一汽強混合動力系統(tǒng)平臺開發(fā)詳解

FAW強混合動力系統(tǒng)平臺開發(fā)一汽雙電機混合動力系統(tǒng)由一款高效汽油發(fā)動機、AMT和兩個永磁同步電機組成。該系統(tǒng)為強混合方案，可實現(xiàn)混合動力系統(tǒng)所有功能，在動力性能與原型車基本相當(dāng)?shù)幕A(chǔ)上，可實現(xiàn)節(jié)油率40%左右。中國第一汽車集團公司雙電機混合動力系統(tǒng)(FAW-TMHtm)由一款高效汽油發(fā)動機、AMT和兩個永磁同步電機組成。該系統(tǒng)為強混合方案，可以實現(xiàn)混合動力系統(tǒng)的所有功能，在動力性能與原型車基本相當(dāng)?shù)幕A(chǔ)上，可實現(xiàn)節(jié)油率40%左右。FAW-TMHtm系統(tǒng)已經(jīng)成功地裝備在紅旗、奔騰B70、奔騰B50等車型上，是一套具有良好通用性的動力總成平臺。1前言近年來，為了保護地球資源和阻止全球變暖，減少車輛二氧化碳排放和提高燃油經(jīng)濟性成為迫切需要解決的問題，尤其是在擁堵的大都市，車輛造成了巨大的能源消耗和嚴(yán)重的空氣污染。在這種環(huán)境下，尤其適合于城市工況的混合動力系統(tǒng)能夠顯著提高車輛燃油經(jīng)濟性和減少尾氣排放。一汽雙電機混合動力系統(tǒng)(FAW-TMHtm)是由一汽技術(shù)中心自主研發(fā)的強混合式動力總成平臺，該混合動力系統(tǒng)最早于2003年裝備小紅旗車型，隨后2007年裝備于奔騰B70車型，2009年裝備于奔騰B50Plug-In車型。一汽雙電機混合動力系統(tǒng)已經(jīng)成功地實現(xiàn)了不同車型的平臺化移植。本文針對一汽雙電機混合動力系統(tǒng)和平臺化開發(fā)方案進行了詳細(xì)的介紹與分析。2一汽雙電機混合動力系統(tǒng)圖1所示為FAW-TMHtm系統(tǒng)架構(gòu)。該動力總成系統(tǒng)包括一款1.5LD-VVT汽油機、5擋AMT、兩個永磁同步電機(BSG電機和PM電機)、一個高性能鎳氫動力電池。BSG電機通過皮帶與發(fā)動機曲軸相連接，PM電機通過鏈傳動與變速器輸出軸相連，動力總成布置為前置前驅(qū)。該系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)相對簡單、控制靈活等優(yōu)點，即可以實現(xiàn)發(fā)動機起動/停機功能，也能實現(xiàn)純電動行駛及其他混合動力工作模式。HCU與各控制系統(tǒng)ECU間以CAN通訊方式實現(xiàn)混合動力整車控制功能。FAW-TMHTM動力系統(tǒng)構(gòu)型方案已分別獲得中、美兩國發(fā)明專利。

3HIaII?Lf抿磬于桶i制功乳観膽機n_ip丸氏開壬電斗直0 2 U力務(wù)\pgt3HIaII?Lf抿磬于桶i制功乳観膽機n_ip丸氏開壬電斗直0 2 U力務(wù)\pgt卑苛方剪迪胚鞍畧糞#事暮碼事專黑雲(yún)肆?xí)?S」fm-tm滬察壯配巒評洌皿繪喊@屯妙S屈@朋2^j￥厲圧系狡Ieiana<CAN加弭 橙爾曲號^0[Fl射）G斥和'心—— 側(cè)團蔓主繪勒乜兀衣動-I1E解甲匹.1..豎逋rti應(yīng)網(wǎng)早皿M.LIJ電肛谿障兀匕昭電總瓷擔(dān)蕊尿Aft$制初甌胞起乘域■CAh~涇制:S為謹(jǐn)冋~伯了IX：'SJffTFTF^~FMF力電MLflMT別植式自吊童址刖-ENGSTSi^T-客恥壓話式擔(dān)諾捉電圳IPK顯取譽-空甘.