余才光，包壽紅，馬智濤，張 彤

（上海華普汽車有限公司，上海 金山 201501）

近年來(lái)，電動(dòng)汽車一直是熱門(mén)話題。推廣和普及混合動(dòng)力轎車是目前國(guó)家政府政策導(dǎo)向，也是節(jié)能減排的有效途徑。目前，普及純電動(dòng)汽車還受到動(dòng)力電池高成本的影響，混合動(dòng)力汽車則平衡了成本和節(jié)能的要求。隨著油價(jià)飚升和批量零部件的成本降低，混合動(dòng)力轎車將會(huì)越來(lái)越受國(guó)家和用戶的認(rèn)可。

國(guó)際上，日本混合動(dòng)力車發(fā)展最為成熟，特別是豐田汽車，截至2010年7月，在全球，豐田汽車已經(jīng)銷售了268萬(wàn)輛混合動(dòng)力汽車，約占全球銷量的90%。福特、通用、大眾、寶馬等國(guó)際大公司都紛紛推出混合動(dòng)力車。

國(guó)內(nèi)，一汽、上汽、長(zhǎng)安、奇瑞、比亞迪等國(guó)內(nèi)主要汽車生產(chǎn)商也推出了混合動(dòng)力轎車計(jì)劃和樣車，但一直沒(méi)有產(chǎn)品推向市場(chǎng)。

1 混合動(dòng)力車關(guān)鍵技術(shù)

1.1 混聯(lián)式混合動(dòng)力車工作原理

根據(jù)混合動(dòng)力系統(tǒng)能量傳遞不同，可把混合動(dòng)力汽車主要分為3種結(jié)構(gòu)方式:串聯(lián)式、并聯(lián)式和混聯(lián)式。它們各有優(yōu)勢(shì)，這里我們分析的是混聯(lián)式混合動(dòng)力車工作原理。混聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)合了串聯(lián)和并聯(lián)的優(yōu)點(diǎn)，但是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，如圖1所示。

以目前全球銷量最大的豐田Prius為例，Prius動(dòng)力總成結(jié)構(gòu)如圖2所示。Prius以行星齒輪作為動(dòng)力分流裝置，發(fā)動(dòng)機(jī)與行星架相連，發(fā)動(dòng)機(jī)的一部分功率通過(guò)電機(jī)Ⅰ轉(zhuǎn)換為電能對(duì)電機(jī)Ⅱ供電或?qū)﹄姵亟M進(jìn)行充電；另一部分機(jī)械能直接作用于齒圈上，同時(shí)電機(jī)Ⅱ與齒圈相連，提供部分功率和扭矩[1]。

1.2 混合動(dòng)力車關(guān)鍵零部件

混合動(dòng)力系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)包括:混合動(dòng)力傳動(dòng)箱、電機(jī)控制器、動(dòng)力電池及其控制器、整車控制器。

混合動(dòng)力傳動(dòng)箱是核心零部件。整車動(dòng)力性和燃油經(jīng)濟(jì)性的要求確定雙電機(jī)功率和整車控制方式，同時(shí)確定了動(dòng)力電池主要參數(shù)，如功率和充放電性能。

發(fā)動(dòng)機(jī)總成優(yōu)化對(duì)混合動(dòng)力車節(jié)油會(huì)起到舉足輕重的作用。如豐田PriusⅡ采用1.5L的阿特金森發(fā)動(dòng)機(jī)，它的最低比油耗只有220g/kWh。

2 整車技術(shù)

掌握了混合動(dòng)力系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，如何在整車平臺(tái)上搭載混合動(dòng)力系統(tǒng)，成為混合動(dòng)力車產(chǎn)業(yè)化的關(guān)鍵，包括整車總布置、動(dòng)力系統(tǒng)、底盤(pán)、整車電子電器等系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)。

2.1 整車性能及總布置

2.1.1 動(dòng)力性及經(jīng)濟(jì)性

對(duì)于混合動(dòng)力汽車來(lái)說(shuō)，我們更關(guān)注整車燃油經(jīng)濟(jì)性，但汽車作為交通運(yùn)輸工具還需有一定動(dòng)力性。因此，對(duì)于混合動(dòng)力車，我們首先要確定整車動(dòng)力性及燃油經(jīng)濟(jì)性，這確定了發(fā)動(dòng)機(jī)功率、雙電機(jī)功率和動(dòng)力電池性能參數(shù)。

