伍賽特

(上海汽車集團(tuán)股份有限公司，上海 200438)

0 引言

統(tǒng)計(jì)表明，目前汽車發(fā)動(dòng)機(jī)使用工況多數(shù)會(huì)遠(yuǎn)離最佳經(jīng)濟(jì)油耗區(qū)域，由此難以實(shí)現(xiàn)動(dòng)力和傳動(dòng)系統(tǒng)的最佳匹配，而該項(xiàng)工作對(duì)汽車性能具有決定性的影響[1]。通過(guò)合理匹配汽車動(dòng)力和傳動(dòng)系統(tǒng)、降低燃油消耗是一項(xiàng)有待進(jìn)一步研究的課題。

在總體布置開(kāi)始之前進(jìn)行整車和發(fā)動(dòng)機(jī)性能的分析和匹配研究，能對(duì)整車的性能進(jìn)行初步預(yù)測(cè)，在整車方案和各總成的參數(shù)確定之后，還能根據(jù)各總成、部件設(shè)計(jì)所提供的具體數(shù)據(jù)對(duì)整車性能盡快做出全面、準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)，便于及早發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，進(jìn)行調(diào)整和修改。上述工作均可大幅提高設(shè)計(jì)質(zhì)量、縮短研制周期。

1 汽車動(dòng)力系統(tǒng)匹配設(shè)計(jì)概述

在評(píng)價(jià)某款車型時(shí)，首先會(huì)想到其所搭載的發(fā)動(dòng)機(jī)型號(hào)，進(jìn)而會(huì)考慮到變速箱種類。發(fā)動(dòng)機(jī)和變速箱對(duì)一款汽車的重要性是毋庸置疑的。如果說(shuō)發(fā)動(dòng)機(jī)是汽車的心臟，那變速箱就是心臟的主動(dòng)脈，發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力只有經(jīng)過(guò)變速箱才能傳遞到整車傳動(dòng)系統(tǒng)，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)整車前進(jìn)。

不僅如此，如需充分發(fā)揮發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力優(yōu)勢(shì)，需要做好發(fā)動(dòng)機(jī)與整車的匹配工作，即一方面要讓發(fā)動(dòng)機(jī)舒服地工作，另一方面需將發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力在合適的時(shí)機(jī)傳遞給整車系統(tǒng)，并以此驅(qū)動(dòng)整車前進(jìn)，下文對(duì)此進(jìn)行簡(jiǎn)要說(shuō)明。

車用發(fā)動(dòng)機(jī)在開(kāi)發(fā)過(guò)程中，經(jīng)過(guò)了大量的開(kāi)發(fā)和標(biāo)定工作，開(kāi)發(fā)和標(biāo)定工作是在特定的邊界條件下完成的。發(fā)動(dòng)機(jī)在整車實(shí)際使用過(guò)程中，整車相關(guān)系統(tǒng)若能在發(fā)動(dòng)機(jī)開(kāi)發(fā)和標(biāo)定中覆蓋的邊界條件下，則發(fā)動(dòng)機(jī)將運(yùn)作得更為流暢，發(fā)揮出更優(yōu)越的性能；若發(fā)動(dòng)機(jī)工作的邊界條件得不到保證，則發(fā)動(dòng)機(jī)的性能將會(huì)受到顯著的影響。

其次，發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力能否很好地傳遞到整車系統(tǒng)。發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)揮的性能，用于驅(qū)動(dòng)整車前進(jìn)的部分為有用部分，其余損耗部分為無(wú)用功。努力提高有用部分比例，減少無(wú)用功占比，亦是一項(xiàng)需要重點(diǎn)考慮的問(wèn)題。

2 汽車動(dòng)力系統(tǒng)匹配設(shè)計(jì)發(fā)展趨勢(shì)

近年來(lái)，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，越來(lái)越多的新技術(shù)在汽車上得到應(yīng)用，這對(duì)整車匹配設(shè)計(jì)也提出了新的挑戰(zhàn)。在汽車發(fā)展過(guò)程中，汽車的功能不斷增加，汽車的結(jié)構(gòu)變得越來(lái)越復(fù)雜，汽車的零部件數(shù)量不斷增多，因此汽車匹配設(shè)計(jì)的難度不斷增加。下文簡(jiǎn)要分析汽車整車動(dòng)力系統(tǒng)匹配設(shè)計(jì)的發(fā)展趨勢(shì)。

