油电混合动力商用车关键技术概述

赵震， 王铁 ，李蒙

（太原理工大学 车辆工程系，太原 030024）

文章已被汽车科技杂志社录用，汽车科技杂志投稿网址链接：http://www.zazhi114.cn/qichekeji

摘 要：油电混合动力商用车相较于传统内燃机商用车有良好的排放性能和燃油经济性，相较于纯电动商用车具有良好的动力性，尤其是在续航里程上具有绝对的优势。本文介绍了混合动力汽车的概念，按照动力驱动联结方式和动力系统混合度进行分类，介绍了国内外混合动力商用车发展现状、混合动力商用车关键技术和当前研究过程中存在的一些不足。

关键词：混合动力商用车；关键技术；动力性；燃油经济性

An Overview of Key Technologies for Oil and Electricity Hybrid Electric Commercial Vehicle

Zhao zhen  Wang Tie  Li Meng

 (Taiyuan University of technology, Taiyuan 030024)

Abstract：Compared with the traditional commercial vehicle, the oil and electric hybrid commercial vehicles have good performance and fuel economy, and  has better dynamic performance than the pure electric commercial vehicles, especially in the cruising radius.In this paper, the concept of hybrid electric vehicle is introduced. According to the combination of power drive and power system, the key technology and some shortcomings of the current research process are introduced.

Key words： hybrid electric commercial vehicle；key technology；dynamic performance；fuel economy

引 言

随着我国经济的发展和科学技术的进步，人们的出行方式正在发生着深刻的变化，越来越多的人拥有私家车，直接导致我国汽车保有量不断地增加。截至2017年底，全国机动车保有量达3.10亿辆，其中汽车2.17亿辆。汽车灵活方便的特性，给人们的生活带了极大的方便，促进了人社会文明的发展，同时也带来了诸多困扰：首先是能源危机问题，其次是环境环境污染问题。当前绝大多数汽车运行的主要能源是石油资源，就全世界范围内来看石油资源在不断的枯竭，能源危机对经济的发展的掣肘作用正在逐步显现；在汽车运行过程中，大量的尾气排放的大气中，直接造成雾霾、大气污染和温室效应等，环境污染问题对人类社会与经济的可持续发展带来的影响也不容忽视。面对能源危机与环境污染，世界各国环境保护的措施都越来越严格，各大汽车制造商都在采取对策，努力减少汽车对不可再生资源的依赖程度，提高汽车对能源的利用效率；同时各种各样的新能源汽车计划也相继提出，研制节能效果好，排放性能低和使用无污染替代能源的新能源汽车。

目前，国内有多家重卡主机厂已经推出了纯电动重卡驱动方案，例如中国重汽、陕汽和东风商用车等。一辆重型卡车的尾气排放量大约等于30辆小轿车的尾气排放量，因此从节能减排角度看，纯电动商用车相较于传统燃油商用车有着非常有明显的优势。但纯电动重卡仍然面临着许多暂时无法解决的问题，车载蓄电池能量小、续航里程短，使用寿命短，电池自重大，使用成本高，另外充电配套设施不完善也制约着纯电动商用车的推广。目前纯电动商用车主要的应用于港口、码头和固定路线的高速城际运输等领域。

国际电工委员会电动汽车技术委员会最早对混合动力汽车做出具体定义，其定义是：由多于一种能量的转换器来提供驱动力的混合型电动汽车(HEV, Hybrid Electric Vehicle)，通常人们所指的混合动力汽车是指内燃机和电机混合汽车，也有的发动机经过改造使用其他替代燃料，例如压缩天然气、丙烷和乙醇燃料等^[1]。混合动力汽车与传统内燃机汽车相比有着明显的优势，通过取消内燃机怠速工况，可以很大程度上改善整车的燃油经济性和排放性。同时内燃机的使用能够解决纯电动车辆续航里程不足的问题，扩大应用场合，提高竞争力。作为环境污染和能源供给双重问题的解决办法之一，混合动力车辆由于其节能、低排放等特点成为汽车研究与开发的一个重点。