整車動(dòng)力性的目標(biāo)為不低于傳統(tǒng)汽油車的動(dòng)力性:最高車速≥180 km/h，最大爬坡度≥30%，0—100km/h加速時(shí)間≤12s。

燃油經(jīng)濟(jì)性百公里綜合油耗≤5.3 L，相對(duì)于傳統(tǒng)車節(jié)油30%以上。

2.1.2 混合動(dòng)力系統(tǒng)主要參數(shù)

發(fā)動(dòng)機(jī)、動(dòng)力電池、雙電機(jī)性能參數(shù)直接決定整車動(dòng)力性能；而整車控制策略則決定了整車燃油經(jīng)濟(jì)性。

阿特金森發(fā)動(dòng)機(jī)開(kāi)發(fā)標(biāo)定難度風(fēng)險(xiǎn)大，而采用改進(jìn)的奧拓循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)，開(kāi)發(fā)時(shí)間短，風(fēng)險(xiǎn)小。發(fā)動(dòng)機(jī)排量為1.8L，最大功率為90kW/6000r/min，最大轉(zhuǎn)矩為168Nm/3800r/min。

動(dòng)力電池為功率型鎳氫電池，額定電壓為288V，能量為6.5 Ah。動(dòng)力電池功率和充放電性能取決于整車動(dòng)力性要求。

大小電機(jī)功率分別為50kW和30kW，最大轉(zhuǎn)矩分別為200Nm和80Nm，最大轉(zhuǎn)速分別為8500 r/min和10500r/min。

2.1.3 整車布置

混合動(dòng)力車能改善前后軸荷分配。動(dòng)力電池和12 V鉛酸電池布置在行李艙內(nèi)，混合動(dòng)力傳動(dòng)箱和電機(jī)控制器布置在機(jī)艙內(nèi)。前后軸荷接近50%︰50%，有利于整車轉(zhuǎn)向穩(wěn)定性。

整車布置關(guān)鍵在機(jī)艙布置。動(dòng)力總成布置應(yīng)遵循整車布置基本原則，嚴(yán)格控制動(dòng)力總成與周邊的間隙。在原發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)基礎(chǔ)上，增加了混合動(dòng)力傳動(dòng)箱油冷系統(tǒng)和電機(jī)控制器水冷系統(tǒng)。冷卻系統(tǒng)布置也要合理。電機(jī)控制器和繼保盒空間布置是難點(diǎn)。

2.2 動(dòng)力系統(tǒng)

動(dòng)力系統(tǒng)變更設(shè)計(jì)包括:發(fā)動(dòng)機(jī)附件、發(fā)動(dòng)機(jī)懸置和冷卻系統(tǒng)。進(jìn)氣系統(tǒng)應(yīng)做適應(yīng)性變更設(shè)計(jì)，排氣系統(tǒng)根據(jù)排放需求進(jìn)行三元催化器結(jié)構(gòu)和配方設(shè)計(jì)。

2.2.1 發(fā)動(dòng)機(jī)總成輪系設(shè)計(jì)

電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向和電動(dòng)空調(diào)的使用，整車12 V用電及蓄電池充電均通過(guò)DC-DC轉(zhuǎn)換完成。發(fā)動(dòng)機(jī)總成前端輪系簡(jiǎn)化，通過(guò)惰輪設(shè)計(jì)完成對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水泵驅(qū)動(dòng)。

豐田PriusⅢ發(fā)動(dòng)機(jī)總成取消前端輪系，發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水泵采用電動(dòng)水泵，提高發(fā)動(dòng)機(jī)效率和整機(jī)輕量化。

2.2.2 發(fā)動(dòng)機(jī)懸置設(shè)計(jì)

