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插电式混合动力乘用车

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插电式混合动力乘用车

作者:
王震 杜魁善
来源:
比亚迪汽车工业有限公司
日期:
2017/01/11 10:27
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  1.整车产业与技术总体情况

  2015年我国新能源汽车呈现爆发式增长,年产量达到37.9万辆,同比增长3.5倍,中国也成为全球最大的新能源汽车市场。针对中国汽车企业,国家工信部曾发布了相关的一系列规划,其中新能源车的10年发展计划成为发布的重点,涵盖了自主新能源车的销售量于2020年前突破100万辆的目标,2025年前能达300万辆,协助最少一个内地新能源汽车品牌于2020年前跻身世界前列等主要内容,可以看出我国相关部门对于新能源细分市场的重视程度。在政府以及相关机构大力扶持新能源车型的大背景下,新能源车型的销量已实现大幅增长,部分企业纷纷发力新能源车型市场,其中插电式混合动力乘用车将依托长续航等优势成为各车企布局的重点,目前虽然车型数量较少,但总销量已超过6万台。

  在新能源汽车发展的浪潮下,插电式混合动力车型占据重要地位,并迎来了快速发展期。与此同时,国家一系列补助政策出台,各大汽车生产商也推出了各种插电式混合动力车型。比亚迪汽车公司继‘秦’、‘唐’之后,2016年将推出‘宋’、‘元’系列。上汽凭借旗下荣威550PLUG-IN插电式混合动力汽车的持续热销,推出2015款荣威550PLUG-IN,并规划2016年底推出3款新能源车型,包括2016年2月推出新一代荣威550PHEV,6月推出定位高端车型荣威950PHEV,以及预计在2016年10月推出公司首款插电式混合动力SUV。不仅自主品牌纷纷布局插电混合动力乘用车市场,奔驰、宝马、大众、现代等厂商也纷纷推出自己的插电混合动力车型,如宝马X5、起亚K5、现代IONIQ、奥迪A3、沃尔沃S60L等。相对于2014年,车型数量获得了井喷式增长,市场竞争也变得更加激烈,未来必然呈现百花齐放的壮观场面。

  技术层面上,插电式混合动力车型经过几年的发展变得越加成熟。电池与电池管理技术、电机控制方法、电机性能的提升大大促进了插电式混合动力车型的发展。与此同时,混合动力汽车架构配置也呈现多元化发展趋势,根据电机位置不同架构类型分为P0、P1、P2、P3、P4。比如BSG电机组成P0结构、与发动机曲轴相连的P1结构、变速箱之前与之后分别组成的P2、P3结构以及后轴驱动的P4结构。插电式混合动力车型电机位置不同,架构配置往往不是单独的一种结构,这些不同的结构促成了混合动力车型的多元化发展。

  2.技术发展特点

  (1)技术发展特点

  从近两年发展车型来看,2015年国内插电式混合动力乘用车呈现多样化的发展特点。车型分布从轿车扩大到SUV、MPV,并且随着电机整体性能的提升,整车动力系统结构也日趋多样化。

  首先,动力系统新平台不断涌现,从最初的第一代混联式混合动力系统,到如今的并联、混联四驱系统。以插电混合动力SUV为例,前驱动力系统依然采用高性能发动机,使得发动机在满足驱动的同时,既要保证在发动机经济区间的运转,又要有富余的功率给高压动力电池充电,以确保低电量下的整车正常行驶,提升整车的综合性能。并且匹配双离合变速器,可以传递更大的发动机扭矩。以发动机为主,电机为辅组成了前动力总成,电机或为输出、或为发电,根据不同的工况,灵活转变。高转速、大扭矩、轻量化、高效能电机的研发,通过后期对动力性、经济性的匹配,不仅使得发动机能够在高经济区间运行,降低了油耗和排放。后电机单独驱动后轴,形成了后驱系统,与前总成配合组成了混合动力四驱系统,若前后电机共同驱动,则组成了纯电动四驱系统。前后驱动电机的速比选择也很重要,选择大速比能够获得良好的加速性,小速比则能获得更高的车速,合适的速比也能提高经济性。因此,对速比的选择需要兼顾动力性与经济性,这样必然推动电机两档、多档的发展方向。

