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行业综述-插电式混合动力乘用车

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行业综述-插电式混合动力乘用车

作者:
凌和平 杜魁善 周小伟
来源:
节能与新能源汽车年鉴
日期:
2020/10/16 11:15
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一、2018年插电式混合动力乘用车整车产业与技术总体情况

 

在国家政策的积极引导下,我国新能源汽车得到迅猛发展,行业内呈现百花齐放的局面。2018年中国新能源汽车产销分别完成127万辆和125.6万辆,同比上年分别增长59.9%和61.7%,其中插电式乘用车产销超过28.3万辆和27.1万辆,同比上年分别增长122%和118%。从当前的补贴政策力度上看,比起纯电动汽车,国家对插电式混合动力乘用车的支持更弱。在这种背景下,因为插电式混合动力乘用车可以较好地平衡里程焦虑和纯电动汽车成本上升的影响,所以其销量依然不弱且增速强劲。

 


图1 新能源汽车销量情况

 

自主品牌日益重视对插电式乘用车的技术布局,2018年我国上市的插电式乘用车达到数十款。比亚迪推出搭载第三代DM技术的全新比亚迪“唐DM”和秦Pro车型,新BSG电机架构,经济性和NVH有大幅提升。长城汽车基于自主开发的Pi4平台打造了WEY P8这款插电式混动SUV。吉利自主研发了P2.5架构博瑞GE PHEV、领克01PHEV。外资车企也正在插电式乘用车领域发力,宝马推出了新530Le插混车型,大众推出了途观L PHEV,福特推出了全新蒙迪欧PHEV。           
 


图2  比亚迪“唐二代”

 


图3  长城 “WEY P8”

 

二、2018年插电式混合动力乘用车技术发展特点

 

1)2018年插电式混合动力乘用车技术发展特点

 

从2018年上市及发布的多款车型来看,插电式混合动力乘用车发展呈现多元化的特点,主要体现在以下方面:

 

首先,混合动力系统结构多样化,从P0-P4等构型的混动车应有尽有。全新比亚迪唐DM采用P0+P3+P4的构型,三个电机分工细致,各司其职。长城WEY P8是P0+P4架构。P0架构由布置在前桥的BSG电机、发动机和6DCT变速箱组成,使前驱技术实现了启停、电机Boost、发动机发电等弱混合技术;P4架构布置在后桥,由驱动电机、2挡减速器和动力电池包组成,确保了智能四驱以及纯电动行驶和能量回收功能。博瑞GE PHEV 采用的是P2.5结构,汽油发动机与双离合变速箱像普通燃油车一样正常耦合,电机则通过齿轮与双离合变速箱的偶数轴耦合。

 

其次,轻量化和降能耗成为了主要的技术发展路线。随着节能环保和经济性的需要,插电式混合动力乘用车轻量化成为大家共同关注的话题。降低车辆自身重量,不管是在节能减排或降低能耗,减少运输成本方面都具有较大的优势。当前电机、电控等高压系统的集成不仅较大的改善了整车布置空间,也较多的减轻了整车重量。发动机方面各个车型均采用更高热效率的发动机,提升整车能量使用率。电机方面配备2挡电驱动桥,提升动力性和经济性。控制策略方面,通过计算动力源到整车输出之间的总效率,平衡发动机、电机、电控、变速箱的工作区间,让整车始终处在于一个最优的效率区间,提高整车能量的使用率。

 

最后,在整车驾驶方面,动力性、平顺性、操稳性等性能都得到了大幅提升。插电式混合动力系统由于拥有多个动力源,目前上市的插电式混合动力乘用车破百能力十分突出,最快能达到4.4s,整车动力性能表现十分抢眼。驾驶平顺性能方面通过优化控制各动力源的输出、换挡优化以及增加辅助电机等措施也得到了较大的提升。

 

2)2018插电式混合动力乘用车的主要技术突破点

 

