孫國(guó)慶，李良波，施胡濱，劉剛

摘? 要：混合動(dòng)力技術(shù)是當(dāng)前越野車(chē)領(lǐng)域的重要發(fā)展方向。論文根據(jù)某輕型越野車(chē)設(shè)計(jì)需求，基于對(duì)各混合動(dòng)力構(gòu)型的分析，提出了適合該輕型越野車(chē)的P2路線。針對(duì)該型P2混合動(dòng)力越野車(chē)，首先根據(jù)車(chē)輛功能要求及P2構(gòu)型特點(diǎn)，定義整車(chē)功能;根據(jù)整車(chē)功能需求，通過(guò)理論計(jì)算初步選定動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)，然后利用AVL Cruise & Matlab/simulink進(jìn)行了整車(chē)動(dòng)力性經(jīng)濟(jì)性聯(lián)合仿真，最終達(dá)成整車(chē)動(dòng)力性經(jīng)濟(jì)性設(shè)計(jì)指標(biāo)。論文對(duì)越野車(chē)混合動(dòng)力構(gòu)型開(kāi)發(fā)具有一定的指導(dǎo)作用。

關(guān)鍵詞：越野車(chē);混合動(dòng)力;P2;AVL Cruise

中圖分類(lèi)號(hào)：U462.2? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ?文章編號(hào)：1005-2550（2021）04-0070-05

Researched on P2 hybrid configuration of light Off-road Vehicle

SUN Guo-Qing， LI Liang-bo， SHI Hu-bin， LIU Gang

（Dongfeng off-road vehicle Co.， Ltd， Wuhan 430058， China ）

Abstract： The hybrid technology is an important development direction in the field of off-road vehicle at present. According to the design requirements of a light off-road vehicle， based on the analysis of the current hybrid technology route， the paper proposed P2 configuration which is suitable for the light off-road vehicle. To the P2 hybrid light off-road vehicle， firstly， the whole vehicle function is defined according to the vehicle function requirements and P2 configuration characteristics; according to the vehicle function requirements， the powertrain parameters are preliminarily selected through theoretical calculation， and then the vehicle dynamic and economic joint simulation is carried out by using AVL Cruise & Matlab / Simulink， the vehicle power and economy design index is achieved Finally. This paper has a certain guiding role on the development of hybrid vehicle configuration.

1? ? 概述

隨著國(guó)家油耗、排放法規(guī)的不斷升級(jí)及國(guó)家能源戰(zhàn)略方向的引導(dǎo)，新能源汽車(chē)得到了快速發(fā)展。在純電動(dòng)技術(shù)尚未取得重大突破之前，混合動(dòng)力系統(tǒng)逐漸成為各大汽車(chē)公司重點(diǎn)發(fā)展的技術(shù)方案。越野車(chē)工作環(huán)境惡劣，工況復(fù)雜，對(duì)動(dòng)力性要求高;而主要適用于普通民用車(chē)輛的油耗法規(guī)則是民用越野車(chē)發(fā)展的一大技術(shù)難題。在傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)難以取得突破的情況下，混合動(dòng)力技術(shù)是解決民用越野車(chē)油耗問(wèn)題的一條重要途徑。

某輕型越野車(chē)為4×4全時(shí)四驅(qū)民用車(chē)輛，整車(chē)設(shè)計(jì)指標(biāo)如下：

（1）最高車(chē)速Vamax≥140km/h;

（2）最大爬坡度tanαmax≥60%;

（3）0～100 km/h 加速時(shí)間t≤18s。

（4）車(chē)輛最大設(shè)計(jì)總質(zhì)量5.6t。根據(jù)對(duì)重型商用車(chē)四階段油耗限值法規(guī)的預(yù)測(cè)，同時(shí)考慮一定的余量，要求滿足C-WTVC循環(huán)工況油耗≤11L/100km。

基于對(duì)該輕型越野車(chē)傳統(tǒng)動(dòng)力車(chē)型的動(dòng)力性經(jīng)濟(jì)性研究，確定在現(xiàn)有整車(chē)邊界條件下無(wú)法達(dá)成油耗限值要求，整車(chē)考慮采用混合動(dòng)力路線。

2? ? 混合動(dòng)力構(gòu)型分析

混合動(dòng)力汽車(chē)有多種分類(lèi)方式。按動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式劃分，可分為串聯(lián)式、并聯(lián)式、混聯(lián)式三類(lèi);按照是否外接充電可分為插電式和非插電式;按照混合度劃分，可分為微混、輕混、中混、重混等形式……按可再充電能量存儲(chǔ)系統(tǒng)類(lèi)型、技術(shù)特征、燃料類(lèi)型、功能結(jié)構(gòu)和車(chē)輛用途等，還有其它劃分方式[1]。當(dāng)前，行業(yè)內(nèi)應(yīng)用最廣泛的是按動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式分類(lèi)。

