田方，耿志勇，陳琳，余修濤，盧甲

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重型商用車混合動力構(gòu)型研究

田方，耿志勇，陳琳，余修濤，盧甲

（陜西汽車集團(tuán)有限責(zé)任公司技術(shù)中心，陜西 西安 710200）

研究分析了多種重型商用車混合動力系統(tǒng)構(gòu)型，著重對BSG系統(tǒng)、單電機(jī)ISG系統(tǒng)、雙電機(jī)系統(tǒng)多種構(gòu)型的結(jié)構(gòu)與原理進(jìn)行了分析，通過對多種構(gòu)型技術(shù)路線優(yōu)勢與重型商用車的分析，給出了重型商用車未來技術(shù)路線的方向，可為其他重型混合動力商用汽車產(chǎn)品的開發(fā)及混動技術(shù)路線的選擇提供參考經(jīng)驗(yàn)。

混合動力；技術(shù)路線；重型商用車；產(chǎn)品開發(fā)

1 研究背景和意義

混合動力汽車近些年來的保有量不斷增加，特別是我國大力鼓勵發(fā)展新能源汽車產(chǎn)業(yè)以來，以插電式混合動力汽車為主的油電/氣電混合動力汽車正在以超乎尋常的速度增長，其可以采用優(yōu)化發(fā)動機(jī)瞬態(tài)油耗及排放，實(shí)現(xiàn)怠速啟停、實(shí)現(xiàn)純電起步、實(shí)現(xiàn)高效能源管理及電氣化輔機(jī)等多種手段，實(shí)現(xiàn)動力性與經(jīng)濟(jì)性兼顧的一個有效手段。重型商用車方面，混合動力技術(shù)路線也被認(rèn)為是在實(shí)現(xiàn)使用階段完全零排放之前，節(jié)能汽車的一個重要技術(shù)路線；插電式混合動力在一個相當(dāng)長的時(shí)期內(nèi)也是新能源汽車部分零排放的有效解決方案。

2 重型商用車混合動力系統(tǒng)常見構(gòu)型

混合動力汽車/插電式混合動力汽車（含增程式）的技術(shù)路線相對較多，按照混合動力系統(tǒng)依照其動力形式可以分為串聯(lián)、并聯(lián)和混連式；根據(jù)其動力電機(jī)的布置位置、電機(jī)的功率扭矩參數(shù)、應(yīng)用條件相對較多，在重型商用車上常見構(gòu)型基本可分為以下幾種：BSG微混、單電機(jī)中輕混、雙電機(jī)強(qiáng)混方案等。

2.1 BSG/P0微混

BSG(Belt-driven Starter/Generator)皮帶傳動啟動/發(fā)電一體化方案，是一種較為經(jīng)濟(jì)的混合動力實(shí)現(xiàn)方式，在乘用車上以48V微混的形式，已在部分品牌的部分車型上形成量產(chǎn)，其能夠?qū)崿F(xiàn)如快速啟停、部分制動能量回收等工作模式，但其先天的結(jié)構(gòu)導(dǎo)致了其采用的電機(jī)、動力電池組均為較低功率，無法達(dá)到較高的混合度，其BSG皮帶電機(jī)位于曲軸前端，電機(jī)無法直接驅(qū)動車輛與制動能量回收，整車的傳統(tǒng)部件電氣化程度依然較低。

其能夠以較低的混動系統(tǒng)新增成本以及較小的傳統(tǒng)零部件改動實(shí)現(xiàn)混合動力，在乘用車上也可冠以HYBRID之名，但其就技術(shù)方面而言只能歸為弱混的一種，可視作為一種低物料成本的混動系統(tǒng)解決方案。商用車方面，卡車的BSG較為少見，在約2010年前后BSG曾經(jīng)在國內(nèi)多家客車上短暫出現(xiàn)過一段時(shí)間，但并未大規(guī)模推廣。分析其原因是多方面的，主要原因一方面BSG為傳動皮帶，雖然可避免過載但傳遞的扭矩有限，不能滿足混動系統(tǒng)的高效要求，且會為系統(tǒng)帶來較高的故障率，再者帶傳動引起的曲軸偏載、混動系統(tǒng)本身控制的問題都使整體系統(tǒng)的可靠性問題較為顯著。