1 油电混合动力商用车的分类

油电混合动力商用车一般指由燃油和电池提供能源，燃油发动机和电动机提供动力。混合动力商用车通常根据驱动联结方式和混合动力系统中混合度的不同进行分类。

1.1 按动力驱动联结方式分类

依据发动机、电动机与传动系统联结形式的不同，混合动力商用车分为串联结构、并联结构以及混联结构^[2]。图1-3为三种典型混合动力汽车结构，表1为三种典型结构对比。

其中，增程式混合动力汽车只能采用串联结构，并联结构和混联结构应用范围较广，广泛应用于普通混合动力和插电式混合动力汽车。

表1 三种典型结构特点对比

1.1.1 串联式油电混合动力汽车

串联式混合动力汽车主要由发动机、发电机、驱动电机等总成用串联方式组成HEV的动力系统。沃尔沃混合动力商用车采用的是串联式驱动联结方式，在发动机和变速箱之间增加一个电动机/发电机，用来增大扭矩。在斜度大于10%的坡度下坡或者在刹车时混合动力系统会回收能量，并将能量存储在电池系统中，用来在平坦和上坡路中为车辆行驶提供能量。

1.1.2 并联式油电混合动力汽车

在普通汽车的基础上，加装一套由电动机和动力电池组成的电能驱动系统，就构成了并联结构。并联结构的混动车型在纯电动模式下，发动机关闭，动力电池为电动机供电，驱动车辆行驶，该模式多用于中低速行驶。当发动机运转，实现车辆高速巡航纯油时，同时带动电动机反转，实现动力电池的充电。在车辆进行爬坡、急加速或者其他高负荷工况下，发动机和电动机同驱动车辆行驶，车辆动力性能更加优越。

并联结构混合动力汽车具有的驱动模式较多，对复杂工况的适应性强。车辆在中高速运行时，发动机直接单独驱动，无需进行能源的二次转换，能量损耗小。由于并联结构的混动车型只有一台电动机，没有独立的发电机，故无法实现混合模式下发动机为动力电池充电的功能，当动力电池电量耗尽时，只能依靠发动机驱动。

奔驰Atego Blue TecHybrid是第一款在欧洲获得欧洲型式批准的混合动力卡车，采用的是并联式驱动联结方式，电动机位于柴油发动机和离合器后面，在变速箱之前。柴油发动机和电动机就可以独立或同时为车辆提供动力输出，当车辆在制动或者滑行时，电动机作为发电机为锂电池充电，储存的电力用于应对特殊的载荷车况使用。相比传动的动力系统，这种混合动力系统能够降低燃油消耗，同时CO₂的排放量将降低10-15%，在油耗降低及节能减排上表现突出。

1.1.3 混联式油电混合动力汽车

混联式混合动力商用车综合了串联式和并联式结构的结构特点，在发动机和电动机协同驱动车辆行驶的同时，发动机还能带动发电机为动力电池充电，实现发动机带动发电机发电，电动机驱动车辆的模式。混联结构的驱动模式有，纯电模式、纯油模式、混合模式、充电模式四种。

混联的结构优点和使用优点更加接近于并联结构车型，但混联的驱动模式更加丰富，在并联的混合驱动模式基础上，加入了充电功能，使发动机和电动机全力驱动车辆时也不用担心电量消耗的问题，能够适应更多的工况，节油效果更加出色。

1.2 按混合度分类

混合度是指混合动力汽车电系统功率与驱动总功率的比值。根据混合动力系统中混合度的不同，将混合动力系统分为以下四类^[3]，如下表2。

表2 混合动力系统分类

2 国内外混合动力商用车发展现状

许多国外的商用车企业很早就开始在混合动力重卡进行产品布局。早在2006年，沃尔沃就宣布已经开发了大型车辆的混合动力技术，使燃油效率提高5~10%。如图4为沃尔沃26吨级并联式柴油电动混合重卡，使用带有I-Shift键的AT2412D的12速顶级变速器。搭载了300马力和340马力的道依茨D7F300的7L六缸柴油发动机，最大扭矩可达到1300N.m/1200-1700r/min。在发动机和变速器之间安装最大输出功率为120KW，输出扭矩为800N.m的电动机。日本丰田作为乘用车混合动力系统的技术领导者，在2015年的东京车展上展出了旗下日野重卡的混动产品，驱动系统在1800rpm的转速下，最大输出功率360马力，最大扭矩为1500N.m，12挡AMT变速器与系统搭载，使混合动力的驱动电机峰值功率可达到90KW，如图5。

