劉勇 方鵬

摘要：歐盟開展汽車商業(yè)化混合動力總成競爭力提升，開發(fā)五輛示范車輛，包括乘用車、客車與卡車。相比2013年車輛，示范車輛的動力總成效率提高20%，重量和體積減少20%，成本增長控制在10%以內(nèi)。

關鍵詞：競爭力;商業(yè)化混合動力;汽車動力總成;模塊化系統(tǒng)

中圖分類號：U461 文獻標識碼：A 文章編號：1005-2550（2020）04-0008-09

劉勇

畢業(yè)于湖北汽車工業(yè)學院工業(yè)電氣自動化專業(yè)?，F(xiàn)就職于東風商用車技術中心，從事新能源商用車技術規(guī)劃工作。曾獲東風汽車集團有限公司科技進步二等獎、三等獎各一項，已發(fā)表文章多篇。

1項目總體情況

在歐盟商業(yè)化混合動力和動力總成競爭力提升（ECOCHAMPS）項目中，合作伙伴在不同分組中開發(fā)了五輛示范車輛，范圍為小型乘用車到長途運輸卡車。每個工作組均由各自的制造商負責。所有的示范車輛都針對預期影響進行了重大改進，交付的示范車輛與2013年市場上“同類最佳”的全混合動力車輛相比，動力總成效率提高20%，重量和體積減少20%，相對于傳統(tǒng)車型成本僅增加10%。為了對示范車輛進行獨立的跟蹤和評估，ECOCHAMPS項目中包含了一個單獨的評估工作組，評估工程師參與項目的目標設定、跟蹤和評估，他們是來自里卡多或聯(lián)合研究中心（JRC）的獨立技術專家。本文提供了這些評估工程師根據(jù)定義目標對ECOCHAMPS示范車輛進行最終評估的結果。

總體來說，項目目標取得了很好的成績。不過，在報告截止日期之前，并非所有測試都已完成，有些項目仍在進行中，但是將在項目結束之前完成。根據(jù)評估工程師的意見，這些后續(xù)測試也將較好的結果。表1和表2總結了技術目標和最終用戶需求的評估結果及其當前狀態(tài)。

2重卡混動項目

2.1動機與解決方案

重型車輛市場的客戶要求低油耗，因為這是車輛總體擁有成本的關鍵因素之一。最重要的是，歐盟2025年和2030年重型汽車的CO，排放設定了具有挑戰(zhàn)性的目標?；谶@些原因，重型示范牽引車將重點在于提高動力傳動系統(tǒng)效率，同時最大程度控制成本。

為了應對這些挑戰(zhàn)，本項目的示范牽引車采用并聯(lián)混合動力總成和余熱回收系統(tǒng)。通過減小內(nèi)燃發(fā)動機和混合動力電氣部件的尺寸，提高動力總成效率。整車電管理系統(tǒng)優(yōu)化了使用內(nèi)燃機、附件和電動機之間的平衡，最大程度地減少總體能量損失。

余熱回收系統(tǒng)與混合動力系統(tǒng)結合，提供了從其他方式浪費的熱量中回收能量的選擇?；旌蟿恿ο到y(tǒng)可以在以后使用存儲的能量，或直接用于驅(qū)動附件，提高整體燃油經(jīng)濟性。余熱回收系統(tǒng)的熱力學系統(tǒng)的響應時間存在延遲，因此熱能轉(zhuǎn)換為驅(qū)動力使用也會延遲，降低廢熱回收系統(tǒng)的應用潛力。

通過采用基于400 V技術量產(chǎn)乘用車組件開發(fā)的標準化、模塊化混合動力組件，混動組件成本得以降低。示范車輛的主要目標如下。

2.2主要技術創(chuàng)新

DAF XF示范混動牽引車基于DAFⅪ牽引車開發(fā)，采用并聯(lián)混動架構。通過混合動力傳動系統(tǒng)組件、余熱回收熱能、電動附件裝置和優(yōu)化的整車電管理來優(yōu)化動力總成，見圖1：

與基礎車輛相比，發(fā)動機艙的體積沒有變化。但是，WHR和電池還需要更多空間。因此，示范車輛的燃油箱容積從545+340升減少到430升。這使內(nèi)燃機的續(xù)駛里程從大約3000 km減小到1500 km，這不會影響卡車的區(qū)域運輸應用，但會影響長距離運輸應用。將來可以在開發(fā)中優(yōu)化WHR的尺寸，增大油箱。