雖然BSG并未形成大規(guī)模的推廣，但當(dāng)時(shí)不失為一種商用車混合動力系統(tǒng)的大膽嘗試，其為后來其他混動系統(tǒng)的推廣積累了大量寶貴經(jīng)驗(yàn)。

圖1 BSG方案構(gòu)型

2.2 E+C+ISG+T/P2方案E+ISG+C+T/P1方案中、輕混并聯(lián)

ISG（Integrated Starter & Generator）啟動發(fā)電一體化方案是中、輕混合動力系統(tǒng)的常見方案，將盤式電機(jī)集成在發(fā)動機(jī)主軸上，以高壓動力電池系統(tǒng)配合電機(jī)及動力控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)混合動力。常見的為布置于離合器之后的P2方案混動系統(tǒng)，與變速器一同提供，國內(nèi)、外一般變速器廠家的混合動力系統(tǒng)解決方案多為此方案；布置于離合器之前，以電機(jī)轉(zhuǎn)子替代飛輪，實(shí)現(xiàn)發(fā)動機(jī)與電機(jī)的P1連接方案，多為電機(jī)與發(fā)動機(jī)一同提供，發(fā)動機(jī)廠家提供的混合動力系統(tǒng)解決方案多為此方案。

單電機(jī)P2混合動力方案其多能夠?qū)崿F(xiàn)純電起步、發(fā)動機(jī)快速啟停、制動能量回收、發(fā)動機(jī)瞬態(tài)工況調(diào)節(jié)等功能，P1由于無法實(shí)現(xiàn)發(fā)動機(jī)與電動機(jī)解耦，無法實(shí)現(xiàn)純電起步以及脫開發(fā)動機(jī)的制動能量回收。P2方案的混動一般電機(jī)和電池的功率相對較大，混合度相對較高，成本較高，可實(shí)現(xiàn)相對較高的節(jié)油率及行駛體驗(yàn)；P1方案混動一般電機(jī)和電池的功率相對較小，混合度相對較低，混動系統(tǒng)及整車的造價(jià)相對低廉，是低成本混動的優(yōu)選方案。

此兩種方案共同的缺點(diǎn)為，僅有一臺ISG電機(jī)，既要發(fā)動機(jī)發(fā)電和制動能量回收保持動力電池組SOC，又要在隨時(shí)需要時(shí)介入以保障整車的動力需求，僅有的一臺電機(jī)無法實(shí)現(xiàn)所有工況下的高效的驅(qū)動及發(fā)電，其動力系統(tǒng)控制方案相對來講很難做到多種工況適應(yīng)，也很難保證復(fù)雜工況下的動力性及經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)。

圖2 ISG單電機(jī)方案P2構(gòu)型

圖3 ISG單電機(jī)方案P1構(gòu)型

2.3 E+C+ISG+C+TM P2+3/E+C+ISG+T+TM P2+3強(qiáng)混同軸混聯(lián)

雙電機(jī)同軸混連系統(tǒng)一般采用一個主發(fā)電的ISG電機(jī)和一個主驅(qū)動的TM電機(jī)，ISG采用離合器或扭轉(zhuǎn)減震器與發(fā)動機(jī)相連，ISG電機(jī)之后采用離合器或者變速器與TM電機(jī)相連。

發(fā)動機(jī)與ISG電機(jī)之間采用離合器相連，可實(shí)現(xiàn)發(fā)動機(jī)與動力系統(tǒng)解耦，使ISG參與驅(qū)動輸出動力，增加純電動驅(qū)動或制動能量回收工況時(shí)的雙電機(jī)系統(tǒng)的扭矩上限；若發(fā)動機(jī)與ISG電機(jī)之間采用扭轉(zhuǎn)減震器，多用于ISG只用來發(fā)電的工況，結(jié)構(gòu)上避免使用自動離合器，結(jié)構(gòu)更緊湊，一般適配全功率的TM電機(jī)保證動力系統(tǒng)輸出，也使得整車控制系統(tǒng)相對簡化。

