汽车动力系统匹配设计及发展趋势展望

伍赛特

(上海汽车集团股份有限公司，上海 200438)

0 引言

统计表明，目前汽车发动机使用工况多数会远离最佳经济油耗区域，由此难以实现动力和传动系统的最佳匹配，而该项工作对汽车性能具有决定性的影响[1]。通过合理匹配汽车动力和传动系统、降低燃油消耗是一项有待进一步研究的课题。

在总体布置开始之前进行整车和发动机性能的分析和匹配研究，能对整车的性能进行初步预测，在整车方案和各总成的参数确定之后，还能根据各总成、部件设计所提供的具体数据对整车性能尽快做出全面、准确的预测，便于及早发现问题，进行调整和修改。上述工作均可大幅提高设计质量、缩短研制周期。

1 汽车动力系统匹配设计概述

在评价某款车型时，首先会想到其所搭载的发动机型号，进而会考虑到变速箱种类。发动机和变速箱对一款汽车的重要性是毋庸置疑的。如果说发动机是汽车的心脏，那变速箱就是心脏的主动脉，发动机的动力只有经过变速箱才能传递到整车传动系统，进而驱动整车前进。

不仅如此，如需充分发挥发动机的动力优势，需要做好发动机与整车的匹配工作，即一方面要让发动机舒服地工作，另一方面需将发动机的动力在合适的时机传递给整车系统，并以此驱动整车前进，下文对此进行简要说明。

车用发动机在开发过程中，经过了大量的开发和标定工作，开发和标定工作是在特定的边界条件下完成的。发动机在整车实际使用过程中，整车相关系统若能在发动机开发和标定中覆盖的边界条件下，则发动机将运作得更为流畅，发挥出更优越的性能；若发动机工作的边界条件得不到保证，则发动机的性能将会受到显著的影响。

其次，发动机的动力能否很好地传递到整车系统。发动机发挥的性能，用于驱动整车前进的部分为有用部分，其余损耗部分为无用功。努力提高有用部分比例，减少无用功占比，亦是一项需要重点考虑的问题。

2 汽车动力系统匹配设计发展趋势

近年来，随着科学技术的不断发展，越来越多的新技术在汽车上得到应用，这对整车匹配设计也提出了新的挑战。在汽车发展过程中，汽车的功能不断增加，汽车的结构变得越来越复杂，汽车的零部件数量不断增多，因此汽车匹配设计的难度不断增加。下文简要分析汽车整车动力系统匹配设计的发展趋势。

2.1 混合动力汽车匹配设计及发展趋势

混合动力汽车不仅需要考虑发动机与变速箱的匹配、动力总成与整车的匹配[2-4]，根据混合动力技术的不同，还需要考虑混合动力系统在动力总成内部的匹配关系。根据QC/T 837—2010《混合动力电动汽车类型》的定义，按照混合度划分，混合动力电动汽车分为微混合型混合动力电动汽车(Micro Hybrid Electric Vehicle)、轻度混合型混合动力电动汽车(Mild Hybrid Electric Vehicle)和重度混合(强混合)型混合动力电动汽车(Full Hybrid Electric Vehicle)。3种型号的混合动力汽车的具体区分如下：

(1)微混合型混合动力电动汽车是以发动机为主要动力源，电机作为辅助动力，具备制动能量回收功能的混合动力电动汽车。电机的峰值功率和总功率的比值小于10%。仅具有停车怠速停机功能的汽车也可称为微混合型混合动力电动汽车。BSG(皮带驱动起动发电机)技术路线的48 V系统汽车，根据电机峰值功率和总功率的比值，部分属于微混合型混合动力电动汽车[5-7]。

(2)轻度混合型混合动力电动汽车是以发动机为主要动力源，电机作为辅助动力，在车辆加速和爬坡时，电机可向车辆行驶系统提供辅助驱动力矩的混合动力电动汽车。一般情况下，电机的峰值功率和总功率的比值大于10%。ISG(整体起动发电机)技术路线的48 V系统汽车，根据电机峰值功率和总功率的比值，部分属于轻度混合型混合动力电动汽车。

(3)重度混合(强混合)型混合动力电动汽车是以发动机和(或)电机作为动力源，一般情况下，电机的峰值功率和总功率的比值大于30%，且电机可以独立驱动车辆正常行驶的混合动力电动汽车。P2技术路线的汽车，根据电机峰值功率和总功率的比值，部分属于重度混合型混合动力电动汽车。

混合动力电动汽车匹配过程中需要重点关注的内容如下：停车怠速停机功能的汽车，同传统汽车的区别是增加了停车怠速停机功能，主要通过增强型起动机或起发一体式电机来实现的。在匹配设计过程中，需要重点关注增强型起动机或起发一体式电机性能、外形尺寸、接口尺寸方面的内容。

性能方面主要关注其起动次数相对传统汽车有显著提升，以及对耐久性能要求的提高和怠速起停过程中噪声方面的影响。

外形尺寸方面主要关注其体积增大对周边间隙的影响，避免因设计校核阶段的疏忽而导致试制验证阶段的设计变更。

接口尺寸方面主要关注包括外形尺寸的变更对安装尺寸的变更和电器接插件匹配的影响。对于停车怠速停机功能的汽车，需要关注的另一重要部件为蓄电池，由于整车全生命周期中起动次数显著增加，对蓄电池寿命带来严峻挑战，若不对蓄电池进行针对性设计，将大幅降低蓄电池使用寿命。