  其次,高压系统呈现集成化、轻量化及平台化发展。插电式混合动力乘用车与传统燃油车相比,多了一整套的高压系统。电机控制器、电机、动力电池、动力电池管理器、车载充电器等器件必然需要足够的空间,给整车布置带来困难。以单个子系统来说,比如电机控制器采用集成式设计,最大程度上降低电控系统硬件的质量和体积,缩减电控系统的成本,也使整车在设计时更加灵活。从现有车型来看,主要有两种发展方向:第一,控制器与执行器的集成,比如电机控制器与动力电机的集成、电池管理器与电池的集成。第二,控制器集成,即不同控制器集成化成一个整体。高压系统平台化发展也是必然趋势,丰田TNGA平台意为“丰田新的全球架构”,而普锐斯是基于该架构研发的首款车型,TNGA与大众的MQB平台一样,极大地增强整车生产方面的灵活性和生产线柔性;现代IONIQ车型是同平台研发的纯电动、油电混合动力和插电式混合动力三种动力车型;平台化生产可以获得最佳的生产秩序与经济效益,提高零部件的通用率,节约开发成本。

  最后,整车性能、功能获得进一步开发。插电式混合动力乘用车是传统燃油车与电动车的结合,性能定义高于燃油车。传统的四驱打滑控制可通过制动系统、扭矩限制达到预期的效果,而插电式混合动力汽车可采取主动控制、分轴控制实现整车平顺行驶。发动机启停、行车发电、滑行回馈、制动回馈等功能逐渐获得应用。而在传统燃油车本有的功能,移植到插电混合动力车,可以对功能重新定义与开发。比如:制动系统可以采用电机制动,避免能量的损失;传统燃油车Kick Down功能就可以在原功能的基础上,重新定义纯电动模式下的Kick Down功能。

  (2)主要技术突破点

  动力电池方面,2015年国内新开发的插电式混合动力乘用车所搭载的动力电池更多的采用三元电池,电池的能量密度由正级材料决定,磷酸铁锂电池的单体能量密度极限大概在160wh/kg-170wh/kg左右,而三元电池的行业水平已经达到200wh/kg单体能量密度。三元电池更高的能量密度对整车轻量化、能耗、续驶里程都有明显提高。电池冷却加热系统完善,可以解决温度带来的影响,让电池在一定温度范围使用,进一步提高了电池的综合性能。

  驱动电机方面,夹心电机获得了运用,其定子采用了截面积为长方形、整体呈梳齿状的“分段绕组”方式。这种绕组跟普通的绕组不同,是将分段绕组插入定子,将突出的对侧拧结起来。电机重量、体积都可以进一步降低,效率更高、热损更低。此外,电机的峰值转速进一步提高,相同传动比情况下,电机将会支持更高车速。

  动力总成耦合结构,世界汽车生产商根据纷纷推出具有自己特色的传动系统。丰田推出平行轴变速箱,是以行星齿轮机构为基础进行改进的E-CVT,空间更小、损耗更低、更经济。大众奥迪则推出了三离合传动系统,结构简单、实用、传动损失小。比亚迪对并联式传动系统进行了优化,发动机电机可全动力输出,可以适应多种工况,动力性、经济性也获得了提升。

  (3)目前亟需解决的技术难点及解决方案

  ① 制动系统

  插电式混合动力车为降低整车能耗,制动由电机回馈与机械制动协同工作。传统制动系统在制动过程中将整车的动能转化为硬件的热能,而电机制动则将整车动能转变成电能重新储存在动力电池中,实现了能量的再利用。在此过程中也带来了一些如电制动与机械制动的配合、制动回馈效率的提升、电制动失效如何处理等相关问题。目前新能源车制动系统主要有两种方案:一是电制动与机械制动耦合,将制动减速分为基础制动与松油门回馈。松油门回馈,主要由电制动参与,随着制动深度上升,基础制动开始起作用。这样可以最大限度的回馈电量,经济效益好,但当电制动失效时,小制动时制动踏板感受会有些差异。二是电制动与机械制动解耦,机械制动主要承担制动职责,电机辅助制动回馈电量。电机一般采取定扭矩回馈,受限于机械制动补偿能力及稳定性,扭矩不宜过大。当电制动失效时,机械制动可以在较短时间内弥补因电制动失效降低的扭矩,实现了制动系统的稳定性和制动踏板感的一致性。