在中国发展混合动力重卡，要考虑重卡运行的特殊工况，结合新能源配套系统产业化带来的成本优势，对混合动力卡车动力电池的配比、变速器挡位速比、离合器类型的选择和电动机功率的选择进行合理优化，在起动和驱动模式下选择使用纯电运行模式，在高速巡航或者爬坡等模式下发动机参与到车辆驱动当中。目前，国内对混合动力商用车产品研究较多的厂家，主要是东风商用车、福田和陕汽。

东风商用车推出一款可作为城市物流车、城市环卫车使用的气电混合动力汽车，同时也可作为城市客运汽车底盘使用。整车充电时间1小时左右，纯电动模式续航里程超过50Km，气电混合模式下行驶里程超过300Km，能够实现短距离纯电动行驶时的“零排放”，实现绿色环保出行，如图6。

福田欧曼GTL重卡配装13L重型发动机，B10寿命可达100万公里，机油更换周期为2万公里，具有先进的能量回收技术。配合电力辅助驱动的油电混合版本车型，起步强劲，加速性能好，燃油经济性好，可实现节约油耗30%以上，如图7。

陕汽开发了一款具有再生制动功能的油电混合动力重卡，能够满足城市和郊区等地的环卫运输功能，取消怠速工况实现了节能减排，起步和加速性能优越，如图8。

3 油电混合动力汽车关键技术

油电混合动力商用车受限于新能源系统，特别是电机以及电池系统普及规模小，而造成系统成本高。且选用的电机功率小，混合动力系统的驱动还是以传统的发动机驱动为主，电机主要的功能以辅助驱动和能量回收为主。另外受限于商用车高速为主的工况，因此节油效果并不明显，最多不超过15%，因此普及率不高。下面将从混合动力商用车的主要关键技术出发，来研究如何使混合动力商用车有更好的动力性和燃油经济性。

3.1 电池及管理系统

动力电池作为混合动力汽车的重要动力源，其性能的好坏将会影响直接影响驱动电机的工作性能，进而影响整车的排放性能、动力性和燃油经济性。电压、电流和荷电状态（SOC）是影响动力电池工作性能的重要参数，要提高动力电池的使用寿命和使用安全性，必须对这三个重要的参数进行控制，使其保持在合理的范围之内。通过电池管理系统(Battery Management System，BMS)可以对动力电池的三个参数和温度进行有效监控和控制，电池管理系统的主要包括以下功能：

（1）准确的监控动力电池的电压、电流和SOC；

（2）对动力电池组可以进行加热或者冷却等操作，实现安全、可靠热管理；

（3）监控电池单体，进行故障诊断。

3.2 电驱动系统

在油电混合动力汽车动力系统中，电动机、功率变换器和电子控制器组成了电驱动系统。电动机在驱动车辆时，实现电能向机械能的转换；当车辆在制动时，电驱动系统实现机械能想电能的转化，并将电能储存到储能装置中。油电混合动力汽车电动机，面临的工况比较复杂，要求电机驱动系统满足以下几个方面的要求：

（1）在低速时具有高转矩，满足车辆在起步或者爬坡时对动力的要求；

（2）为了适应复杂的工况，转速范围要宽，功率密度要高；

（3）在制动工况时，要具有较高的制动能量回收效率；

（4）较好可靠性和耐久性。商用车应用环境恶劣，剧烈振动、高温和宽温差循环。

（5）具有良好的电磁兼容性。整车用电设备较多，电磁环境复杂。

3.3 动力系统参数匹配

为了得到整车较好的燃油经济性、排放性和动力性，需要将发动机功率、电动机功率、变速箱参数和动力电池等相关参数进行合理的选择。这些参数选择合理的合理性会直接关系到整车的性能，包括整车的动力性、燃油经济性和排放性。目前，相关企业和高校目多数采用计算机仿真来实现快速准确的动力参数匹配。