*.垃-電葡EP7T阡冋不冊葉咼民特樂重該系統(tǒng)最顯著的特點就是驅(qū)動電機和變速器一體化集成設(shè)計，該機電耦合變速器（圖2）特點為：驅(qū)動電機與變速器的輸出軸連接，能夠在實現(xiàn)純電動行駛的同時避免換擋過程中的動力中斷；電機殼體、冷卻系統(tǒng)與變速器殼體一體化設(shè)計，結(jié)構(gòu)緊湊，集成化程度采用具有混合動力專用控制策略的AMT技術(shù)。FAW-TMHtm系統(tǒng)為全混式混合動力系統(tǒng)，可以實現(xiàn)混合動力系統(tǒng)的所有功能，且能夠針對不同工況進行工作模式優(yōu)化調(diào)整，以達(dá)到整車系統(tǒng)效率最高。此外，該系統(tǒng)還具備純電動行駛所需的各種電動附件，如DC/DC、電動空調(diào)、電動真空泵、EPS等，因此該系統(tǒng)進行部分修改可以很容易移植到Plug-In系統(tǒng)和純電動系統(tǒng)中，真正實現(xiàn)動力系統(tǒng)平臺化設(shè)計。FAW-TMHtm系統(tǒng)動力總成性能參數(shù)見表1所列。表］動力更統(tǒng)聲數(shù)左動機IA1(CA4CA5)| 直列四缸電控國IV塩動機呼費驚羽陽機燦如必廳盒擔(dān)矩為?旳何4Wrfmm)ASH'予攔手動自動一體機挾式自動變速器主減速番主誡速此為4衛(wèi)甜 1BSG電機起動盂電機永磁同步電機強制水冷二背V曹詈?10kW(l910-12(MX)r/mm)p甌電機主驅(qū)動電機永磁同步電機強制水冷二蘭￥J;20^0kW{l9】0小切0r/mm)扭矩：］OOrIF)*nm9］0r/iiiin)電池碟氨動力電池，強制鳳冷發(fā)動機性能發(fā)動機采用一汽自主研發(fā)1.5L進氣可變正時4氣缸16氣門電噴發(fā)動機其輸出特性如圖3所示。m.冊鈦舊氨■Jr-__d丈擁諾麒捏舉IBpmMM耗矍m.冊鈦舊氨■Jr-__d丈擁諾麒捏舉IBpmMM耗矍PM電機性能PM電機(Powermotor)采用永磁同步電機，其峰值功率為30kW,峰值扭矩為150N?m,最高轉(zhuǎn)速為9600r/min,具備四象限工作能力，其主要功能是驅(qū)動整車行駛和制動能量回收。由于電機具有扭矩動態(tài)響應(yīng)快、執(zhí)行精度高的特點,因此電機可以彌補發(fā)動機扭矩響應(yīng)滯后的缺點,提高車輛的動態(tài)響應(yīng)特性,進而提高整車駕駛性能。系統(tǒng)輸出特性如圖4和圖5所示。BSG電機性能BSG電機(BeltStartGeneration)同樣采用永磁同步電機，其峰值功率為10kW,峰值扭矩為50N?m,最高轉(zhuǎn)速為12000r/min，其主要功能是發(fā)動機起動/停機和發(fā)動機工作點調(diào)節(jié)，必要時BSG電機也可進行電動助力，以保證整車性能。電池性能電池系統(tǒng)采用高性能鎳氫動力電池，電池容量為6Ah,標(biāo)稱電壓為288V，額定功率為30kW。3整車性能動力性能發(fā)動機單獨驅(qū)動時的扭矩輸出特性如圖6中細(xì)線所示。由于采用小排量發(fā)動機，其最大扭矩能力并不能滿足整車需求。整車總驅(qū)動能力為發(fā)動機輸出扭矩和PM電機輸出扭矩的合成扭矩，圖6所示粗線為整車扭矩輸出能力，合成扭矩與傳統(tǒng)車相當(dāng)，滿足整車需求且低速時好于傳統(tǒng)車，即混合動力車輛的起步性能將好于傳統(tǒng)車輛。