  ② 总成匹配

  插电式混合动力车往往拥有两个、多个动力源,不仅需要考虑发动机与变速箱的匹配,而且需要考虑各种驱动模式下发动机与电机、变速箱几者之间的匹配。变速箱作为传统燃油车的核心部件,对于插电式混合动力车来说也是关键一环,变速箱结构决定了总成匹配的不同思路。从现有车型上来看,已经有一些总成匹配方案:一是电机拟发动机化,将电机与发动机都布置在变速箱之前,电机与发动机同步换挡,发电与启动则直接由电机与发动机作用实现,而不通过变速箱。二是发动机拟电机化,取消传统变速箱,增加发电机,而发动机与电机换挡均采用两档变速箱。三是发动机与电机分离化,发动机单独驱动后轴(或前轴),电机单独驱动前轴(或后轴),这样自然就降低了总成匹配难度。一个优秀的总成匹配方案,保证了整车的平顺性、舒适性。相反,总成匹配不好的总成,则会伴随着抖动、冲击、异响等问题。至于发动机与电机如何动力分配才能达到最佳的能效,需要依据各自零部件的特性,结合不同的工况来制定对用户最优的方案,这个过程仍需要不断试验摸索。

  ③ 电池系统

  电池系统作为新能源汽车的关键零部件,电池系统的发展影响了插电式混合动力车的发展趋势。作为汽车动力电池,必须保证安全的条件下,兼顾价格、能量密度、稳定性等因素。从现有车型来看,主要采用磷酸铁锂电池与三元锂电池,铁电池能量密度一般在90kw/kg左右,三元电池则在150wk/kg。铁电池有安全、稳定、优良的性能等优点,能量密度低成为目前亟需解决的问题。比亚迪铁电池成组能量密度已经达到了120kw/kg,与三元电池能量密度相比,仍显不足。而三元电池安全性、稳定性、一致性成为三元电池目前需要解决的问题。电池管理技术的提升、电池冷却与加热系统的完善,有助于动力电池在整车上发挥更大的作用。

  3.重点车型技术特点分析

  2015新能源汽车蓬勃发展,世界各大汽车生产商纷纷推出自己的新能源车型。基于本身技术特点,发展出了具有品牌特色的混合动力车型。

  (1)第四代普锐斯

  第四代普锐是基于TNGA架构研发的首款车型,分混合动力版与插电混合动力版,丰田基于行星齿轮的混合动力系统,在第四代普锐斯上得到完美体现。前动力总成由发动机与驱动电机组成,后总成则由电机单独驱动。发动机为1.8L直列四缸发动机,峰值功率72kw,峰值扭矩142Nm与发动机搭配的依然是一台E-CVT变速箱。前后驱动电机采用相同电机,最大功率以及峰值扭矩分别为53kw及163Nm,整车纯电动续驶里程为56km。这套动力系统特点在于行星齿轮变速箱,这种行星齿轮总处于常啮合状态,可使换挡迅速、平稳、准确而不会产生齿轮碰撞或不完全啮合的现象。主要优点:得益于行星齿轮机构,该系统经济性、平顺性表现好。主要缺点:一是该行星齿轮机构只能将72%动力输出到轮端,牺牲了部分动力性,在加速性上略显不足。二是行星齿轮机构复杂,加工精度要求高导致成本较高。

  (2)奥迪A3e-tron

  A3 e-tron采用一套插电式混合动力系统,搭载一台EA211的1.4T汽油发动机和一台电机协同工作,配备6速S tronic变速箱。发动机峰值功率110kw,峰值扭矩250Nm,电机峰值功率75kw,峰值扭矩330Nm,纯电动续驶里程50km。电机位于变速箱与发动机之间,并在电机与发动机之间配备了离合器,与双离合变速箱共同组成了典型的三离合结构。主要优点:一是发动机与电机可以随时结合或分离,控制简单、经济效益好。二是由于电机处于变速箱之前,可以实现电机换挡,这样即使电机转速较低情况下也能维持较高车速,对电机峰值转速要求较低。主要缺点:一是电机采用夹心电机,发动机、电机、变速箱处于同轴布置,横向尺寸较长,整车空间布置要求较高。二是驱动电机、发动机共轴输出,对输出轴强度要求高。理论上,电机扭矩与发动机扭矩之和最大可以达到580Nm,但实际使用过程中,需要对扭矩加以限制,综合最大输出扭矩只有350Nm,限制了整车动力性。