2.1 混合動(dòng)力汽車匹配設(shè)計(jì)及發(fā)展趨勢(shì)

混合動(dòng)力汽車不僅需要考慮發(fā)動(dòng)機(jī)與變速箱的匹配、動(dòng)力總成與整車的匹配[2-4]，根據(jù)混合動(dòng)力技術(shù)的不同，還需要考慮混合動(dòng)力系統(tǒng)在動(dòng)力總成內(nèi)部的匹配關(guān)系。根據(jù)QC/T 837—2010《混合動(dòng)力電動(dòng)汽車類型》的定義，按照混合度劃分，混合動(dòng)力電動(dòng)汽車分為微混合型混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(Micro Hybrid Electric Vehicle)、輕度混合型混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(Mild Hybrid Electric Vehicle)和重度混合(強(qiáng)混合)型混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(Full Hybrid Electric Vehicle)。3種型號(hào)的混合動(dòng)力汽車的具體區(qū)分如下：

(1)微混合型混合動(dòng)力電動(dòng)汽車是以發(fā)動(dòng)機(jī)為主要?jiǎng)恿υ?，電機(jī)作為輔助動(dòng)力，具備制動(dòng)能量回收功能的混合動(dòng)力電動(dòng)汽車。電機(jī)的峰值功率和總功率的比值小于10%。僅具有停車怠速停機(jī)功能的汽車也可稱為微混合型混合動(dòng)力電動(dòng)汽車。BSG(皮帶驅(qū)動(dòng)起動(dòng)發(fā)電機(jī))技術(shù)路線的48 V系統(tǒng)汽車，根據(jù)電機(jī)峰值功率和總功率的比值，部分屬于微混合型混合動(dòng)力電動(dòng)汽車[5-7]。

(2)輕度混合型混合動(dòng)力電動(dòng)汽車是以發(fā)動(dòng)機(jī)為主要?jiǎng)恿υ?，電機(jī)作為輔助動(dòng)力，在車輛加速和爬坡時(shí)，電機(jī)可向車輛行駛系統(tǒng)提供輔助驅(qū)動(dòng)力矩的混合動(dòng)力電動(dòng)汽車。一般情況下，電機(jī)的峰值功率和總功率的比值大于10%。ISG(整體起動(dòng)發(fā)電機(jī))技術(shù)路線的48 V系統(tǒng)汽車，根據(jù)電機(jī)峰值功率和總功率的比值，部分屬于輕度混合型混合動(dòng)力電動(dòng)汽車。

(3)重度混合(強(qiáng)混合)型混合動(dòng)力電動(dòng)汽車是以發(fā)動(dòng)機(jī)和(或)電機(jī)作為動(dòng)力源，一般情況下，電機(jī)的峰值功率和總功率的比值大于30%，且電機(jī)可以獨(dú)立驅(qū)動(dòng)車輛正常行駛的混合動(dòng)力電動(dòng)汽車。P2技術(shù)路線的汽車，根據(jù)電機(jī)峰值功率和總功率的比值，部分屬于重度混合型混合動(dòng)力電動(dòng)汽車。

混合動(dòng)力電動(dòng)汽車匹配過(guò)程中需要重點(diǎn)關(guān)注的內(nèi)容如下：停車怠速停機(jī)功能的汽車，同傳統(tǒng)汽車的區(qū)別是增加了停車怠速停機(jī)功能，主要通過(guò)增強(qiáng)型起動(dòng)機(jī)或起發(fā)一體式電機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。在匹配設(shè)計(jì)過(guò)程中，需要重點(diǎn)關(guān)注增強(qiáng)型起動(dòng)機(jī)或起發(fā)一體式電機(jī)性能、外形尺寸、接口尺寸方面的內(nèi)容。

性能方面主要關(guān)注其起動(dòng)次數(shù)相對(duì)傳統(tǒng)汽車有顯著提升，以及對(duì)耐久性能要求的提高和怠速起停過(guò)程中噪聲方面的影響。

外形尺寸方面主要關(guān)注其體積增大對(duì)周邊間隙的影響，避免因設(shè)計(jì)校核階段的疏忽而導(dǎo)致試制驗(yàn)證階段的設(shè)計(jì)變更。