ISG與TM電機(jī)之間采用離合器連接，可在離合器處于分離狀態(tài)時(shí)實(shí)現(xiàn)雙電機(jī)間動力連接中斷，此時(shí)同軸混連系統(tǒng)可處于串聯(lián)工作模式，也可處于TM電機(jī)單獨(dú)驅(qū)動或制動能量回收模式；在離合器處于結(jié)合狀態(tài)時(shí)雙電機(jī)動力連接，系統(tǒng)根據(jù)1號離合器的狀態(tài)，可處于雙電機(jī)共同驅(qū)動、雙電機(jī)共同制動能量回收、發(fā)動機(jī)與雙電機(jī)共同驅(qū)動等多種工作模式。ISG電機(jī)與TM電機(jī)之間采用一個少檔位變速器，是近些年來各總成提供商提供的一條較新的技術(shù)路線，普遍匹配2檔或4檔AMT，實(shí)現(xiàn)ISG的扭矩放大，以滿足更大的動力系統(tǒng)輸出扭矩、更多樣的扭矩分配模式、更寬的工況適用范圍，而且由于AMT自動變速器的引入，使得發(fā)動機(jī)在較低轉(zhuǎn)速時(shí)就可切入驅(qū)動，相對串聯(lián)工況可減小部分能量損失，進(jìn)一步的提高效率。

此兩種方案的缺點(diǎn)也相對較明顯，雙電機(jī)、雙電機(jī)控制器和雙自動離合器的引入使得系統(tǒng)整體造價(jià)成本較高，若再加上扭轉(zhuǎn)減震器和AMT變速器及其控制器，系統(tǒng)整體造價(jià)將會上升更多。再者，發(fā)動機(jī)與雙電機(jī)協(xié)同控制，以及其與AMT的控制協(xié)同，使得系統(tǒng)的控制難度有大幅增加，整套系統(tǒng)的策略、調(diào)試與標(biāo)定水平對整車的綜合表現(xiàn)影響較大，具有更高的技術(shù)門檻。

圖4 雙電機(jī)方案構(gòu)型

3 結(jié)論

混合動力系統(tǒng)構(gòu)型多樣，其結(jié)構(gòu)形式、系統(tǒng)構(gòu)型、適應(yīng)工況、造價(jià)成本、控制難度各不相同，進(jìn)行混合動力系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)根據(jù)整車對于排放、工況、動力性、經(jīng)濟(jì)性、制造成本、控制系統(tǒng)等指標(biāo)綜合考慮混動系統(tǒng)構(gòu)型，適配合適的混動系統(tǒng)構(gòu)型，達(dá)到整車對于動力系統(tǒng)的綜合要求。對于重型商用車混動系統(tǒng)，BSG方案已經(jīng)淡出歷史舞臺，單電機(jī)方案已經(jīng)趨于商業(yè)化，雙電機(jī)方案在未來發(fā)展?jié)摿薮蟆Ｅ袛嘣谝欢螘r(shí)期內(nèi)，由于雙電機(jī)方案在成本及控制難度方面的劣勢在一定程度上限制了其大規(guī)模發(fā)展，但隨著技術(shù)成熟度不斷提高，成本不斷下降，雙電機(jī)混動方案將是未來混合動力系統(tǒng)發(fā)展的最終方向，也是新能源汽車部分零排放的有效解決方案。

[1] 熊演峰,余強(qiáng),李川,閆晟煜.基于工況特征的混合動力牽引車動力系統(tǒng)構(gòu)型與參數(shù)匹配 [J].汽車技術(shù),2017,12.

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[4] 焦燕青,孫玉.APU增程式混合動力系統(tǒng)匹配及其仿真研究[J].汽車零部件,2016,09.

Research on configuration of hybrid powertrain for heavy-duty commercial vehicle

Tian Fang, Geng Zhiyong, Chen Lin, Yu Xiutao, Lu Jia

（Technical Center, Shaanxi Automobile Group Co., Ltd., Shaanxi Xi'an 710200）

This paper analyzes a variety of configuration of hybrid powertrain systems for heavy commercial vehicles, focusing on the structure and principle of BSG system, single-motor ISG system and dual-motor system. Advantages of various configuration of hybrid technology, in combination with the characteristics of heavy commercial vehicles, point out the future direction of technical route for heavy commercial vehicles, to help to develop other heavy-duty hybrid commer -cial vehicles and to choose hybrid technical routes.

Hybrid; Technical route; Heavy commercial vehicles; Product development

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1671-7988(2018)18-18-03

U469.9

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1671-7988(2018)18-18-03

CLC NO.: U469.9

田方，就職于陜西汽車集有限責(zé)任公司技術(shù)中心。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2018.18.007