發(fā)動(dòng)機(jī)懸置系統(tǒng)是汽車振動(dòng)系統(tǒng)的一個(gè)重要子系統(tǒng)，該系統(tǒng)性能設(shè)計(jì)優(yōu)劣直接影響整車的NVH性能，對(duì)混合動(dòng)力車尤為關(guān)鍵，發(fā)動(dòng)機(jī)頻繁起停，如系統(tǒng)設(shè)計(jì)不合理，直接影響整車舒適性。目前，現(xiàn)行的設(shè)計(jì)方法是通過(guò)優(yōu)化計(jì)算，合理設(shè)計(jì)懸置的剛度、布置位置和布置角度，使得動(dòng)力總成懸置系統(tǒng)具有較高的振動(dòng)解耦程度，使得總成到車架間的振動(dòng)傳遞率最小，從而提高汽車的乘坐舒適性。

在發(fā)動(dòng)機(jī)起停和車輛加速過(guò)程中，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩和雙電機(jī)的轉(zhuǎn)矩同時(shí)作用在發(fā)動(dòng)機(jī)懸置上，動(dòng)力總成瞬間相對(duì)慣性主軸產(chǎn)生較大旋轉(zhuǎn)。為了滿足車輛行進(jìn)間舒適性，應(yīng)優(yōu)化懸置結(jié)構(gòu)和剛度，同時(shí)完善混合動(dòng)力起?？刂撇呗浴?/p>

2.2.3 冷卻系統(tǒng)

冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)包括發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)、動(dòng)力合成箱冷卻系統(tǒng)及電機(jī)控制器冷卻系統(tǒng)。發(fā)動(dòng)機(jī)工作溫度80～100℃，水冷；混合動(dòng)力傳動(dòng)箱工作溫度80～100℃，油冷；電機(jī)控制器進(jìn)口溫度控制在65℃內(nèi)，水冷。

在發(fā)動(dòng)機(jī)散熱器下方增加2套冷卻系統(tǒng)，如圖3所示。電機(jī)控制器冷卻水溫度較低，用來(lái)冷卻混合動(dòng)力傳動(dòng)箱冷卻油。這種布置方式，滿足性能要求，節(jié)省布置空間。

2.3 底盤(pán)

底盤(pán)主要解決的問(wèn)題是制動(dòng)能量回收系統(tǒng)，還包括電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向和懸架匹配。

2.3.1 電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向

電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向解決了混合動(dòng)力車輛在低速、減速和滑行過(guò)程中，發(fā)動(dòng)機(jī)停機(jī)的問(wèn)題。采用電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向不僅解決了助力轉(zhuǎn)向問(wèn)題，還能對(duì)整車油耗有3%～5%的貢獻(xiàn)。

2.3.2 懸架

整車前后質(zhì)量增加改變了前后懸架負(fù)荷，引起車身姿態(tài)的變化和離地間隙變小，影響整車通過(guò)性。對(duì)滑柱調(diào)整主要是減振器阻尼和螺旋彈簧剛度調(diào)整。

2.3.3 制動(dòng)系統(tǒng)

對(duì)于混合動(dòng)力轎車，電機(jī)功率大，制動(dòng)加速度在一定范圍內(nèi)，可以通過(guò)電機(jī)反拖轉(zhuǎn)矩發(fā)電，把車輛動(dòng)能轉(zhuǎn)換成電能儲(chǔ)存在動(dòng)力電池中，并在車輛加速時(shí)電能釋放出來(lái)，提高車輛的動(dòng)力性能。制動(dòng)能量回放能夠?qū)φ嚬?jié)油率有15%～18%的貢獻(xiàn)。

這里介紹BOSCH公司為深度混合動(dòng)力車開(kāi)發(fā)的制動(dòng)回饋系統(tǒng)CRBS。CRBS基于電子穩(wěn)定系統(tǒng)ESP，以電機(jī)回饋力矩和液壓制動(dòng)力矩協(xié)調(diào)工作來(lái)達(dá)到降低車速的目的。

為了維持恒定的車輛減速度，一個(gè)穩(wěn)定的制動(dòng)力矩需要持續(xù)作用在車輪上。在車輛減速的過(guò)程中，當(dāng)電機(jī)在其極限力矩曲線上運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，回饋力矩將會(huì)不斷地增加而同時(shí)引起液壓力矩的降低。圖4展示了液壓力矩及回饋力矩協(xié)同作用的制動(dòng)實(shí)例。在制動(dòng)開(kāi)始階段，回饋力矩會(huì)一直增加到最大值（或達(dá)到駕駛員制動(dòng)力矩需求）；在車輛即將停止前，由于電機(jī)在低轉(zhuǎn)速時(shí)，無(wú)法維持制動(dòng)力矩，其產(chǎn)生的回饋力矩會(huì)逐漸減小并由液壓制動(dòng)及時(shí)補(bǔ)償。

