高能點火+超高壓縮比（＞17）+缸內涂層+高滾流比氣道+余熱回收，發動機熱效率將達到46%~50%。

（2）高效混合動力專用變速器技術路線（技術路線2）

技術路線2 包括變速器串聯式混合動力、變速器并聯式混合動力和變速器混聯式混合動力。

技術路線3 包括降低輪胎滾動阻力、降低空氣阻力，采用輕量化技術、采用主動進氣格柵、采用制動系統阻滯力優化、降低附件功率、低壓系統高壓化和智能駕駛，以及控制策略優化也是整車節油的重要技術路線。

3 車輛節油方案研究及建模

3.1 車輛節油分析方案

通過建立混合動力仿真分析模型，分析不同混合動力專用變速器技術及不同效率的混合動力專用發動機對WLTC循環節油效果影響。

對于高效混合動力專用變速器技術路線，通過建立不同混合動力變速器架構模型，分析不同的混動變速器架構對節油的貢獻。

對于高效混合動力專用發動機技術路線，模型基于常規高效發動機與專用高效混合動力發動機，研究發動機效率變化對節油貢獻。

高效混合動力專用發動機數據為模型仿真的輸入，不同高效混合動力專用變速器結構為模型傳遞過程。所以本研究的難點在于高效混合動力專用變速器建模準確性。為提升模型準確性，模型通過臺架試驗，及整車WLTC測試進行修正。最終實現通過模型策略指導整車進一步降低油耗。

3.2 車輛節油方案分析模型

方案分析前提條件包括基于相同整車模型、相同發動機模型和相同的測試循環WLTC；不同模型之間的相同部分采用相同效率模型、相同的控制策略，如能量回收。方案分析目的是分析相同的整車邊界條件下、不同混合動力模型在WLTC 循環下的節油潛力，主要參數如表2所示。

表2 模型主要參數

按電機在動力系統中的位置不同，分為P0、P1、P2、P2.5、P3、P4[18]。如方案1 所示（圖5a），建立某7 速雙離合變速器仿真模型。以該模型為基礎，分析不同混合動力變速器節油效果。如方案2所示（圖5b），建立P2.5結構的單電機混合動力模型，模型在DCT變速器的基礎上，并聯一電機，實現純電驅動，國內吉利曾選擇該技術路線。如方案3所示（圖5c），建立串聯雙電機混合動力模型，發電機配合發動機高效區發電，驅動電機純電行駛，代表企業如日產、理想。如方案4所示（圖5d），建立固定速比的混聯式雙電機混合動力模型，發動機可實現電功率與機械功率分流，機械功率分流在滿足速比要求時結合離合器介入傳遞動力。機械擋位數為1~4 擋為主，代表企業包括本田、比亞迪、大眾、長城、上汽等。本研究通過將單擋模型擴展至多擋模型，方案5 所示（圖5e），建立基于行星排的混聯式雙電機混合動力模型。發動機功率通過行星排進行分流，一部分傳遞給發電機，一部分傳遞給輪端，驅動電機進行獨立驅動。代表企業包括豐田、福特、廣汽、科力遠。

看到其他同學紛紛檢討，小李再也坐不住了，不情愿地站起來，紅著臉，做了個簡單的檢討。雖然話不多，但是能讓這個油鹽不進的家伙主動站起來做檢討已是難得。小李的檢討結束后，整個教室響起了熱烈的掌聲，為小李，為我，更為整個班級。

圖5 專用混合動力變速器的混合動力方案

4 混合動力變速器及發動機節油分析

4.1 混合動力變速器方案傳遞效率與節油分析

對各方案動力傳遞過程中的效率損失進行進一步梳理（圖6），表明發動機、電機、逆變器、動力電池、變速器能量轉化器件的效率與選擇的傳遞路徑密切相關。受限于方案，為實現總體最優，導致某些功率器件并非工作在最優區間。所以即使相同傳遞路徑，不同方案間傳遞效率存在差異。

結合圖6，根據不同方案能量傳遞特點，各方案主要傳遞路徑效率損失如表3所示。

表3 各方案主要傳遞路徑效率損失

將車輛整備質量代入公式（1），得到車型2025 年低油耗車目標值為5.22 L∕100 km。對應圖6 中的方案，其分析結果見表4。

專用混合動力變速器技術方案對整車油耗降低明顯，但仍未達到該車2025年低油耗車目標值5.22 L∕100 km，各方案節油效果：方案4＞方案2＞方案5＞方案3。方案4、方案2與方案5之間節油效果整體差異不大。針對以上分析結果，進一步分析如下：專用混合動力變速器技術通過提升發動機運行效率降低燃油消耗，但在能量傳遞過程中增加了能量轉化過程中的消耗。

圖7為各方案發動機萬有特性運行工作點圖。各方案發動機運行時燃油消耗率：方案3＞方案5＞方案4＞方案2＞方案1。方案3實現發動機運行與輪邊需求解耦，發動機運行在最低燃油消耗率區間（高效區）；方案5，以發動機工作在最低燃油消耗率區間的高效運行為目標，調整發電機運行區間；方案4的低中速發動機運行模式同方案3，高速時發動機在最低油耗率區直驅；方案2通過電機運行優化發動機運行區間，發動機運行在最低燃油消耗率區時使用發動機直接驅動。

