新能源动力耦合方式对节能效果的影响

陈 伟

（深圳市比亚迪汽车有限公司，广东 深圳 518118）

随着环境污染和能源危机压力的逐步增大，在市面上出现了越来越多的新能源车辆，这一方面给消费者选购提供了多样性的选择，但另一方面在客观上也对技术方案的发展趋势造成了一定程度的干扰。本文立足于现有的动力耦合方案，结合设定的整车平台和使用环境，分析各个动力耦合方案的特点，探寻出技术上的潜在优势空间，为系统设计做论据支撑。

1 当前主流动力耦合方式

对当前市面上常见的新能源车辆进行产品特点分析，可归纳分为如下几类。

1.1 发动机和车速完全解耦模式

此模式车辆，发动机通过专门的耦合机构，将发动机和车速完全解耦，利用的是比较成熟的行星排、CVT、离合器等机构来实现此功能。在制动的时候，可根据既定的策略，合理调配发动机的工作状态，实现最佳的经济性和动力性，以丰田HSD系统和比亚迪DM系统为例，其结构原理如图1、图2所示。

1.2 发动机和车速联动模式

技术的选择多样性，使得很多的新能源车辆采用了更为简单的并联式系统，这样既可以一定程度上提高系统效率，又可以兼顾成本和效率。按照采用的发动机新技术的区别，又可细分为两类。

1.2.1 发动机传统控制模式

此模式中，发动机并未进行革命性的升级换代，仅仅是借用原有的技术，增加一套并联驱动/制动系统，可兼顾发动机起停、回馈发电等多种功能选择。图3为典型ISG系统原理。

1.2.2 发动机节能控制模式

还存在另一种具代表性的做法，就是将先进的发动机技术，诸如，低摩擦技术、怠速闭缸等技术，结合最新的电驱动单元，综合为一体化的驱动集成。本田为此方面的代表性车厂，IMA系统原理见图4。

表1是当前各大厂商推出的混合动力车及动力耦合方式及特点汇总。

表1 各大公司的车型耦合方式及特点

当前汽车技术的不断革新，新方案层出不穷，但均不超出上述分类的范畴，下面对上述分类进行详细的分析说明。

2 车辆减速行驶时典型功率特性

图5是国内通用的轿车标准城郊综合工况，参照车辆行驶过程中的姿态区别，将车辆的发动机工作模式进行分析，分为停车段、驱动段和减速段，如图6所示。

本文假定在驱动段全部由发动机驱动，并且各个方案的能效一致，主要探讨在减速和停车段，各个方案由于内在差异所引发的不同效果，关注的焦点相应地集中在制动过程可利用的制动能和停车过程可利用的怠速能量。

对上述工况中的减速段和停车段进行可用功率分析，对比各动力耦合模式和传统燃油车的不同，有如下结论，见表2。

表2 不同动力耦合模式有益功率分析

3 不同耦合方式下的节能分析

为方便量化比较，选型平台车辆的参数如表3所示。

表3 选型平台车辆参数

3.1 停机断油策略的分析

上述分析环境下，对车辆停车段拟采用停机断油的策略，来实现节能减排的目的，为此，对怠速/停机如何取舍做了量化的分析。

假定怠速油耗为gd，怠速时长td，起动机功率Pm，起动机工作时长tm，发动机起动油耗gs，起动耗时ts，通过比较怠速段和起动耗能多少来进行策略取舍，见表4。

表4 怠速策略判别条件

其中， Pm为3.14 kW， tm为0.5 s， gd为0.14 g/s， gs为2.1 g/s， ts为1 s， td为计算目标参数， 本例中为17s。而实际工况下，车辆停车时长均超过此时长，所以通过计算证明了在工况下采用停机断油策略的必要性和可行性。

3.2 制动回收效果的分析

发动机选用某款成熟在用的产品，其机械损耗功率见图7。

依次对3种动力模式下的可利用减速段功率进行计算。图8中由上至下的回馈功率曲线分别为:完全解耦模式、节能联动模式和传统联动模式。

表5为平台车辆的制动能量回收效果。

综合上述分析结果，若假设可回收的能量充分完全利用，则不同方案的最终能效为:①完全解耦模式:百公里5.58L；②节能型联动模式:百公里5.81L； ③传统型联动模式: 百公里6.20L； ④传统燃油模式:百公里7.36L。

从能效上分析，完全解耦模式具备明显的优势，联动模式的效果要略差些，其中传统型联动模式虽然节能效果不是最佳，但由于其成本、体积上的独特优势，也存在较强的竞争力。

3.3 电动单元选型分析

对制动能量进行充分回收，要有2个基本的前提:一方面受限于动力单元的输入输出特性，同时也依赖于高效的储能装备。

3.3.1 动力单元需求特性分析

以带式起动发电机为例 （BSG），按照样车平台的变速特性，将完全解耦模式和传统联动模式下的电动单元进行特性反推，如图9、图10所示。

相对而言，完全解耦模式对电动单元的特性参数要求较高，最高转矩输入和最大功率分别达到80Nm＠2600r/min/26kW＠4000r/min；而传统联动模式的电动单元特性要低些，关键指标为70Nm＠2600r/min/22kW＠4000r/min。

3.3.2 能量单元需求特性分析

若完全将制定回馈功率吸收，储能单元一方面要满足快速充电的功率需求，同时也要满足持续存储的总能量需求。表6为各模式下能量和功率回馈特性对比。

表6 各模式下能量和功率回馈特性对比

从当前通用型车用铅酸电池的功率和能量特点上分析看，在市区循环工况下，铅酸电池在储存能量上完全满足制动回馈能量的要求，无需增加额外的部件。并且回馈的能量在工况循环内，可以满足车辆低压负载电流平均值小于80 A的持续需求。

但是在回馈瞬时功率上，现有的铅酸电池无法满足如此大功率的需求，需要寻求复合能源系统，首选电容+铅酸电池复合能源系统。

3.4 各动力耦合方案的成本对比

按照当前整车设计过程中的成本控制要求，根据方案的特点，对待开发的产品，从初次投入成本和使用成本两个角度进行细化分析。

本例以城市市区循环工况做样本。在开发阶段，主要的一次性投入成本集中在电机、电控和存储单元 （按功率选型电容）上面；使用阶段的效益主要体现在相较传统燃油车辆节能效果的累积上。表7为各动力耦合方案成本对比。

表7 各动力耦合方案成本比较

从分析可以看出，各个方案增加的成本基本上一年即可实现效益平衡。

4 结论

文中的一系列对比分析，可推断得出不同耦合方案的优劣之处，从而为方案选型提供理论支撑数据。

1）从技术成熟度看，传统联动模式 （ISG）方案最为成熟，其较低的成本、相当的节油效果、较短的收益回报时间都是毋庸置疑的优势。

2）从节能效果看，完全解耦模式具备明显的优势，其技术先进性、能量利用率、节油收益和功能多样性都明显占优势。

3）从系统成本看，以仅满足城区工况为例，完全解耦模式的成本要显著高于传统联动模式，主要体现在电机、电容方面的成本差异。

4）节能联动模式具备较平均的比较优势，成本相对低些，节能效果也比较理想，属综合效果较好的方案。

从新能源的蓬勃发展趋势，可以预见必然会出现多种多样的耦合方案，但产品最终的竞争优势还是依赖于核心技术和品质的结合。本文从能量利用、成本等多角度为方案的技术性选择提供一个维度，期望对技术的成熟、竞争有所帮助。

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