混合动力系统结构优化:比亚迪全新一代唐DM采用的是P0+P3+P4的构型,增加了P0(BSG)电机,通过皮带传动机构与发动机连接,它不仅可以取代原有发电机的功能,也可以实现自动启停、BSG发电、能量回收和加速辅助等功能。在起动平顺性方面,由于皮带具有弹性,BSG在起动发动机时平顺性较好,冲击小。在经济性方面, BSG可以在让发动机在经济的转速下进行串联发电,充分利用发动机怠速时浪费掉的能量,既提升了发动机的工作效率区间,也使车辆的保电能力得到提升。在动力性方面,P3电机和P4电机分别驱动前后轮,实现“全时电四驱”。

 

高效率发动机的应用:福特新蒙迪欧PHEV采用了热效率高达40%的阿特金森循环发动机,阿特金森循环的发动机的膨胀行程大于压缩行程,使得发动机的膨胀比高于压缩比,有效地提高了发动机效率,另一方面较长的活塞行程确实可以使燃油充分燃烧,提升经济性。 

 

两挡电驱动桥的应用:长城WEY P8为国内首款搭载两挡驱动桥量产的车型。在动力性能方面,两挡电桥中的一挡大速比带来更大的输出扭矩,使整车拥有更好的加速性能;二挡小速比则可以带来更高的最高车速。在经济性方面,两挡使得电机的高效率区域扩大,带来更优的系统效率,进而可以增加整车的续航里程,提升了整车经济性。在整车NVH方面,两挡设计可以在高车速时降低电机的工作转速,改善整车NVH表现。

 


图4  2挡电驱动桥电机运行范围

 

3)目前亟需解决的技术难点及解决方案

 

混合动力系统总成方面:当前国内混合动力系统使用的发动机在油耗、排放、热效率及扭矩响应方面与国际上主流的发动机仍有较大差距。开发出更高效率更快扭矩响应的发动机是当前亟需研究和突破的难点。变速箱作为最重要的机电耦合机构,其产品设计和生产制造与国外相比较落后,研发和生产出系统效率更高、可靠性更佳的变速箱仍然是当前亟需研究和突破的重点。

 

动力电池系统方面:动力电池系统作为插电式混合动力的关键零部件,它的发展决定了整个行业的发展。当前主要应用的三元锂电池在能量密度和功率密度上存在矛盾。另外电池安全性能也必须高度重视,大部分企业在三元电池方面还缺乏足够的经验积累,电池的安全性和寿命都有待检验。加快电池高比能量材料的创新研究和应用,进一步提升电池性能、提高电池安全质量是当前研究的重点。

 

4)2018年国内外技术差异

 

通过我国自主品牌的不断努力,插电式混合动力乘用车技术取得了较大的进步,整车性能也在不断地提升。但是就目前来看插电式混合动力乘用车动力系统的主要零部件:发动机、电机、电控、电池技术发展方面以及动力输出平顺性、节油效果、NVH表现等方面,国内和国外的技术发展还存在着较大的差距。

 

我国汽车工业起步较晚,由于发动机技术理论的缺乏以及制造水平的限制,我国发动机主要体现在发动机设计性能及发动机生产质量方面与国际主流发动机差距较大。然而在驱动电机技术领域,由于我国在稀土资源上的优势,总体水平与国际水平差距不大,以高转矩和高功率、尺寸小和重量轻的永磁同步电机为主流。日韩企业也较多使用的是永磁同步电机。欧美国家较多使用成本低、结构简单的交流异步电机,但同时具有调速范围小,转矩特性不理想的问题。

 

在电控技术发展领域,IGBT,即绝缘栅双极晶体管的发展对于电控技术的突破和电控成本的降低极为关键。但是纵观全球市场的竞争格局,欧美在IGBT的技术上,有着很强的优势,在功率分立器件和功率IC方面都做得极好,而日本企业在功率IC方面不如欧美,但是功率分立器件方面做的较好。中国企业由于研发起步晚,在IGBT的技术研发方面和欧美的技术差距较大,IGBT技术长期被国外企业垄断。比亚迪于2018年年底推出的IGBT4.0,打破了IGBT受制于国外的局面。在诸多关键技术指标上都优于当前主流产品,例如,电流输出能力较当前市场主流的IGBT高15%,支持整车有更强的加速能力和更大的功率输出能力;同等工况下,综合损耗较当前市场主流的IGBT降低了约20%,使得整车能耗显著降低;温度循环寿命可以做到当前市场主流IGBT的10倍以上,意味着在车辆应对各种极端气候、路况时,能有更高的可靠性和更长的使用寿命。 

