陳 偉

（深圳市比亞迪汽車有限公司，廣東 深圳 518118）

隨著環(huán)境污染和能源危機(jī)壓力的逐步增大，在市面上出現(xiàn)了越來越多的新能源車輛，這一方面給消費(fèi)者選購提供了多樣性的選擇，但另一方面在客觀上也對(duì)技術(shù)方案的發(fā)展趨勢造成了一定程度的干擾。本文立足于現(xiàn)有的動(dòng)力耦合方案，結(jié)合設(shè)定的整車平臺(tái)和使用環(huán)境，分析各個(gè)動(dòng)力耦合方案的特點(diǎn)，探尋出技術(shù)上的潛在優(yōu)勢空間，為系統(tǒng)設(shè)計(jì)做論據(jù)支撐。

1 當(dāng)前主流動(dòng)力耦合方式

對(duì)當(dāng)前市面上常見的新能源車輛進(jìn)行產(chǎn)品特點(diǎn)分析，可歸納分為如下幾類。

1.1 發(fā)動(dòng)機(jī)和車速完全解耦模式

此模式車輛，發(fā)動(dòng)機(jī)通過專門的耦合機(jī)構(gòu)，將發(fā)動(dòng)機(jī)和車速完全解耦，利用的是比較成熟的行星排、CVT、離合器等機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)此功能。在制動(dòng)的時(shí)候，可根據(jù)既定的策略，合理調(diào)配發(fā)動(dòng)機(jī)的工作狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)最佳的經(jīng)濟(jì)性和動(dòng)力性，以豐田HSD系統(tǒng)和比亞迪DM系統(tǒng)為例，其結(jié)構(gòu)原理如圖1、圖2所示。

1.2 發(fā)動(dòng)機(jī)和車速聯(lián)動(dòng)模式

技術(shù)的選擇多樣性，使得很多的新能源車輛采用了更為簡單的并聯(lián)式系統(tǒng)，這樣既可以一定程度上提高系統(tǒng)效率，又可以兼顧成本和效率。按照采用的發(fā)動(dòng)機(jī)新技術(shù)的區(qū)別，又可細(xì)分為兩類。

1.2.1 發(fā)動(dòng)機(jī)傳統(tǒng)控制模式

此模式中，發(fā)動(dòng)機(jī)并未進(jìn)行革命性的升級(jí)換代，僅僅是借用原有的技術(shù)，增加一套并聯(lián)驅(qū)動(dòng)/制動(dòng)系統(tǒng)，可兼顧發(fā)動(dòng)機(jī)起停、回饋發(fā)電等多種功能選擇。圖3為典型ISG系統(tǒng)原理。

1.2.2 發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)能控制模式

還存在另一種具代表性的做法，就是將先進(jìn)的發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)，諸如，低摩擦技術(shù)、怠速閉缸等技術(shù)，結(jié)合最新的電驅(qū)動(dòng)單元，綜合為一體化的驅(qū)動(dòng)集成。本田為此方面的代表性車廠，IMA系統(tǒng)原理見圖4。

表1是當(dāng)前各大廠商推出的混合動(dòng)力車及動(dòng)力耦合方式及特點(diǎn)匯總。

表1 各大公司的車型耦合方式及特點(diǎn)

當(dāng)前汽車技術(shù)的不斷革新，新方案層出不窮，但均不超出上述分類的范疇，下面對(duì)上述分類進(jìn)行詳細(xì)的分析說明。

2 車輛減速行駛時(shí)典型功率特性

圖5是國內(nèi)通用的轎車標(biāo)準(zhǔn)城郊綜合工況，參照車輛行駛過程中的姿態(tài)區(qū)別，將車輛的發(fā)動(dòng)機(jī)工作模式進(jìn)行分析，分為停車段、驅(qū)動(dòng)段和減速段，如圖6所示。

本文假定在驅(qū)動(dòng)段全部由發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，并且各個(gè)方案的能效一致，主要探討在減速和停車段，各個(gè)方案由于內(nèi)在差異所引發(fā)的不同效果，關(guān)注的焦點(diǎn)相應(yīng)地集中在制動(dòng)過程可利用的制動(dòng)能和停車過程可利用的怠速能量。

對(duì)上述工況中的減速段和停車段進(jìn)行可用功率分析，對(duì)比各動(dòng)力耦合模式和傳統(tǒng)燃油車的不同，有如下結(jié)論，見表2。

表2 不同動(dòng)力耦合模式有益功率分析

3 不同耦合方式下的節(jié)能分析

為方便量化比較，選型平臺(tái)車輛的參數(shù)如表3所示。

表3 選型平臺(tái)車輛參數(shù)

3.1 停機(jī)斷油策略的分析

上述分析環(huán)境下，對(duì)車輛停車段擬采用停機(jī)斷油的策略，來實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的目的，為此，對(duì)怠速/停機(jī)如何取舍做了量化的分析。

假定怠速油耗為gd，怠速時(shí)長td，起動(dòng)機(jī)功率Pm，起動(dòng)機(jī)工作時(shí)長tm，發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)油耗gs，起動(dòng)耗時(shí)ts，通過比較怠速段和起動(dòng)耗能多少來進(jìn)行策略取舍，見表4。

表4 怠速策略判別條件

其中， Pm為3.14 kW， tm為0.5 s， gd為0.14 g/s， gs為2.1 g/s， ts為1 s， td為計(jì)算目標(biāo)參數(shù)， 本例中為17s。而實(shí)際工況下，車輛停車時(shí)長均超過此時(shí)長，所以通過計(jì)算證明了在工況下采用停機(jī)斷油策略的必要性和可行性。