匕41)0海壊性能—2匕41)0海壊性能—2箱扭矩亠 斗拾扭矩高連住能一于描扭矩J_2\十開度0%三開度2帰■■予開度57%黃生評 1 滬開看吸叱調(diào)臨癥根據(jù)加速踏板開度的不同，輸出扭矩也有所不同，加速踏板開度為100%時整車輸出最大扭矩。整車動力性能試驗結(jié)果見表2所列。表2整車動力性能目標(biāo)數(shù)值實際數(shù)值璟高車速仏廿1701710-400kWh加速時間：<13 .12.7Z燃油經(jīng)濟性混合動力系統(tǒng)實現(xiàn)節(jié)油主要通過以下途徑：發(fā)動機起動/停機、發(fā)動機工作點優(yōu)化、制動能量回收、發(fā)動機Downsize。圖7所示FAW-TMHTM系統(tǒng)通過NEDC工況對各主要功能的節(jié)油貢獻(xiàn)率進行對比分析，以確定進一步優(yōu)化方向。17.U7%5-LZJkwjiSiairm17.U7%5-LZJkwjiSiairmfaw-tmhtm系統(tǒng)顯著的特點是：具有較好的純電動驅(qū)動能力，在發(fā)動機低負(fù)荷區(qū)域（效率較低區(qū)域）能夠通過EV行駛避免發(fā)動機運行。電機功率足夠滿足制動能量回收功能，正常行駛中電機制動能力可以覆蓋90%以上的制動過程，盡可能地回收制動能量，以達(dá)到更好的燃油經(jīng)濟性。AMT相比其他自動變速器具有更高的傳動效率，對燃油經(jīng)濟性有一定的貢獻(xiàn)，同時也避免如普銳斯THS系統(tǒng)的無功電循環(huán)。燃油經(jīng)濟性如表3所列。表P燃油經(jīng)濟性王況狀態(tài)燃油消耗NEDC熱機5.54NE1X；冷機6.(n北京工況磯池翹諂H踏3.2.1發(fā)動機工作點優(yōu)化為使發(fā)動機工作在燃油經(jīng)濟性較好的區(qū)域，避開低速、小負(fù)荷等燃油經(jīng)濟性差的工況，且考慮到電系統(tǒng)效率，把發(fā)動機的萬有特性曲線劃分成3個區(qū)域（圖8）。發(fā)動機經(jīng)濟工作區(qū)是發(fā)動機的目標(biāo)工作區(qū)域；低負(fù)荷區(qū)將對發(fā)動機工作點進行調(diào)整，使其工作在經(jīng)濟區(qū)域內(nèi)或進入純電動行駛模式；電機助力區(qū)中PM電機將提供額外的功率以滿足整車要求。發(fā)動機的工作區(qū)域還將隨SOC、電機電池狀態(tài)、發(fā)動機水溫等其他條件進行相應(yīng)調(diào)整。制動能量回收優(yōu)化FAW-TMHTM系統(tǒng)采用并聯(lián)式制動能量回收系統(tǒng)，即在保留原車液壓制動系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增加PM電機能量回收功能。這種并聯(lián)式制動能量回收系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與控制策略簡單，同時在典型城市工況下能夠有效地回收制動能量。另一個主要優(yōu)點是這種結(jié)構(gòu)不對原有制動系統(tǒng)進行更改，系統(tǒng)可靠性更高。車輛制動減速過程（圖9）中，隨著電機制動回收扭矩的增加，離合器將分離，當(dāng)發(fā)動機轉(zhuǎn)速下降到一定轉(zhuǎn)速后，發(fā)動機斷油停機。因此，在制動過程中發(fā)動機處于停機狀態(tài)，沒有燃油消耗，且消除了發(fā)動機反拖扭矩，進而增大了電機制動回收能量。