除了WHR之外時，與基準車輛相比，動力總成體積減少17%，重量減少13%。FEV進行的分析表明，在工業(yè)化解決方案中，包括WHR在內(nèi)的目標都可以實現(xiàn)。但是，與傳統(tǒng)卡車相比，ECOCHAMPS示范車輛的有效載荷降低目前大于目標300千克。重量分析表明，在工業(yè)化解決方案中也可以達到該目標。因此，對有效載荷的影響很小，這對于車輛的使用非常重要，尤其是在未來的法規(guī)中，該法規(guī)允許新的動力總成技術增加重量。

達夫重型示范車輛牽引車的混合動力總成采用并聯(lián)模式，拓撲圖見圖3：

與以前的混合動力卡車概念相比，這款動力總成概念車的目標在于提高成本效率，同時減少二氧化碳排放量。為了實現(xiàn)這一目標，項目組尋求一種整體和模塊化的方法，有效地結合使用電動余熱回收（eWHR）系統(tǒng)和混合動力總成系統(tǒng)。博世eVC-HR系統(tǒng)基于朗肯循環(huán)原理。eWHR系統(tǒng)與混合動力總成的協(xié)同效應被結合起來使用，都連接到同一高壓母線和電能存儲系統(tǒng)，可實現(xiàn)總體上降低油耗。與混合動力系統(tǒng)結合后，有各種可能應用方式：從eWHR系統(tǒng)產(chǎn)生的電能可以通過電機直接饋送到動力總成，用于附件或存儲在電池中。在后一種情況下，回收的電能可以稍后用于驅(qū)動系統(tǒng)。與其他Ecochamps示范車輛一樣，混合動力卡車將使用量產(chǎn)乘用車零部件，通過規(guī)模經(jīng)濟達到成本目標。這樣示范車輛的電氣架構選擇了400 V的電壓電平，這對于商用車來說是較低的。

2.2.1高壓電池

混合動力總成采用三星高壓電池，由幾個模塊組成，可以輕松實現(xiàn)擴展，并與MSF模塊化概念保持一致。電池組由LiPF6電池組成，每個電池的容量為28 Ah。標稱電壓為300 V（電壓范圍為250-350V）時，電池可以提供16 kWh的動力。電池只能在電池組的工作電壓范圍內(nèi)供電。在設計和集成高壓系統(tǒng)時，提出的電壓水平似乎超出。因此，需要調(diào)整不同組件的電壓電平。電池組已調(diào)整到所有組件的設定值水平。圖4為高壓電池與電驅(qū)動系統(tǒng)安裝位置，圖5為車輛電壓等級范圍。

2.2.2電動機

電動機是在ECOCHAMPS項目之外開發(fā)的。盡管如此，仍采用ECOCHAMPS理念開發(fā)了電動機和專用逆變器，以使用乘用車行業(yè)的標準化組件來滿足總體目標。電動機采用永磁同步電機，峰值功率為100 kW、峰值扭矩為250 Nm，采用集成化減速傳動裝置，峰值扭矩為750Nm。電動機功率足以完全驅(qū)動重型卡車，不需內(nèi)燃機的提供動力。由于電動機是為乘用車設計的，逆變器的峰值輸出電流對于重型車輛而言太低，以至于無法依靠純電力從靜止狀態(tài)驅(qū)除車輛，還需要內(nèi)燃機來提供動力。在高速公路上行駛的時候，車輛可以關閉內(nèi)燃機，完全依靠電動機的動力行駛，減少發(fā)動機內(nèi)部摩擦，節(jié)省燃料。

2.2.3電動子余熱回收e-WHR

電動子余熱回收（e-WHR）將來自車輛排氣系統(tǒng)的熱量轉(zhuǎn)換為電能，因此有助于提高效率，見圖6。e-WHR基于朗肯循環(huán)，并使用蒸發(fā)器利用車輛廢氣中的熱量加熱流體。然后將加熱的流體供人膨脹器單元，在該單元中，發(fā)電機將熱能轉(zhuǎn)換為交流電能。逆變器將交流電轉(zhuǎn)換為直流電，然后將其存儲在混動車輛的電池系統(tǒng)中。然后，該能量可用于為電機或空氣壓縮機供電。

2.2.4電動附件

在重型車上，由空氣壓縮機提供壓縮空氣，操作制動器。常規(guī)的空氣壓縮機由內(nèi)燃機驅(qū)動。為了實現(xiàn)純電動驅(qū)動，需要電動空氣壓縮機。因此，在ECOCHAMPS項目中，開發(fā)出一款優(yōu)化的電動空氣壓縮機，并將其用于公共汽車和卡車。與原來的電動機和控制器相比，ECOCHAMPS電動機和控制器的重量分別減輕了50%和75%。