在恒定的制動(dòng)踏板位置輸入下，車輛由高速到靜止進(jìn)行制動(dòng)，回饋力矩和液壓制動(dòng)會(huì)持續(xù)協(xié)作控制來(lái)滿足駕駛員的請(qǐng)求。

2.3.4 電子換檔器

混合動(dòng)力車采用電子換檔器，通過(guò)霍爾傳感器觸點(diǎn)信號(hào)與整車控制器通信，實(shí)現(xiàn)P、R、N、D檔的切換。

需從電路設(shè)計(jì)和控制策略上防止誤操作，以免出現(xiàn)意外情況。

2.4 電子電器

電子電器設(shè)計(jì)是整車技術(shù)開(kāi)發(fā)中的難點(diǎn)。電子電器設(shè)計(jì)包括整車電源管理、蓄電池充放電管理、整車電器安全、電磁騷擾。

2.4.1 弱電源管理

通過(guò)PEPS實(shí)現(xiàn)弱電電源管理，控制ACC、IG1、IG2繼電器工作，完成對(duì)鑰匙在車內(nèi)的監(jiān)控。

PEPS與BCM一同完成泊車時(shí)的防盜監(jiān)控、門(mén)鎖的開(kāi)啟和閉合；與HCU之間通信完成IMMO認(rèn)證；與ESCL一同完成轉(zhuǎn)向鎖工作。實(shí)現(xiàn)ACC/ON狀態(tài)下，蓄電池欠壓狀態(tài)下的充電管理。

2.4.2 12V蓄電池管理

傳統(tǒng)蓄電池是通過(guò)發(fā)電機(jī)進(jìn)行浮充電，無(wú)法對(duì)蓄電池進(jìn)行有效管理，影響蓄電池效率和使用壽命。混合動(dòng)力車對(duì)蓄電池充電是通過(guò)DC-DC轉(zhuǎn)換動(dòng)力電池高壓直流電來(lái)完成。

在蓄電池充電端增加電流傳感器，增加DC-DC限流控制，提高了蓄電池效率和使用壽命。

2.4.3 組合儀表及DVD顯示

組合儀表取消發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速表，增加電量表。信號(hào)燈包括檔位信號(hào) （P/N/R/D）、EV指示、ESC指示、READY指示、遙控鑰匙指示以及EPS、SVS、電機(jī)系統(tǒng)、高/低壓電池故障、總故障指示等。用點(diǎn)陣屏或TFT屏顯示混合動(dòng)力及相關(guān)的行車信息。

DVD除了具有常規(guī)功能外，還需顯示混合動(dòng)力工作時(shí)能量流變化，并顯示整車控制器HCU、發(fā)動(dòng)機(jī)、雙電機(jī)、動(dòng)力電池等工作信息和故障信息，能給用戶和維修人員做簡(jiǎn)單故障判斷。

2.4.4 空調(diào)系統(tǒng)

2.4.4.1 制冷系統(tǒng)

結(jié)合混合動(dòng)力系統(tǒng)的特點(diǎn)，采用288 V高壓電動(dòng)壓縮機(jī)制冷，并與濕度傳感器共同構(gòu)成一個(gè)恒溫恒濕的變頻制冷系統(tǒng)。整車控制器監(jiān)控電動(dòng)壓縮機(jī)使用，動(dòng)力總成在起動(dòng)前瞬間，電動(dòng)壓縮機(jī)能做降功率處理。

2.4.4.2 暖風(fēng)系統(tǒng)

增加了1組PTC，安裝在暖風(fēng)機(jī)內(nèi)，使用12 V工作電源；PTC起到前期輔助加熱作用。發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液溫度上升到一定溫度，PTC停止工作，乘員艙供暖由發(fā)動(dòng)機(jī)完成。

