重型商用车混合动力构型研究

田方，耿志勇，陈琳，余修涛，卢甲



重型商用车混合动力构型研究

田方，耿志勇，陈琳，余修涛，卢甲

（陕西汽车集团有限责任公司技术中心，陕西 西安 710200）

研究分析了多种重型商用车混合动力系统构型，着重对BSG系统、单电机ISG系统、双电机系统多种构型的结构与原理进行了分析，通过对多种构型技术路线优势与重型商用车的分析，给出了重型商用车未来技术路线的方向，可为其他重型混合动力商用汽车产品的开发及混动技术路线的选择提供参考经验。

混合动力；技术路线；重型商用车；产品开发

1 研究背景和意义

混合动力汽车近些年来的保有量不断增加，特别是我国大力鼓励发展新能源汽车产业以来，以插电式混合动力汽车为主的油电/气电混合动力汽车正在以超乎寻常的速度增长，其可以采用优化发动机瞬态油耗及排放，实现怠速启停、实现纯电起步、实现高效能源管理及电气化辅机等多种手段，实现动力性与经济性兼顾的一个有效手段。重型商用车方面，混合动力技术路线也被认为是在实现使用阶段完全零排放之前，节能汽车的一个重要技术路线；插电式混合动力在一个相当长的时期内也是新能源汽车部分零排放的有效解决方案。

2 重型商用车混合动力系统常见构型

混合动力汽车/插电式混合动力汽车（含增程式）的技术路线相对较多，按照混合动力系统依照其动力形式可以分为串联、并联和混连式；根据其动力电机的布置位置、电机的功率扭矩参数、应用条件相对较多，在重型商用车上常见构型基本可分为以下几种：BSG微混、单电机中轻混、双电机强混方案等。

2.1 BSG/P0微混

BSG(Belt-driven Starter/Generator)皮带传动启动/发电一体化方案，是一种较为经济的混合动力实现方式，在乘用车上以48V微混的形式，已在部分品牌的部分车型上形成量产，其能够实现如快速启停、部分制动能量回收等工作模式，但其先天的结构导致了其采用的电机、动力电池组均为较低功率，无法达到较高的混合度，其BSG皮带电机位于曲轴前端，电机无法直接驱动车辆与制动能量回收，整车的传统部件电气化程度依然较低。

其能够以较低的混动系统新增成本以及较小的传统零部件改动实现混合动力，在乘用车上也可冠以HYBRID之名，但其就技术方面而言只能归为弱混的一种，可视作为一种低物料成本的混动系统解决方案。商用车方面，卡车的BSG较为少见，在约2010年前后BSG曾经在国内多家客车上短暂出现过一段时间，但并未大规模推广。分析其原因是多方面的，主要原因一方面BSG为传动皮带，虽然可避免过载但传递的扭矩有限，不能满足混动系统的高效要求，且会为系统带来较高的故障率，再者带传动引起的曲轴偏载、混动系统本身控制的问题都使整体系统的可靠性问题较为显著。

虽然BSG并未形成大规模的推广，但当时不失为一种商用车混合动力系统的大胆尝试，其为后来其他混动系统的推广积累了大量宝贵经验。

图1 BSG方案构型

2.2 E+C+ISG+T/P2方案E+ISG+C+T/P1方案中、轻混并联

ISG（Integrated Starter & Generator）启动发电一体化方案是中、轻混合动力系统的常见方案，将盘式电机集成在发动机主轴上，以高压动力电池系统配合电机及动力控制系统实现混合动力。常见的为布置于离合器之后的P2方案混动系统，与变速器一同提供，国内、外一般变速器厂家的混合动力系统解决方案多为此方案；布置于离合器之前，以电机转子替代飞轮，实现发动机与电机的P1连接方案，多为电机与发动机一同提供，发动机厂家提供的混合动力系统解决方案多为此方案。

单电机P2混合动力方案其多能够实现纯电起步、发动机快速启停、制动能量回收、发动机瞬态工况调节等功能，P1由于无法实现发动机与电动机解耦，无法实现纯电起步以及脱开发动机的制动能量回收。P2方案的混动一般电机和电池的功率相对较大，混合度相对较高，成本较高，可实现相对较高的节油率及行驶体验；P1方案混动一般电机和电池的功率相对较小，混合度相对较低，混动系统及整车的造价相对低廉，是低成本混动的优选方案。