類似于空氣壓縮機，通常由內(nèi)燃機驅(qū)動的常規(guī)液壓轉(zhuǎn)向泵。在ECOCHAMPS中，已經(jīng)開發(fā)了電動液壓轉(zhuǎn)向泵（EHSP）。EHPS單元連接到24 VDC電源，因為所需的DC電流相對較低。

開發(fā)DC/DC電壓轉(zhuǎn)換器是為了將高壓電池中的300VDC轉(zhuǎn)換為24VDC（低壓）水平，向整車供電。電壓轉(zhuǎn)換器避免使用交流發(fā)電機，并且能夠以更高的效率將最大功率3 kW的電源從高壓轉(zhuǎn)換為低壓。

2.2.5整車能源管理

混合動力卡車的能源管理管理采用通用化和模塊化方法，因此可用于不同尺寸的各種動力總成。ECOCHAMPS混合動力卡車首次示范了這種解決方案。整車能源管理具備預覽信息功能，顯示可用的道路、路線信息和歷史數(shù)據(jù)，以優(yōu)化整體動力總成效率。

3主要成果

3.1總體結果

DAF-XF-FT超級駕駛室車輛于2018年3月在評估工程師的監(jiān)督下在荷蘭埃因霍溫的DAFT廠進行了評估，見圖7。在評估中，示范車輛與多輛基準車輛進行了比較：（1）DAF-XF-FT超級空間駕駛室以MX-11 320 kW MY2017車作為基礎車輛，（2）DAF-XF-FT超級空間駕駛室以MX-13340 kW MY2013車作為動力總成效率基準，（3）DAF XF-FT Convenient示范車輛作為混合動力總成基準。當市場上沒有混合動力長途卡車時，需要使用這些基準車輛來與示范車輛進行比較。表5-22和表5-2%總結了主要結果。

2013年，市場上沒有混合動力長途卡車，因此項目中使用了幾種車輛將示范車輛與2013年的最新技術進行了比較。DAF-XF-FT超級空間駕駛室MX-11320 kW MY2017被用作基礎車輛，DAF-XF-FT超級空間駕駛室MX-13 340 kW MY2013被用作動力總成效率的參考基準，DAF XF-FTConvenient示范車輛被用作混合動力總成的參考基準。

DAF-XF-FT超級駕駛室重卡比基準車輛燃油效率高得多，能耗降低14.5%（用DAF專用循環(huán)工況仿真），相當于車輛在平均載重系數(shù)情況下動力總成能效提高17.4%。

示范車輛的混合動力總成電氣部分的體積比基準車輛小37.7%，重量輕43.7%，使峰值功率和扭矩增加了40%。

預計總體二氧化碳排放量將與油耗的降低幅度相一致。此外，預計示范車輛將會達到歐VI排放法規(guī)。示范車輛達到或部分超過基準車輛的性能，可以在四種牽引力配置（即16噸/40噸、內(nèi)燃機和混合動力驅(qū)動）下保持85 km/h的巡航速度，加速性能令人滿意，純電動續(xù)駛里程為14km（以50km/h的恒速行駛）。舒適性、乘坐性、操控性和NVH性能達到或優(yōu)于參考值。

示范車輛符合安全標準、可靠性和耐用性要求，方便操作和充電，并配有清晰直觀的人機界面，可為駕駛員提供有關混合動力總成功能的相關信息。測試還強調(diào)了可能進一步改進的領域，例如功能齊全的WHR系統(tǒng)，以進一步提高燃油效率。

總之，評估是正面的。DAF-XF-FT超級駕駛室車輛達到項目設定的大多數(shù)目標，并且是2013年技術基礎上有進步。DAF可以通過這款非常接近市場投放的產(chǎn)品，來增加產(chǎn)品組合。示范車輛的總體技術成熟度被評估為TRL 7，即使用環(huán)境中的系統(tǒng)原型車示范。WHR系統(tǒng)除外，其技術成熟度被評估為TRL 6，即在相關環(huán)境中進行技術示范。