 

三、未来几年插电式混合动力乘用车技术发展趋势

 

高效率、轻量化的混合动力系统:随着技术的发展,混合动力系统表现出集成化的趋势,主要体现在电机和传统部件深度集成,未来将出现集成度更高的系统,在满足效果的同时控制混合动力系统的体积。采用高压缩比、更高效率的发动机,以及搭载更高效率和高功率密度IGBT的电机控制技术、SiC电机控制技术。并对发动机、驱动电机动力耦合装置等关键零部件进行轻量化设计,从而达到高效率、小型化、轻量化的集成式混合动力系统。

 

动力电池系统:主要以提高动力电池能量密度为主要目标。从发展趋势来看,基于新材料、新结构的高比能电动汽车成为未来竞争的热点。未来动力电池技术发展主要集中在高性能的电池材料、高性能电池包、电池热管理技术、电池生产制造技术及装备等。动力电池管理系统将呈现平台化、轻量化、低能耗的发展趋势。

 

能量管理策略优化:目前插电式混合动力汽车研究和应用的较多的是基于规则的能量管理策略,其主要分为静态逻辑门限能量管理策略和基于模糊规则能量管理策略。而全局能量管理策略优化是基于动态规划算法的能量管理策略。它能够实现真正意义上的最优化,但全局优化算法需预知车辆行驶的所有工况,且计算量非常大,目前应用难度较大,将是未来几年的重点研究应用的方向。

 

四、未来市场需求分析预测

 

2018年插电式混合动力乘用车销量增速迅猛。这得益于插电式混合动力乘用车可以较好地平衡里程焦虑和纯电动汽车成本上升的影响。据相关数据统计,近90%的家庭用车日行驶里程在70km以内,而插电式混合动力乘用车可以实现短途完全用电行驶,实现零排放,如比亚迪秦80和唐80等车型完全可以满足大部分家庭上下班纯电行驶。插电式混合动力乘用车还可以切换混动模式,实现长途油电混合行驶,让消费者没有续驶里程的担忧。另外电池、电驱动系统零部件随着技术的成熟发展,不断降低成本也将极大地提升插电式混合动力乘用车的市场竞争力。

 

然而随着补贴的逐步退坡,插电式混合动力乘用车市场的增速也会逐步放缓,但是其增速仍会远超传统燃油乘用车的增速。其主要增长城市主要集中在限购城市、经济发达地区,由于成本及价格原因,在非限购、价格敏感地区增长将有限。

 

五、其他重要的方面

 

插电式混合动力乘用车的发展能缓解石油资源紧缺的矛盾,对于构建节约型、环境友好型社会具有重要战略意义。但是目前插电式混合动力乘用车仍处于起步发展阶段,技术不够成熟。日趋严格的油耗要求和双积分政策以及补贴退坡等环境变化对插电式混合动力乘用车提出了更大的挑战。 

 

目前看来,插电式混合动力乘用车推广的最大阻碍仍然是价格因素。而降低插电式混合动力乘用车的成本,电池技术的进一步发展将成为关键。电池需要解决关键技术要有一是较高的比功率,以满足汽车加速和爬坡时对大功率的需求,二是采用热能管理控制,满足严格的排放要求。

 

另外,目前新能源汽车配套充电基础设施依然不足,尽管在全国一、二线城市加大了充电桩的配套设施的布局,但是依然满足不了消费者的使用需求,这也是阻碍插电式混合动力乘用车发展的主要因素。针对此点,除了继续加大充电配套设施布局外,厂商也可以加强快充技术的研究应用,让用户在较短时间内完成动力电池电量的恢复,极大地提升用户体验感。这也将提高充电设施的利用率,降低公共基础设施的成本,为插电式混合动力乘用车的普及做好铺垫。

 

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