  4.插电式混合动力乘用车技术发展趋势

  插电式混合动力乘用车作为燃油车向电动车的过渡车型,有效解决了纯电动车的“里程焦虑”,在太阳能、电能等替代能源进入实用阶段之前将会获得快速发展。世界各大汽车生产厂商陆续投入混合动力汽车的研究开发,经过多年发展,插电式混合动力汽车在商业化、产业化的发展已经较为迅速,成为各大公司的战略重点,技术竞争愈演愈烈。

  动力电池发展——能量密度更高、价格更便宜、使用寿命更长、更安全、充电更快捷成为电池发展趋势。当前被广泛采用的锂电池,其技术在十年来一直停滞不前。电池作为混合动力车发展核心,不仅包含电池本身的性能,而且涵盖了电池管理技术、电池充电技术。电池作为基础科学交汇的产品,涉及材料学和化工学。材料科学是不确定的实验性科学,先有结论再有理论,而且理论往往毫无预见性。基础技术难以突破的情况下,电池的基础特性不会有根本性变化。近几年来,经过国内锂电池材料企业的努力,制造锂电池核心技术已经取得突破,用于电动车的锂电池,所有核心材料基本上实现了国产化,降低了锂电池生产成本。在电池技术难以获得重大突破的大环境下,电池管理技术、充电技术变的尤为重要。一个优秀的电池管理系统(BMS)不仅肩负着电池的安全使命,更能延长电池的使用寿命,提高电池充放电效率,进而提高混合动力车的综合性能。电池充电技术的突破主要有两方面,一是快充技术的突破,提高充电功率从而降低充电时间,但由于电池材料限制,与加油一样方便还需要很长一段路要走。二是充电便捷技术的突破,插电混合动力车不插电的现象普遍存在,违背了发展新能源车的初衷,基础设施的建设成为发展插电混合动力车的一个突破点。无线充电技术是近年来发展起来的一门充电技术,更是从静态无线充电向动态无线充电的延伸,提高了插电式混合动力车型纯电动模式的使用率。

  电机控制系统——响应速度更快、运行精度更高、效率更高成为电机控制系统的发展趋势。从2015年的发展状况可以看到,小尺寸、高控制精度、低功耗、长寿命和低成本代表着电机控制系统的研发方向。针对这些性能要求,未来电机控制的发展将会走向数字化和集成化。数字化是电机控制技术发展的必然趋势,控制系统数字化则包含了硬件与软件两方面,硬件即高速、高集成度、低成本的专用芯片,这将使电机驱动的电路更为小型化、集成化。电机控制算法未来的发展方向将着重在高性能的转矩转速控制与在线辨识上,大扭矩高精度控制将成发展的重点。

  驱动电机——呈现高转速、大扭矩、大功率的发展趋势。插电式混合动力汽车作为强混新能源车,电机不仅仅作为辅助而存在,在纯电动输出方面大功率电机起着至关重要的作用。针对电机单独驱动前轴或者后轴的四驱车型,高功率、大扭矩的电机在平衡发动机输出扭矩,提高整车动力性、通过性等方面显得尤为重要。永磁电机具有功率密度和转矩密度高、效率高、功率因数高、可靠性高和便于维护的优点,从综合性能来看,永磁同步电机最具优势,成为插电式混合动力车最合适选择。

  插电式混合动力乘用车技术的发展即是驱动电机、电机控制器、动力电池等关键零部件的发展,整车其他系统随着关键部件的发展做出相应的调整。集成化成为整车发展的趋势,其中包括:一是电机、发动机、变速箱的动力系统集成;二是电机控制器、电路、传感器等电力电子总成的集成。通过集成有利于减小整个系统的重量和体积,有效降低制造成本。

  5.其他

  基于环保性、能源安全性等原因,大力发展新能源汽车新兴产业是我国的基本国策。自2013年以来,国家发改委、财政部、工信部等各大部委陆续出台了一系列鼓励和推广新能源汽车发展的政策,包括新能源汽车购置价格上的补贴,以及不限行不限号等政策优惠。

  从现阶段情况来看插电式混合动力乘用车将是市场未来发展的主流,地方政府纷纷推出鼓励新能源汽车的各项优惠政策,并且自去年以来,许多城市启用地方补贴,这推动了插电式混合动力乘用车的发展。为了促进新能源技术的发展,政策上明确制定了未来五年补贴逐步退坡的路线图,为插电式混合动力乘用车换来缓冲期,届时电机、电池等高压系统制造成本也会大幅降低。随着技术的进步,插电式混合动力车型必将占据更大的市场份额,为节能与环保事业做出更多的贡献。

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