2.4.5 線束及CAN網(wǎng)絡(luò)

整車線束分12V低壓線束和288V高壓線束兩部分。高壓線束布置在地板下側(cè)。

整車控制器HCU是混合動(dòng)力車的中心大腦，負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)管理整車各個(gè)控制器。

2.4.5.1 低壓線束

12 V低壓線束與傳統(tǒng)車基本一致，包括發(fā)動(dòng)機(jī)線束、機(jī)艙線束、儀表板線束、四門(mén)線束、底板線束等。

低壓線束原理圖設(shè)計(jì)充分考慮混合動(dòng)力系統(tǒng)各個(gè)控制器重要程度，關(guān)鍵控制器如整車控制器、制動(dòng)能量回收控制器、電動(dòng)轉(zhuǎn)向控制器等，可以通過(guò)電路形成互鎖繼電器進(jìn)行保護(hù)。

12 V蓄電池布置在行李艙內(nèi)，將蓄電池搭鐵線（負(fù)極搭鐵線）移至發(fā)動(dòng)機(jī)艙搭鐵，蓄電池正極連接到機(jī)艙繼保盒內(nèi)。降低由車體產(chǎn)生的胯間電壓。

2.4.5.2 動(dòng)力線束

高壓零部件包括電機(jī)控制器、動(dòng)力電池、電動(dòng)壓縮機(jī)、電機(jī)冷卻油泵4部分。動(dòng)力電池安裝在行李艙內(nèi)，電機(jī)控制器、電動(dòng)壓縮機(jī)、電機(jī)冷卻油泵安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)；動(dòng)力線束從地板下側(cè)連接到機(jī)艙內(nèi)，通過(guò)布置在機(jī)艙內(nèi)高壓分電器分別連接到機(jī)艙內(nèi)高壓用電器上。

高壓線束插接件應(yīng)有INTER-LOCK功能，并且有很好的電磁屏蔽性能和高等級(jí)的防塵防水等級(jí)。

2.4.5.3 CAN網(wǎng)絡(luò)

整車CAN網(wǎng)絡(luò)分為動(dòng)力CAN和附件CAN兩部分，HCU的2路CAN通道分別為HCU_1和HCU_2。

動(dòng)力CAN的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)包括HCU_1、ECU、PEU、EPS和CRBS共5個(gè)節(jié)點(diǎn)，主要負(fù)責(zé)動(dòng)力總成系統(tǒng)通信。

附件CAN的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)包括HCU_2、BMS、PS、 BCM、 OPC、 DVD、 ACU、 DPLY和ESCL等節(jié)點(diǎn)。

3 結(jié)束語(yǔ)

隨著世界范圍的環(huán)境保護(hù)規(guī)則的強(qiáng)化和世界石油資源的枯竭，汽車產(chǎn)品的更新?lián)Q代周期也在加快。在汽車配置中有MT和AT之外，還會(huì)加入混合動(dòng)力配置，提供給用戶更多選擇，提倡用戶使用節(jié)能汽車。混合動(dòng)力傳動(dòng)箱及其控制和動(dòng)力電池及其控制是混合動(dòng)力車的核心和重要技術(shù)，它的理論與設(shè)計(jì)達(dá)到了相對(duì)完善階段，在國(guó)際上，在轎車等各種車輛上獲得越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。在日本和歐美，混合動(dòng)力車已經(jīng)大量銷售，在節(jié)能減排方面取得顯著效果。

筆者認(rèn)為，我國(guó)汽車工業(yè)已經(jīng)進(jìn)入了比較高速發(fā)展的時(shí)期，以自主研發(fā)為主、技術(shù)引進(jìn)為輔是中國(guó)汽車發(fā)展的必然之路。為適應(yīng)汽車未來(lái)發(fā)展方向，應(yīng)盡快建立我國(guó)自主的轎車混合動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)研發(fā)產(chǎn)業(yè)，特別是插電式混合動(dòng)力設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)?；旌蟿?dòng)力轎車研發(fā)的同時(shí)，推動(dòng)純電動(dòng)轎車研發(fā)。

[1]任傳波，莊繼德，鄒廣德，等.汽車產(chǎn)品開(kāi)發(fā)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2007:218.