3.4 能量管理策略

油电混合动力汽车具有多个动力源，通过能量管理策略实现各个动力源能量的分配。能量管理策略是影响油电混合动力商用车的决定性因素之一。驾驶员在行驶过程中，对车辆进行加速踏板和制动踏板等操作，能量管理策略会判断驾驶员意图，对发动机、电动机和动力电池等能量进行分配，以满足车辆的动力性、燃油经济性和排性能放。例如MAN TGL 12.220混合动力商用车的混合能源管理系统，通过对发动机功率、电动机功率以及发动机和电动机扭矩的分配来实现整车燃油经济性最佳。

3.5 再生制动系统

混合动力汽车的燃油经济性较传统汽车好，主要是电机驱动系统能够保证发动机始终工作在最佳高校区域；其次，在车辆进行制动时，能够实现之后能量的回收。在对车辆制动能量进行回收时，必须保证车辆行驶的安全性。当前研究的热点是整车制动稳定性和制动能量回收的集成控制。

3.6 整车结构及设计

目前针对混合动力汽车结构设计的方法有两种：针对原有整车结构进行改进；根据设计目标重新进行设计。前一种方法由于是在原有的基础上进行改进，实施过程简单，工时要求较少，但对于较大的变动难以实现。后种方法有利于对整车的重新布置，设计结果更加有效。通过整车重新设计，可以对相关部件进行重新布置，进而降低整车质量和风阻系数，实现整车性能的提高。

3.7 CAN 网络设计开发

整车CAN网络的高质量通信是混合动力汽车动力总成正常工作的必要条件。明确混合动力汽车动力总成CAN网络通信的需求，基于混合动力汽车结构和工作模式，保证网络信息准确、可靠传递，满足整车控制需要^[4]。根据混合动力汽车整车CAN网络拓扑结构合理搭建原则及协议制定规范，制定CAN网络动力总成协调控制方案，解决不同网络节点的整车网络协议报文冲突问题，解决混合动力汽车的电磁干扰CAN网络问题。考虑电机等零部件电磁辐射干扰导致的CAN网络信息错误发送和接收问题，设采用网络拓扑结构对电磁干扰实现有效抑制。

4 当前研究存在的不足

国内在混合动力商用车领域开展的研究起步较晚，而且以高校研究为主，汽车零部件企业和整车企业参与程度相对较低。在混合动力商用车已经产业化的今天，混合动力商用车各项技术已经成为了世界各国各大汽车公司重点攻关的核心领域，而我国在混合动力商用车的研究中，还存在着一些不足。

（1）分析模型不精确。在进行问题分析建模过程中，对模型进行过度简化，虽然方便了仿真的运行，但是运行结果与实际偏差较大，实际指导意义大打折扣；

（2）研究对象单一化、片面化。在分析问题时，以单独部件或系统作为研究对象，忽略把整车作为一个整体系统来进行研究；

（3）核心关键竞争力不足。核心零部件、策略研发技术不足，研究内容分散、不系统、不深入，竞争力弱。

5 结 论

油电混合动力商用车作为传统内燃机商用车向纯电动商用车转变阶段的过渡车型，具有良好的燃油经济性和低排放性能，能够满足日益严格排放法规的要求，减少对石油资源的依存程度。

从电池及管理系统、电驱动系统、动力系统参数匹配、能量管理策略、再生制动系统、整车结构设计和CAN 网络设计开发等关键技术出发，研究如何使油电混合动力商用车有更好的动力性和燃油经济性。

参考文献

[1] Bayindir K C,Gozukucuk M A , Teke A. A comprehensive overview of hybrid electric vehicle: powertrain configurations, powertrain control techniques and electronic control units [J].Energy Conversion and Management. 2011, 52(2): 1305-1313 .

[2] 景琳浪.混合动力重型商用车动力系统建模与仿真[D].长安大学.2013.

[3] 童浩.混合动力重型商用车驱动系统设计及控制策略研究[D].武汉理工大学.2011.

[4] 冯军强.混合动力客车CAN网络设计开发关键技术研究[D].吉林大学.2016