此两种方案共同的缺点为，仅有一台ISG电机，既要发动机发电和制动能量回收保持动力电池组SOC，又要在随时需要时介入以保障整车的动力需求，仅有的一台电机无法实现所有工况下的高效的驱动及发电，其动力系统控制方案相对来讲很难做到多种工况适应，也很难保证复杂工况下的动力性及经济性指标。

图2 ISG单电机方案P2构型

图3 ISG单电机方案P1构型

2.3 E+C+ISG+C+TM P2+3/E+C+ISG+T+TM P2+3强混同轴混联

双电机同轴混连系统一般采用一个主发电的ISG电机和一个主驱动的TM电机，ISG采用离合器或扭转减震器与发动机相连，ISG电机之后采用离合器或者变速器与TM电机相连。

发动机与ISG电机之间采用离合器相连，可实现发动机与动力系统解耦，使ISG参与驱动输出动力，增加纯电动驱动或制动能量回收工况时的双电机系统的扭矩上限；若发动机与ISG电机之间采用扭转减震器，多用于ISG只用来发电的工况，结构上避免使用自动离合器，结构更紧凑，一般适配全功率的TM电机保证动力系统输出，也使得整车控制系统相对简化。

ISG与TM电机之间采用离合器连接，可在离合器处于分离状态时实现双电机间动力连接中断，此时同轴混连系统可处于串联工作模式，也可处于TM电机单独驱动或制动能量回收模式；在离合器处于结合状态时双电机动力连接，系统根据1号离合器的状态，可处于双电机共同驱动、双电机共同制动能量回收、发动机与双电机共同驱动等多种工作模式。ISG电机与TM电机之间采用一个少档位变速器，是近些年来各总成提供商提供的一条较新的技术路线，普遍匹配2档或4档AMT，实现ISG的扭矩放大，以满足更大的动力系统输出扭矩、更多样的扭矩分配模式、更宽的工况适用范围，而且由于AMT自动变速器的引入，使得发动机在较低转速时就可切入驱动，相对串联工况可减小部分能量损失，进一步的提高效率。

此两种方案的缺点也相对较明显，双电机、双电机控制器和双自动离合器的引入使得系统整体造价成本较高，若再加上扭转减震器和AMT变速器及其控制器，系统整体造价将会上升更多。再者，发动机与双电机协同控制，以及其与AMT的控制协同，使得系统的控制难度有大幅增加，整套系统的策略、调试与标定水平对整车的综合表现影响较大，具有更高的技术门槛。

图4 双电机方案构型

3 结论

混合动力系统构型多样，其结构形式、系统构型、适应工况、造价成本、控制难度各不相同，进行混合动力系统设计时，应根据整车对于排放、工况、动力性、经济性、制造成本、控制系统等指标综合考虑混动系统构型，适配合适的混动系统构型，达到整车对于动力系统的综合要求。对于重型商用车混动系统，BSG方案已经淡出历史舞台，单电机方案已经趋于商业化，双电机方案在未来发展潜力巨大。判断在一段时期内，由于双电机方案在成本及控制难度方面的劣势在一定程度上限制了其大规模发展，但随着技术成熟度不断提高，成本不断下降，双电机混动方案将是未来混合动力系统发展的最终方向，也是新能源汽车部分零排放的有效解决方案。

[1] 熊演峰,余强,李川,闫晟煜.基于工况特征的混合动力牵引车动力系统构型与参数匹配 [J].汽车技术,2017,12.

[2] 节能与新能源汽车技术路线图战略咨询委员会,中国汽车工程学会.节能与新能源汽车技术路线图[M].北京:机械工业出版社, 2016.

[3] 吴为理,张雄,李东东,赵江灵.混合动力电动汽车机电耦合系统构型分析[J].汽车零部件,2016,05.

[4] 焦燕青,孙玉.APU增程式混合动力系统匹配及其仿真研究[J].汽车零部件,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

A

1671-7988(2018)18-18-03

U469.9

A

1671-7988(2018)18-18-03

CLC NO.: U469.9

田方，就职于陕西汽车集有限责任公司技术中心。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2018.18.007