接口尺寸方面主要關(guān)注包括外形尺寸的變更對(duì)安裝尺寸的變更和電器接插件匹配的影響。對(duì)于停車怠速停機(jī)功能的汽車，需要關(guān)注的另一重要部件為蓄電池，由于整車全生命周期中起動(dòng)次數(shù)顯著增加，對(duì)蓄電池壽命帶來(lái)嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，若不對(duì)蓄電池進(jìn)行針對(duì)性設(shè)計(jì)，將大幅降低蓄電池使用壽命。

48 V系統(tǒng)技術(shù)汽車，相對(duì)傳統(tǒng)汽車增加了BSG或ISG電機(jī)、動(dòng)力電池、控制器等部件。在匹配設(shè)計(jì)中，首先需要考慮各部件的性能對(duì)整車性能的影響，特別要考慮BSG或ISG電機(jī)在車輛起步階段對(duì)車型起步性能的貢獻(xiàn)及起步階段與發(fā)動(dòng)機(jī)性能的匹配關(guān)系；其次，需要考慮各部件的布置，通常而言，BSG或ISG電機(jī)布置在機(jī)艙內(nèi)，需要考慮其安裝空間、接口尺寸和運(yùn)動(dòng)干涉、熱害性能等方面的因素。動(dòng)力電池根據(jù)布置需要放置在機(jī)艙內(nèi)或乘員艙內(nèi)，動(dòng)力電池布置過(guò)程中需要同步考慮空間要求和電池冷熱特性實(shí)現(xiàn)。為了保持良好的性能，在高溫條件下需要做好動(dòng)力電池的降溫工作，在低溫條件下需要使動(dòng)力電池快速升溫；若動(dòng)力電池布置在乘員艙內(nèi)，特別需要關(guān)注其安全防護(hù)。

P2技術(shù)汽車，在匹配設(shè)計(jì)過(guò)程中首先需要解決的是P2電機(jī)的布置和接口匹配、性能匹配等問(wèn)題。P2電機(jī)布置在發(fā)動(dòng)機(jī)后端、變速箱前端，因此，需要重點(diǎn)關(guān)注它與發(fā)動(dòng)機(jī)和變速箱的物理接口匹配關(guān)系。P2電機(jī)作為整車驅(qū)動(dòng)的重要?jiǎng)恿υ矗湫阅軐?duì)整車性能有重要影響，在匹配設(shè)計(jì)過(guò)程中，需要對(duì)P2電機(jī)與發(fā)動(dòng)機(jī)雙動(dòng)力源作用下的整車性能進(jìn)行詳細(xì)的計(jì)算，以便做好P2電機(jī)的選型。

2.2 智能網(wǎng)聯(lián)汽車匹配設(shè)計(jì)及發(fā)展趨勢(shì)

隨著智能網(wǎng)聯(lián)技術(shù)的發(fā)展，整車智能化水平越來(lái)越高，發(fā)動(dòng)機(jī)也在適應(yīng)智能化的需要進(jìn)行相應(yīng)的升級(jí)工作。智能網(wǎng)聯(lián)汽車匹配設(shè)計(jì)過(guò)程中，重點(diǎn)關(guān)于新功能零部件的布置、接口匹配、信號(hào)通信與匹配、軟件功能開(kāi)發(fā)、EMC(電磁兼容)等方面的問(wèn)題。

為了適應(yīng)整車智能化和網(wǎng)聯(lián)化，必然增加很多新的零部件，這些零部件在車內(nèi)和機(jī)艙內(nèi)的物理布置需要考慮，不僅需要關(guān)注其物理空間的問(wèn)題，還需要關(guān)注其受熱害熱輻射的影響，以及控制線束的布置和固定是否滿足零部件本身的安裝和布置要求等多方面的因素。

智能化和網(wǎng)聯(lián)化方面新增的零部件大多帶有電器接口，在進(jìn)行線束設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮接口的匹配和信號(hào)通信與匹配，這樣才能確保裝配后相關(guān)功能正常的實(shí)現(xiàn)。智能化和網(wǎng)聯(lián)化需要有相應(yīng)的控制單位來(lái)實(shí)現(xiàn)，通過(guò)與整車ECU(電子控制單元)或VCU(整車控制器)的集成可實(shí)現(xiàn)，通過(guò)單獨(dú)的控制器也可實(shí)現(xiàn)。不管什么模式，控制器與ECU或VCU之間的通信是必須的，通過(guò)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)或車輛運(yùn)行工況的識(shí)別，判斷車輛運(yùn)行工況、駕駛員意圖，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)車輛的控制。