48 V系统技术汽车，相对传统汽车增加了BSG或ISG电机、动力电池、控制器等部件。在匹配设计中，首先需要考虑各部件的性能对整车性能的影响，特别要考虑BSG或ISG电机在车辆起步阶段对车型起步性能的贡献及起步阶段与发动机性能的匹配关系；其次，需要考虑各部件的布置，通常而言，BSG或ISG电机布置在机舱内，需要考虑其安装空间、接口尺寸和运动干涉、热害性能等方面的因素。动力电池根据布置需要放置在机舱内或乘员舱内，动力电池布置过程中需要同步考虑空间要求和电池冷热特性实现。为了保持良好的性能，在高温条件下需要做好动力电池的降温工作，在低温条件下需要使动力电池快速升温；若动力电池布置在乘员舱内，特别需要关注其安全防护。

P2技术汽车，在匹配设计过程中首先需要解决的是P2电机的布置和接口匹配、性能匹配等问题。P2电机布置在发动机后端、变速箱前端，因此，需要重点关注它与发动机和变速箱的物理接口匹配关系。P2电机作为整车驱动的重要动力源，其性能对整车性能有重要影响，在匹配设计过程中，需要对P2电机与发动机双动力源作用下的整车性能进行详细的计算，以便做好P2电机的选型。

2.2 智能网联汽车匹配设计及发展趋势

随着智能网联技术的发展，整车智能化水平越来越高，发动机也在适应智能化的需要进行相应的升级工作。智能网联汽车匹配设计过程中，重点关于新功能零部件的布置、接口匹配、信号通信与匹配、软件功能开发、EMC(电磁兼容)等方面的问题。

为了适应整车智能化和网联化，必然增加很多新的零部件，这些零部件在车内和机舱内的物理布置需要考虑，不仅需要关注其物理空间的问题，还需要关注其受热害热辐射的影响，以及控制线束的布置和固定是否满足零部件本身的安装和布置要求等多方面的因素。

智能化和网联化方面新增的零部件大多带有电器接口，在进行线束设计时需要考虑接口的匹配和信号通信与匹配，这样才能确保装配后相关功能正常的实现。智能化和网联化需要有相应的控制单位来实现，通过与整车ECU(电子控制单元)或VCU(整车控制器)的集成可实现，通过单独的控制器也可实现。不管什么模式，控制器与ECU或VCU之间的通信是必须的，通过对发动机或车辆运行工况的识别，判断车辆运行工况、驾驶员意图，进而实现对车辆的控制。

控制器软件功能的开发对智能化和网联化功能的实现具有重要的意义，这是智能化和网联化实现的核心之一。随着车辆功能的不断增加，车内的传感器、控制器和执行器越来越多，各零部件之间的电磁干涉不断增加，为保证整车电器功能的正常运行，车辆开发过程中必须进行电磁干扰测试，这是整车匹配验证的重要试验之一。

2.3 燃料电池汽车匹配设计及发展趋势

近年来，燃料电池汽车技术得到了飞速的发展，日本和欧美燃料电池汽车的发展相对我国更快。其中日本燃料电池技术领先我国约10年时间，日本丰田和本田均量产了搭载燃料电池的乘用车，日本每年各类燃料电池汽车的销售量可达到近万辆。

近年来，我国对燃料电池技术的研究不断进步，上汽等国内知名汽车企业和清华大学、同济大学等高校一起，已开始进行燃料电池汽车集成和控制技术的研究。相对于传统燃油车，燃料电池汽车并未采用传统意义上的发动机，取而代之的是燃料电池动力装置。

燃料电池动力装置是由燃料电池电堆和相关辅助系统(氢气系统、空气系统、增湿系统、水热管理系统等)在一起组成的能实现氢气发电的整套系统的总称。氢气通过氢气系统，以一定的形式进入燃料电池电堆，与空气系统的氧气进行化学反应，氢原子与氧原子结合转化为水，电子流动进而产生电能[8-10]。

为了保证燃料电池电堆的正常运行，需要对进入电堆的空气进行加湿(最先进的技术已经可取消加湿系统)，保持空气的湿润；水热管理系统保证燃料电池电堆内部处于合理的温度范围内。温度过低，燃料电池电堆无法正常工作或工作效率偏低；温度过高，燃料电池电堆超过过热保护，同样无法正常工作。

燃料电池汽车匹配设计过程中，重点是从燃料电池相关系统的设计要求出发，确保燃料电池系统正常高效地工作，做好氢气系统(含氢气引射系统)的设计以及空气系统(含加湿系统和增压系统)、水热管理系统和电控系统等方面的匹配设计工作[11]。

3 结论及展望

随着动力系统匹配设计在汽车工程中的应用不断深入以及现代计算方法的发展，目前美国、日本以及欧洲的一些著名的汽车公司在该领域广泛采用了计算机模拟技术，并在这方面做了大量的工作，形成了一整套新的理论和新方法，并研制出了方便、可靠的计算机模拟程序，使其在提高汽车性能、加快研制周期方面起了巨大的作用。

进入新世纪以来，我国汽车工业得到了飞速发展，技术水平突飞猛进，政策销量与日俱增。但即便如此，相比世界先进水平依然有一定的差距，为此仍需戒骄戒躁，稳步发展！