2.1? ?串聯(lián)式

串聯(lián)式混合動(dòng)力的最主要特點(diǎn)是發(fā)動(dòng)機(jī)不直接參與驅(qū)動(dòng)，只驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，電機(jī)是唯一驅(qū)動(dòng)源，串聯(lián)式構(gòu)型如圖1所示。串聯(lián)式優(yōu)點(diǎn)如下：1.發(fā)動(dòng)機(jī)不直接與機(jī)械系統(tǒng)相連，發(fā)動(dòng)機(jī)的工作狀態(tài)相對(duì)獨(dú)立，由此可將發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)定于最佳效率點(diǎn)工作;2.在電量保持模式下主要由發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，當(dāng)需求功率較小時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)閉，由動(dòng)力電池提供電能，這樣可避免發(fā)動(dòng)機(jī)的工作點(diǎn)波動(dòng)，保證發(fā)動(dòng)機(jī)工作于最佳效率點(diǎn)。但串聯(lián)式也有其劣勢(shì)：1.發(fā)動(dòng)機(jī)沒(méi)有直接參與驅(qū)動(dòng)，所以在機(jī)械能-電能-機(jī)械能的轉(zhuǎn)換過(guò)程中，會(huì)有功率損失，在高速行駛時(shí)，油耗會(huì)偏高;2.由于驅(qū)動(dòng)電機(jī)要滿足所有的動(dòng)力性要求，電機(jī)的功率、體積會(huì)偏大。

串聯(lián)式的應(yīng)用主要集中在市區(qū)工況比較多的乘用車(chē)和客車(chē)。典型代表車(chē)型有：日產(chǎn)E-Power;雪佛蘭VOLT;BMWi3增程版;廣汽傳祺GA5增程版;理想one等。

2.2? ?并聯(lián)式

并聯(lián)式混合動(dòng)力根據(jù)電機(jī)位置的不同，又分為P0、P1、P2、P2.5、P3、P4等構(gòu)型（P， Parallel，并聯(lián)式），如圖2所示，P0～P4用來(lái)區(qū)分各種有變速箱的并聯(lián)混動(dòng)構(gòu)型。并聯(lián)式混合動(dòng)力大量成熟產(chǎn)品已經(jīng)投放市場(chǎng)，歐系企業(yè)應(yīng)用較多，總體上依賴(lài)成熟的自動(dòng)變速箱技術(shù)，易于平臺(tái)化，但由于軸向空間的問(wèn)題，前驅(qū)車(chē)型挑戰(zhàn)大。

P0：電機(jī)位于發(fā)動(dòng)機(jī)前端輪系上。P0一般只應(yīng)用于自動(dòng)啟停系統(tǒng)，以及12-25V微混和48V弱混。

P1：電機(jī)位于發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸上。電機(jī)固連在了發(fā)動(dòng)機(jī)上，電機(jī)不能單獨(dú)驅(qū)動(dòng)。在制動(dòng)能量回收和滑行模式下，也因?yàn)楸仨殠?dòng)曲軸空轉(zhuǎn)而浪費(fèi)能量并增加噪音和振動(dòng)。P1沒(méi)有純電行駛模式，不適用于強(qiáng)混系統(tǒng)。

P2：電機(jī)位于發(fā)動(dòng)機(jī)與變速箱之間，位于離合器之后。電機(jī)與發(fā)動(dòng)機(jī)之間有離合器，因此可以單獨(dú)驅(qū)動(dòng);在制動(dòng)能量回收時(shí)也可以切斷與發(fā)動(dòng)機(jī)的連接;同時(shí)還能與現(xiàn)有的變速箱很好的集成。因此P2是目前市面混動(dòng)車(chē)型采用最多的模式。

P2.5：電機(jī)集成于變速箱內(nèi)部，功能同P2類(lèi)似。電機(jī)可布置在變速箱側(cè)面，軸向尺寸容易控制，但徑向尺寸會(huì)增加。電機(jī)扭矩不受變速箱輸入軸扭矩限制，但控制較為復(fù)雜。P2.5應(yīng)用不多，主要應(yīng)用在本田、比亞迪等車(chē)型上。