控制器軟件功能的開(kāi)發(fā)對(duì)智能化和網(wǎng)聯(lián)化功能的實(shí)現(xiàn)具有重要的意義，這是智能化和網(wǎng)聯(lián)化實(shí)現(xiàn)的核心之一。隨著車輛功能的不斷增加，車內(nèi)的傳感器、控制器和執(zhí)行器越來(lái)越多，各零部件之間的電磁干涉不斷增加，為保證整車電器功能的正常運(yùn)行，車輛開(kāi)發(fā)過(guò)程中必須進(jìn)行電磁干擾測(cè)試，這是整車匹配驗(yàn)證的重要試驗(yàn)之一。

2.3 燃料電池汽車匹配設(shè)計(jì)及發(fā)展趨勢(shì)

近年來(lái)，燃料電池汽車技術(shù)得到了飛速的發(fā)展，日本和歐美燃料電池汽車的發(fā)展相對(duì)我國(guó)更快。其中日本燃料電池技術(shù)領(lǐng)先我國(guó)約10年時(shí)間，日本豐田和本田均量產(chǎn)了搭載燃料電池的乘用車，日本每年各類燃料電池汽車的銷售量可達(dá)到近萬(wàn)輛。

近年來(lái)，我國(guó)對(duì)燃料電池技術(shù)的研究不斷進(jìn)步，上汽等國(guó)內(nèi)知名汽車企業(yè)和清華大學(xué)、同濟(jì)大學(xué)等高校一起，已開(kāi)始進(jìn)行燃料電池汽車集成和控制技術(shù)的研究。相對(duì)于傳統(tǒng)燃油車，燃料電池汽車并未采用傳統(tǒng)意義上的發(fā)動(dòng)機(jī)，取而代之的是燃料電池動(dòng)力裝置。

燃料電池動(dòng)力裝置是由燃料電池電堆和相關(guān)輔助系統(tǒng)(氫氣系統(tǒng)、空氣系統(tǒng)、增濕系統(tǒng)、水熱管理系統(tǒng)等)在一起組成的能實(shí)現(xiàn)氫氣發(fā)電的整套系統(tǒng)的總稱。氫氣通過(guò)氫氣系統(tǒng)，以一定的形式進(jìn)入燃料電池電堆，與空氣系統(tǒng)的氧氣進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，氫原子與氧原子結(jié)合轉(zhuǎn)化為水，電子流動(dòng)進(jìn)而產(chǎn)生電能[8-10]。

為了保證燃料電池電堆的正常運(yùn)行，需要對(duì)進(jìn)入電堆的空氣進(jìn)行加濕(最先進(jìn)的技術(shù)已經(jīng)可取消加濕系統(tǒng))，保持空氣的濕潤(rùn)；水熱管理系統(tǒng)保證燃料電池電堆內(nèi)部處于合理的溫度范圍內(nèi)。溫度過(guò)低，燃料電池電堆無(wú)法正常工作或工作效率偏低；溫度過(guò)高，燃料電池電堆超過(guò)過(guò)熱保護(hù)，同樣無(wú)法正常工作。

燃料電池汽車匹配設(shè)計(jì)過(guò)程中，重點(diǎn)是從燃料電池相關(guān)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求出發(fā)，確保燃料電池系統(tǒng)正常高效地工作，做好氫氣系統(tǒng)(含氫氣引射系統(tǒng))的設(shè)計(jì)以及空氣系統(tǒng)(含加濕系統(tǒng)和增壓系統(tǒng))、水熱管理系統(tǒng)和電控系統(tǒng)等方面的匹配設(shè)計(jì)工作[11]。

3 結(jié)論及展望

隨著動(dòng)力系統(tǒng)匹配設(shè)計(jì)在汽車工程中的應(yīng)用不斷深入以及現(xiàn)代計(jì)算方法的發(fā)展，目前美國(guó)、日本以及歐洲的一些著名的汽車公司在該領(lǐng)域廣泛采用了計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)，并在這方面做了大量的工作，形成了一整套新的理論和新方法，并研制出了方便、可靠的計(jì)算機(jī)模擬程序，使其在提高汽車性能、加快研制周期方面起了巨大的作用。

進(jìn)入新世紀(jì)以來(lái)，我國(guó)汽車工業(yè)得到了飛速發(fā)展，技術(shù)水平突飛猛進(jìn)，政策銷量與日俱增。但即便如此，相比世界先進(jìn)水平依然有一定的差距，為此仍需戒驕戒躁，穩(wěn)步發(fā)展！