3.2 制動(dòng)回收效果的分析

發(fā)動(dòng)機(jī)選用某款成熟在用的產(chǎn)品，其機(jī)械損耗功率見圖7。

依次對(duì)3種動(dòng)力模式下的可利用減速段功率進(jìn)行計(jì)算。圖8中由上至下的回饋功率曲線分別為:完全解耦模式、節(jié)能聯(lián)動(dòng)模式和傳統(tǒng)聯(lián)動(dòng)模式。

表5為平臺(tái)車輛的制動(dòng)能量回收效果。

綜合上述分析結(jié)果，若假設(shè)可回收的能量充分完全利用，則不同方案的最終能效為:①完全解耦模式:百公里5.58L；②節(jié)能型聯(lián)動(dòng)模式:百公里5.81L； ③傳統(tǒng)型聯(lián)動(dòng)模式: 百公里6.20L； ④傳統(tǒng)燃油模式:百公里7.36L。

從能效上分析，完全解耦模式具備明顯的優(yōu)勢，聯(lián)動(dòng)模式的效果要略差些，其中傳統(tǒng)型聯(lián)動(dòng)模式雖然節(jié)能效果不是最佳，但由于其成本、體積上的獨(dú)特優(yōu)勢，也存在較強(qiáng)的競爭力。

3.3 電動(dòng)單元選型分析

對(duì)制動(dòng)能量進(jìn)行充分回收，要有2個(gè)基本的前提:一方面受限于動(dòng)力單元的輸入輸出特性，同時(shí)也依賴于高效的儲(chǔ)能裝備。

3.3.1 動(dòng)力單元需求特性分析

以帶式起動(dòng)發(fā)電機(jī)為例 （BSG），按照樣車平臺(tái)的變速特性，將完全解耦模式和傳統(tǒng)聯(lián)動(dòng)模式下的電動(dòng)單元進(jìn)行特性反推，如圖9、圖10所示。

相對(duì)而言，完全解耦模式對(duì)電動(dòng)單元的特性參數(shù)要求較高，最高轉(zhuǎn)矩輸入和最大功率分別達(dá)到80Nm＠2600r/min/26kW＠4000r/min；而傳統(tǒng)聯(lián)動(dòng)模式的電動(dòng)單元特性要低些，關(guān)鍵指標(biāo)為70Nm＠2600r/min/22kW＠4000r/min。

3.3.2 能量單元需求特性分析

若完全將制定回饋功率吸收，儲(chǔ)能單元一方面要滿足快速充電的功率需求，同時(shí)也要滿足持續(xù)存儲(chǔ)的總能量需求。表6為各模式下能量和功率回饋特性對(duì)比。

表6 各模式下能量和功率回饋特性對(duì)比

從當(dāng)前通用型車用鉛酸電池的功率和能量特點(diǎn)上分析看，在市區(qū)循環(huán)工況下，鉛酸電池在儲(chǔ)存能量上完全滿足制動(dòng)回饋能量的要求，無需增加額外的部件。并且回饋的能量在工況循環(huán)內(nèi)，可以滿足車輛低壓負(fù)載電流平均值小于80 A的持續(xù)需求。

但是在回饋瞬時(shí)功率上，現(xiàn)有的鉛酸電池?zé)o法滿足如此大功率的需求，需要尋求復(fù)合能源系統(tǒng)，首選電容+鉛酸電池復(fù)合能源系統(tǒng)。

3.4 各動(dòng)力耦合方案的成本對(duì)比

按照當(dāng)前整車設(shè)計(jì)過程中的成本控制要求，根據(jù)方案的特點(diǎn)，對(duì)待開發(fā)的產(chǎn)品，從初次投入成本和使用成本兩個(gè)角度進(jìn)行細(xì)化分析。

本例以城市市區(qū)循環(huán)工況做樣本。在開發(fā)階段，主要的一次性投入成本集中在電機(jī)、電控和存儲(chǔ)單元 （按功率選型電容）上面；使用階段的效益主要體現(xiàn)在相較傳統(tǒng)燃油車輛節(jié)能效果的累積上。表7為各動(dòng)力耦合方案成本對(duì)比。

表7 各動(dòng)力耦合方案成本比較

從分析可以看出，各個(gè)方案增加的成本基本上一年即可實(shí)現(xiàn)效益平衡。

4 結(jié)論

文中的一系列對(duì)比分析，可推斷得出不同耦合方案的優(yōu)劣之處，從而為方案選型提供理論支撐數(shù)據(jù)。

1）從技術(shù)成熟度看，傳統(tǒng)聯(lián)動(dòng)模式 （ISG）方案最為成熟，其較低的成本、相當(dāng)?shù)墓?jié)油效果、較短的收益回報(bào)時(shí)間都是毋庸置疑的優(yōu)勢。

2）從節(jié)能效果看，完全解耦模式具備明顯的優(yōu)勢，其技術(shù)先進(jìn)性、能量利用率、節(jié)油收益和功能多樣性都明顯占優(yōu)勢。

3）從系統(tǒng)成本看，以僅滿足城區(qū)工況為例，完全解耦模式的成本要顯著高于傳統(tǒng)聯(lián)動(dòng)模式，主要體現(xiàn)在電機(jī)、電容方面的成本差異。

4）節(jié)能聯(lián)動(dòng)模式具備較平均的比較優(yōu)勢，成本相對(duì)低些，節(jié)能效果也比較理想，屬綜合效果較好的方案。

從新能源的蓬勃發(fā)展趨勢，可以預(yù)見必然會(huì)出現(xiàn)多種多樣的耦合方案，但產(chǎn)品最終的競爭優(yōu)勢還是依賴于核心技術(shù)和品質(zhì)的結(jié)合。本文從能量利用、成本等多角度為方案的技術(shù)性選擇提供一個(gè)維度，期望對(duì)技術(shù)的成熟、競爭有所幫助。

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