NEDC工況燃油經(jīng)濟性以NEDC工況為例，介紹工況油耗優(yōu)化策略及測定過程。如圖10所示，起步過程為EV起步，避開發(fā)動機低速、低負(fù)荷工作，且避免起步過程離合器滑磨的能量損失；當(dāng)進入發(fā)動機經(jīng)濟區(qū)時，先由BSG電機起動發(fā)動機，之后進入發(fā)動機驅(qū)動模式，并通過BSG電機調(diào)節(jié)發(fā)動機工作點，使發(fā)動機一直保持在經(jīng)濟區(qū)內(nèi)運行；在滑行制動過程中發(fā)動機將斷油停機，PM電機以一個較小扭矩進行能量回收；當(dāng)駕駛員有制動意圖時，PM電機將以一個較大扭矩進行制動能量回收，且當(dāng)小于一定車速時PM電機制動扭矩會逐漸減小至0,以保證整車平順性。n722734時間，一可10熹n722734時間，一可10熹041 37M圖10EAW-'FMH-垂統(tǒng)工柞S3刪蕊◎峻#⑥?翻占庖⑥＜場席￥1詩機:値；啟總竝站機NEDC工況油耗的測試條件為發(fā)動機暖機狀態(tài)（水溫＞80°C），采用油耗儀記錄燃油消耗，具體數(shù)據(jù)見表4所列。

表4WF：IX"油乳,試區(qū)結(jié)果序號里程油耗初始終止S(?§!油耗統(tǒng)計//n]LstKJ%差％110.855菊丨」605fi-4：5,44. ”210.K47AO8.3565B25.613嫌報6]0.65K6(.)24]0.^3759^36058-25.47510,906600.6旳別I總計544133OO&9ra祁k皿上（553P片AT輕涇Q血AD兀型9觀韌朋通過對試驗數(shù)據(jù)的線性回歸（圖11）得到以下數(shù)據(jù)：NEDC工況油耗為5.54L/100km。圖12為NEDC循環(huán)工況FAW-TMHTM系統(tǒng)各總成工作狀態(tài)。Fzffi聲當(dāng)弓gFzffi聲當(dāng)弓gNEDC循環(huán)工況油耗測試結(jié)果顯示FAW-TMHtm系統(tǒng)對改善車輛燃油經(jīng)濟性方面的貢獻(xiàn)是非常顯著的。圖13為國內(nèi)眾多乘用車NEDC循環(huán)工況燃油消耗量統(tǒng)計。從圖13中可以看出，裝備FAW-TMHtm系統(tǒng)的車輛（CA7150N）燃油消耗量明顯低于平均水平。二Egg二Egg監(jiān)施鬟排放性能與傳統(tǒng)車輛相比，強混式混合動力系統(tǒng)發(fā)動機工作模式發(fā)生了巨大變化，雖然EV行駛時發(fā)動機尾氣排放為零，但發(fā)動機頻繁起動將會使排放性能嚴(yán)重劣化。FAW-TMHtm系統(tǒng)中特別對發(fā)動機起動過程進行了相應(yīng)的優(yōu)化。發(fā)動機起動為BSG快速起動，并針對此過程進行了特殊標(biāo)定，如減小噴油量、改善空燃比等。排放性能試驗結(jié)果見表5所列。表5廉放測試結(jié)果IHCCOM<K€<)i測量結(jié)果0.0710.735().052142第III階段限值0.2230.1