3.2成本

由于保密原因和競爭規(guī)則，示范車輛成本不作公開的評估，因此不包含在本文中。

3.3動力總成

3.3.1燃油效率

評估工程師無法評估該項目中WP7示范車輛的動力總成和燃油效率。不巧的是，由于技術困難，尚無法完全驗證仿真結果，但部分驗證支持結果。

DAF分多個步驟對結果進行了仿真：

·傳動系統(tǒng)提升和速度控制

·混合動力功能

·余熱回收（WHR）

與基準車輛相比，DAF-XF-FT超級駕駛室車輛在燃油效率方面有顯著優(yōu)勢。根據(jù)達夫?qū)Ｓ袦y試循環(huán)上模擬，能耗降低約14.5%，相當于動力總成能量效率提高17.4%，車輛負載為典型的平均裝載率負載。值得注意的是，這些是模擬結果，因為這是比較重型長途車油耗的唯一現(xiàn)實方法。盡管仿真模型得到了很大程度的驗證，但進一步的道路測試對于模型驗證仍是有價值的。此外，示范車輛沒有配備功能齊全的余熱回收系統(tǒng)（WHR），極大限制了降耗的潛力。項目組將通過進一步的系統(tǒng)優(yōu)化來降低能耗。

這兩個值均略低于目標，因此未達到目標要求。但是，還存在潛力。例如，可以改善WHR的隔熱效果，以提高效率。此外，混合動力總成和速度控制之間的相互作用可以進一步改善。同樣，使用更大功率的重型混合動力可進一步提高效率潛力。因此，可以進一步提高動力總成效率，以達到20%的目標。示范驗證測試行駛將證明實際結果。在提交此報告之前，這是不可能做到的，因為事先需要批準上路測試。DAF計劃在項目結束后進行這些測試。

總體上，示范車輛降低了油耗，同時減少了二氧化碳排放量。此外，預計示范車輛達到歐VI排放法規(guī)，這一項尚未在項目中進行評估，由DAF自己進行評估。驗證測試仍在進行中。示范車輛達到或部分超過性能參數(shù)目標，可以在四種牽引力配置（即16噸/40噸，ICE和混合動力配置）下維持85 km/h的巡航速度，純電動模式續(xù)航里程為14公里（50K里/小時恒速）。與基準車輛相比，示范車輛的舒適性、乘坐性、操控性和NVH性能令人滿意。

3.3.2重量和尺寸

為了評估重量和體積要求，評估工程師通過DAF獲得一些信息和CAD數(shù)據(jù)，見圖4-4。

3.3排放

由于技術問題，評估工程師無法評估項目內(nèi)示范車輛的有害物排放，這使得示范車輛的應用延遲。車輛排放水平必須符合歐VI法規(guī)水平。為了使示范車輛得到道路行駛批準，目前正在進行最后的驗證測試。

達夫?qū)⒃陧椖拷Y束后進行PEMS測量。首先考慮要進行的測試，發(fā)現(xiàn)了有趣的法律問題。目前尚無關于如何評估混合動力系統(tǒng)的明確說明。因此，項目中基于常規(guī)動力總成的經(jīng)驗，來定義混合動力總成。項目基于這樣的假設：在相同的駕駛工況下，動力總成所傳遞的能量對于傳統(tǒng)車輛和示范車輛來說是相同的（動力總成=ICE+Em），因此該示范車輛的排放預計會更低。

3.4車輛性能

盡管并非所有目標都達標或可以測試，達夫長途示范車輛的總體性能仍被認為與基準車輛相當。

車輛以內(nèi)燃機模式或混動模式、時速85km/h、空載（車重16噸）和滿載（車重40噸）的形式進行測試，達到預期目標。車輛所采用的乘用車電機無法以較高速度在純電動模式下行駛，所以純電動模式無法進行測試。預計車輛滿載40噸時最高速度將在50km/h范圍以內(nèi)，但無法進行實際測試。因此，純電動模式的續(xù)駛里程也無法確定。根據(jù)參數(shù)計算，在純電動模式下，車輛以50km/h的速度行駛的續(xù)駛里程大約為14km。

車輛加速度分別以空車（車重16噸）和滿載（車重40噸）的方式進行測試。評估工程師評估了測試的日志文件，發(fā)現(xiàn)示范車輛和基準車輛之間的加速度值相當。

與基準車輛相比，車輛的系統(tǒng)初始化正常，不影響車輛使用。

對于充電，在項目開始時未設置實際目標值，這項內(nèi)容取決于電池系統(tǒng)。示范車輛中配備有充電設施?？梢岳冒l(fā)動機高轉(zhuǎn)速或通過三相工業(yè)用電為電池充電。