P3：電機(jī)位于變速箱輸出端。因?yàn)殡姍C(jī)必須與車(chē)軸相連，因此電機(jī)無(wú)法用于啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī);且發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩經(jīng)變速器放大后，為了保證發(fā)動(dòng)機(jī)/電機(jī)的扭矩比，電機(jī)需要輸出的扭矩就非常大，因此它的尺寸、重量就會(huì)增加。P3全球量產(chǎn)只有比亞迪秦2014款，比亞迪現(xiàn)已放棄P3構(gòu)型。

P4：電機(jī)放在后橋上，另外輪邊驅(qū)動(dòng)也叫P4。P4布局最大的特點(diǎn)是，電機(jī)與發(fā)動(dòng)機(jī)不驅(qū)動(dòng)同一軸，這意味著：1.車(chē)輛可以實(shí)現(xiàn)四驅(qū);2.電機(jī)與發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際上是通過(guò)地面耦合，在車(chē)輛內(nèi)部不存在任何機(jī)械連接。P4大多應(yīng)用于各種插電混動(dòng)或者是弱混模式。

2.3? ?混聯(lián)式

混聯(lián)式混合動(dòng)力兼有串聯(lián)、并聯(lián)的特點(diǎn)，主要有功率分流式（PS，Power Split）及雙電機(jī)串/并聯(lián)式（P/S）。目前，業(yè)內(nèi)主流觀點(diǎn)認(rèn)為最好的混合動(dòng)力技術(shù)是PS技術(shù)，豐田的THS技術(shù)、通用汽車(chē)的Voltec等采用此種技術(shù)模式。但受限于豐田將單行星排、雙電機(jī)系統(tǒng)申請(qǐng)了專(zhuān)利;通用汽車(chē)將雙行星排、雙電機(jī)系統(tǒng)申請(qǐng)了專(zhuān)利;凱迪拉克將三行星排、雙電機(jī)電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)申請(qǐng)了專(zhuān)利，其它企業(yè)能夠介入PS技術(shù)的產(chǎn)品不多。

雙電機(jī)串/并聯(lián)構(gòu)型（P/S）動(dòng)力性一般，經(jīng)濟(jì)性較好（發(fā)動(dòng)機(jī)需針對(duì)性?xún)?yōu)化），平順性較好;機(jī)械系統(tǒng)簡(jiǎn)單，容易集成，相對(duì)容易平臺(tái)化，可以方便的實(shí)現(xiàn)HEV、PHEV間的傳動(dòng)系統(tǒng)共享。但雙電機(jī)系統(tǒng)成本高，效率低，NVH挑戰(zhàn)大，總體處于驗(yàn)證中。本田的i-MMD系統(tǒng)是其典型代表，國(guó)內(nèi)代表車(chē)型有上汽榮威e550;長(zhǎng)安CS75 PHEV等。

3? ? P2構(gòu)型的提出

越野車(chē)特別是硬派越野車(chē)，由于其行駛地域的特殊性，插電混動(dòng)對(duì)其意義不大，常用油電混動(dòng)即非插電式實(shí)現(xiàn)改善車(chē)輛動(dòng)力性經(jīng)濟(jì)性的目的。由于其前置四驅(qū)特性，考慮到車(chē)輛軸向布置空間，串/并聯(lián)雙電機(jī)布置形式難以實(shí)現(xiàn);同時(shí)功率分流式又受制于部分企業(yè)的技術(shù)壟斷，故混聯(lián)式混合動(dòng)力在越野車(chē)上應(yīng)用困難。

串聯(lián)式四驅(qū)越野車(chē)主要形式有橋電機(jī)、輪邊驅(qū)動(dòng)、輪轂電機(jī)等形式。橋電機(jī)對(duì)于前置四驅(qū)越野車(chē)前橋總布置有很大挑戰(zhàn)，目前應(yīng)用很少;輪邊驅(qū)動(dòng)、輪轂電機(jī)技術(shù)尚不成熟，輪邊驅(qū)動(dòng)少量應(yīng)用在客車(chē)上;輪轂電機(jī)的簧下質(zhì)量是困擾其發(fā)展的技術(shù)難題，但因?yàn)槠湔w優(yōu)越的性能，在軍用越野車(chē)上得到重視，但多數(shù)處于技術(shù)預(yù)研階段。

并聯(lián)式混合動(dòng)力構(gòu)型動(dòng)力性好，同時(shí)兼顧經(jīng)濟(jì)性，并聯(lián)式構(gòu)型在越野車(chē)上有很好的應(yīng)用前景。各混合動(dòng)力構(gòu)型動(dòng)力性經(jīng)濟(jì)性對(duì)比如表1所述：