各方案能量傳遞效率為方案1＞方案2＞方案4＞方案5＞方案3。方案3 能量傳遞以增程式為主，能量傳遞過程中能量經過機械能-電能-機械能的轉化過程，經過多次轉換，常用工況平均傳遞效率約為81.78%。方案5 能量傳遞以功率分流模式為主，由于行星輪系作用，存在一個轉速與扭矩平衡方程，通過控制平衡方程，實現各種模式切換及運行過程中的電功率與機械功率分配比例，模型中假定齒圈齒數與太陽輪齒數比為2.6，功率分流常用工況平均傳遞效率約為86.91%。方案4低中速以增程模式為主，中高速以發動機直驅為主，由于電機空載損耗影響，發動機直驅動平均傳遞效率約為90.23%。方案2 車型起步、低速以純電直驅為主，中高速可實現發動機直驅，特別是高速最高擋位直驅可實現96%的平均傳遞效率。

4.2 高效混合動力專用發動機節油率分析

通過控制變量法，基于相同整車模型；相同的測試循環WLTC；相同的混合動力變速器（方案4）模型；相同的控制策略，如能量回收。在此基礎上代入不同效率的混合動力發動機模型，進行油耗仿真分析。發動機模型為某1.5 L 渦輪增壓發動機，當前熱效率35.3%，通過米勒循環、高壓縮比、長沖程、低EGR 率和水冷中冷技術優化后，發動機熱效率將提升至41.9%。模型計算結果如表5 所示，方案4 的WLTC 油耗為5.09 L∕100 km，滿足2025 年低油耗車目標要求。

進一步分析上述結果，得到油耗與發動機熱效率的線性方程：

式中，x為發動機熱效率；y為WLTC油耗。

通過式（3）可知，發動機熱效率每提升1%，100 km油耗降低約0.12 L。為滿足該車型5.22 L∕100 km的低油耗目標，發動機熱效率至少需提升至41%。

如圖8 發動機萬有特性所示，使用相同的混合動力變速器解決方案，分析發動機熱效率對油耗的影響。隨著發動機熱效率的變化，模型遵循系統整體油耗最優原則，WLTC 工況下，發動機工作點隨之調整，所幸調整后整體工作點分布與之前差異不大。因此實際運用中，可通過式（3），對不同效率發動機WLTC油耗進行快速估算。

圖8 相同混動變速器不同發動機運行工作點

6 面向2025和2030年低油耗技術解決方案

按照2025—2030年油耗變化趨勢（圖3），2030年低油耗車目標油耗需在2025 年的基礎上繼續降低20%，約1 L∕100 km。

如圖9所示，初始車型整車油耗為7.12 L∕100 km，通過采用單擋混聯式專用混合動力變速器技術，油耗降低1.24 L∕100 km。采用41.9%高效混合動力發動機技術，油耗降低0.78 L∕100 km。這些技術實施后，整車油耗可以達到5.10 L∕100 km，滿足2025 低油耗車技術要求。發動機熱效率提升至47%，油耗繼續降低0.61 L∕100 km。專用混合動力變速器多擋化、電機電控效率提升，整車油耗可以降低約0.21 L∕100 km。進一步結合整車低壓負載高壓化，降低整車風阻、滾阻等其他技術降低整車油耗。

圖9 面向2025和2030年低油耗混合動力技術路徑

6 結束語

汽車行業應為全面實現國家碳達峰和碳中和戰略目標做出貢獻，降低整車全生命周期碳排放是關鍵。混合動力汽車技術復雜度不高、生命周期經濟性好，節能減碳仍有很大潛力。結合汽車行業研究成果，以某車型為例，通過分析車型滿足2025 年節能目標，油耗需降低33.7%，滿足2030年節能目標，油耗需降低42%。為實現以上節油效果，形成3 條主要技術路徑。

研究混合動力仿真分析模型，分析不同混合動力專用變速器和混合動力專用發動機技術對WLTC 循環節油效果的影響。在對不同混合動力變速器方案節油研究分析時，涵蓋車輛主要混合動力變速器解決方案。以傳統DCT變速器模型為基礎，擴展至P2.5單電機混合動力模型、串聯雙電機混合動力模型、單擋混聯雙電機混合動力模型與行星排混聯雙電機混合動力模型。通過模型計算出各方案節油效果，進一步結合發動機在萬有特性中運行工作點及各方案主要傳遞路徑，對各方案節油路徑進行了深入闡述。通過分析表明，P2.5 單電機混合動力方案、單擋混聯雙電機混合動力方案與行星排混聯雙電機混合動力方案WLTC循環有著最優且相當大的節油效果。

在研究混合動力專用發動機對WLTC 循環節油效果影響分析時，基于單擋混聯雙電機混合動力模型導入不同效率的發動機，得到發動機熱效率與整車油耗的線性方程。基于此，得到41%熱效率發動機+單擋混聯雙電機方案，滿足2025節能車油耗要求。48%熱效率發動機+高效多擋混聯雙電機+整車降阻提效方案，滿足2030節能車油耗要求。

以上分析研究基于WLTC 循環進行，通過變更模型中的研究對象，還可進行更多應用場景研究，以便對各混合動力技術方案優劣勢進行分析對比。

（1）擴展至特殊工況的節油分析，包括城市堵車工況、等速工況、郊區和高速工況；

（2）擴展至整車動力性匹配分析，包括起步加速、中途加速的加速動力性分析。