與基礎車輛相比，示范車輛的制動系統(tǒng)沒有變化。測試部門根據(jù)測試結果認為，在公共道路上行駛是安全的。

由于技術問題，無法進行爬坡能力測試。

3.5NVH

在試駕過程中，沒有遇到過大的噪音或異常振動。在車輛配置給定的情況下，RDW（荷蘭交通部）不需要進行任何噪音測試，因為車輛的最大噪聲等同于基礎車輛。

3.6操控性

該車輛能夠由專業(yè)駕駛員上路行駛，操縱性能可接受，而DAF內(nèi)部測試部門則為可接受的轉(zhuǎn)向性能提供了許可。EHPS（電動液壓助力轉(zhuǎn)向）比傳統(tǒng)的EHPS稍重，但對操縱性能沒有影響。當EHPS發(fā)生故障時，在緊急情況下車輛可手動轉(zhuǎn)向安全車道。

操控性能正在達到期望值。

3.7舒適性

與基準車輛相比，混動車輛有相同的駕駛室空間、負載能力和駕駛室氣候控制，且駕駛室內(nèi)部舒適度保持不變?；旌蟿恿δＪ较碌鸟{駛包括電動轉(zhuǎn)向泵的操作，電動轉(zhuǎn)向泵比基準車輛的液壓系統(tǒng)稍重（對駕駛員不是問題）。此外，由于電機的瞬態(tài)響應更快，混動車輛油門踏板的響應也更快一些。

車輛舒適性令人滿意，并達到期望值。

3.8安全標準

車輛應獲得以下兩項批準：

·獲得DAF內(nèi)部批準

·進行RDW（荷蘭交通部）測試以獲取上路批準

實施了示范車輛的典型安全標準，從而發(fā)布了DAF內(nèi)部測試批準。目前，在荷蘭交通部和DAF內(nèi)部測試的全面道路批準仍未完成。所有技術問題已被解決，但仍然需要處理相關的文檔工作。上路測試需要獲得道路批準，這對于進一步驗證仿真模型和排放測量是必要的。通常而言，混動示范車輛被認為是安全的。

3.9可靠性

由于技術問題，示范車輛的使用出現(xiàn)延遲，因此示范車輛的測試活動尚未完成。因此，對可靠性進行判斷比其他小組更困難。但是，項目組已采用技術手段來確保相關組件的結構完整性和密封性，確保能夠進行可靠的測試。在測試道路上進行的首次驗證已部分證明了這一點。此外，在DAF的新聞發(fā)布會上，記者駕駛了示范車輛，并給予積極的反饋?？傊?，對示范車輛可靠性的評估至少達到行業(yè)實際水平。

3.10電池壽命

電池是原型樣品，基于其他汽車項目的電氣架構，符合行業(yè)慣例。預計從原型樣品轉(zhuǎn)向量產(chǎn)的過程中還會有進一步改進。目前尚無電池壽命估算，這需要解決并反饋到成本溢價。

3.11充電便利性

在項目開始時未設置充電目標，因為充電的可用性取決于電池系統(tǒng)。最終存在兩種充電模式：（1）用內(nèi)燃機發(fā)電，進行充電;（2）通過外部三相電源充電。通常認為，提供兩種車輛充電解決方案是實用的解決方案。沒有使用標準插頭進行外部充電。

3.12人機界面

人機界面為駕駛員提供了足夠的信息，駕駛員可以看到與基準車輛相同的界面。增加有許多按鈕，可以對混合動力/電動功能進行精準控制，例如：

·從內(nèi)燃機供電模式轉(zhuǎn)變?yōu)榛旌蟿恿蚣冸妱幽Ｊ?/p>

·電池SoC（荷電狀態(tài)）（增/減），加上行車充電模式和再生制動模式

·內(nèi)燃機充電模式

有關混合動力/電動模式，顯示的信息不多，目的是不讓駕駛員感到不知所措，保持行駛輕松順暢，并且不會分散駕駛員的注意力，見圖8。

4總結

示范車輛符合安全、可靠性和耐用性要求，易于操作和充電，并配有清晰直觀的人機界面，可為駕駛員提供有關混合動力總成功能的相關信息。測試還強調(diào)了有可能進一步改進的領域，例如部署功能完善的余熱回收（WHR）系統(tǒng)，以提高燃油效率性能。

總而言之，DAF-XF-FT超級駕駛室車輛達到項目設定的大多數(shù)目標。它在2013年的SotA項目基礎上有了進步，使DAF產(chǎn)品定位接近市場應用。除余熱回收（WHR）系統(tǒng)外，示范車輛的總體技術成熟度達到TRL 7級（使用環(huán)境中的系統(tǒng)原型演示）。WHR系統(tǒng)除外，它達到TRL6級（相關環(huán)境中技術示范）。項目較好地實現(xiàn)了目標。雖然某些目標沒有達到，但通常這些內(nèi)容不影響車輛使用，一些示范車輛甚至獲得了上路許可。