基于以上對(duì)各混動(dòng)構(gòu)型的分析，綜合考慮成本、現(xiàn)有供應(yīng)商資源等否決項(xiàng)因素，該輕型越野車(chē)混合動(dòng)力方案優(yōu)選基于AT的P2構(gòu)型。

4? ? 整車(chē)動(dòng)力性經(jīng)濟(jì)性仿真

4.1? ?整車(chē)功能概述

基于AT的P2混動(dòng)變速箱開(kāi)發(fā)思路如圖6所示?？紤]到發(fā)動(dòng)機(jī)的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)對(duì)底盤(pán)的沖擊，發(fā)動(dòng)機(jī)飛輪端需加扭轉(zhuǎn)減振器來(lái)衰減振動(dòng)。

該輕型P2構(gòu)型越野車(chē)功能需求如下：常規(guī)行駛時(shí)，由發(fā)動(dòng)機(jī)提供能量;急加速或車(chē)輛有較大扭矩需求時(shí)，由發(fā)動(dòng)機(jī)、電機(jī)共同驅(qū)動(dòng);低速、怠速行駛時(shí)，進(jìn)入純電模式。由此，可初步計(jì)算動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)。

4.2? ?動(dòng)力系統(tǒng)初步選型

通過(guò)理論計(jì)算[2-5]，初步選定的發(fā)動(dòng)機(jī)、電機(jī)、動(dòng)力電池等主要參數(shù)如表2所示：

4.3? ?整車(chē)動(dòng)力性經(jīng)濟(jì)性仿真

用AVL Cruise軟件建立P2混動(dòng)越野車(chē)動(dòng)力性經(jīng)濟(jì)性仿真模型，用Matlab/simulink模塊設(shè)置仿真控制策略，根據(jù)《GB/T 19752-2005 混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力性能試驗(yàn)方法》[6]及《GB/T 19754 -2015 重型混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)能量消耗量試驗(yàn)方法》[7]設(shè)置動(dòng)力性經(jīng)濟(jì)性計(jì)算任務(wù)?；贏VL Cruise與Matlab/simulink的DLL接口或API接口，開(kāi)展AVL Cruise & Matlab/simulink聯(lián)合仿真。

反復(fù)優(yōu)化控制策略，使發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)工況點(diǎn)盡可能處于高效區(qū)。同時(shí)根據(jù)《GB/T 19754-2015 重型混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)能量消耗量試驗(yàn)方法》規(guī)定，使動(dòng)力電池的SOC平衡誤差處于規(guī)定范圍內(nèi)，仿真結(jié)果如表3所示。由表3可知，動(dòng)力性經(jīng)濟(jì)性各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)標(biāo)，仿真結(jié)果證實(shí)了P2構(gòu)型選擇的合理性。

5? ? 結(jié)束語(yǔ)

論文基于某輕型越野車(chē)設(shè)計(jì)需求，分析了混合動(dòng)力各構(gòu)型特點(diǎn)，提出了適合某輕型越野車(chē)的P2構(gòu)型。論文定義了P2混動(dòng)越野車(chē)的功能模式，通過(guò)理論計(jì)算初步選定了動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)，并基于AVL Cruise & Matlab/simulink軟件開(kāi)展了動(dòng)力性經(jīng)濟(jì)性仿真。仿真結(jié)果表明，P2構(gòu)型能滿足該型越野車(chē)整車(chē)動(dòng)力性經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)。論文對(duì)輕越野車(chē)混合動(dòng)力構(gòu)型開(kāi)發(fā)具有一定的指導(dǎo)作用。

參考文獻(xiàn)：

[1]QC/T 837-2010 混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)類(lèi)型.

[2]余志生.汽車(chē)?yán)碚揫M].第五版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009.

[3]彭莫，刁增祥.汽車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)計(jì)算匹配及評(píng)價(jià)[M].北京：北京理工大學(xué)出版社，2009.

[4]崔勝民.新能源汽車(chē)技術(shù)解析 [M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2017.

[5]孫國(guó)慶，孟建軍，葉建偉等.基于Cruise的越野車(chē)動(dòng)力匹配技術(shù)研究[J].汽車(chē)科技，2018（5）：29-33.

[6]GB/T 19752-2005 混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力性能試驗(yàn)方法.

[7]GB/T 19754-2015 重型混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)能量消耗量試驗(yàn)方法.

孫國(guó)慶

畢業(yè)于天津大學(xué)，碩士研究生，現(xiàn)就職于東風(fēng)越野車(chē)有限公司，任整車(chē)產(chǎn)品定義及性能集成主管工程師，主要研究整車(chē)動(dòng)力性經(jīng)濟(jì)性開(kāi)發(fā)，已發(fā)表論文2篇。