传统轿车搭载混合动力系统整车技术

余才光，包寿红，马智涛，张 彤

（上海华普汽车有限公司，上海 金山 201501）

近年来，电动汽车一直是热门话题。推广和普及混合动力轿车是目前国家政府政策导向，也是节能减排的有效途径。目前，普及纯电动汽车还受到动力电池高成本的影响，混合动力汽车则平衡了成本和节能的要求。随着油价飚升和批量零部件的成本降低，混合动力轿车将会越来越受国家和用户的认可。

国际上，日本混合动力车发展最为成熟，特别是丰田汽车，截至2010年7月，在全球，丰田汽车已经销售了268万辆混合动力汽车，约占全球销量的90%。福特、通用、大众、宝马等国际大公司都纷纷推出混合动力车。

国内，一汽、上汽、长安、奇瑞、比亚迪等国内主要汽车生产商也推出了混合动力轿车计划和样车，但一直没有产品推向市场。

1 混合动力车关键技术

1.1 混联式混合动力车工作原理

根据混合动力系统能量传递不同，可把混合动力汽车主要分为3种结构方式:串联式、并联式和混联式。它们各有优势，这里我们分析的是混联式混合动力车工作原理。混联式混合动力系统结合了串联和并联的优点，但是结构复杂，如图1所示。

以目前全球销量最大的丰田Prius为例，Prius动力总成结构如图2所示。Prius以行星齿轮作为动力分流装置，发动机与行星架相连，发动机的一部分功率通过电机Ⅰ转换为电能对电机Ⅱ供电或对电池组进行充电；另一部分机械能直接作用于齿圈上，同时电机Ⅱ与齿圈相连，提供部分功率和扭矩[1]。

1.2 混合动力车关键零部件

混合动力系统关键技术包括:混合动力传动箱、电机控制器、动力电池及其控制器、整车控制器。

混合动力传动箱是核心零部件。整车动力性和燃油经济性的要求确定双电机功率和整车控制方式，同时确定了动力电池主要参数，如功率和充放电性能。

发动机总成优化对混合动力车节油会起到举足轻重的作用。如丰田PriusⅡ采用1.5L的阿特金森发动机，它的最低比油耗只有220g/kWh。

2 整车技术

掌握了混合动力系统的关键技术，如何在整车平台上搭载混合动力系统，成为混合动力车产业化的关键，包括整车总布置、动力系统、底盘、整车电子电器等系统的设计和开发。

2.1 整车性能及总布置

2.1.1 动力性及经济性

对于混合动力汽车来说，我们更关注整车燃油经济性，但汽车作为交通运输工具还需有一定动力性。因此，对于混合动力车，我们首先要确定整车动力性及燃油经济性，这确定了发动机功率、双电机功率和动力电池性能参数。

整车动力性的目标为不低于传统汽油车的动力性:最高车速≥180 km/h，最大爬坡度≥30%，0—100km/h加速时间≤12s。

燃油经济性百公里综合油耗≤5.3 L，相对于传统车节油30%以上。

2.1.2 混合动力系统主要参数

发动机、动力电池、双电机性能参数直接决定整车动力性能；而整车控制策略则决定了整车燃油经济性。

阿特金森发动机开发标定难度风险大，而采用改进的奥拓循环发动机，开发时间短，风险小。发动机排量为1.8L，最大功率为90kW/6000r/min，最大转矩为168Nm/3800r/min。

动力电池为功率型镍氢电池，额定电压为288V，能量为6.5 Ah。动力电池功率和充放电性能取决于整车动力性要求。

大小电机功率分别为50kW和30kW，最大转矩分别为200Nm和80Nm，最大转速分别为8500 r/min和10500r/min。

2.1.3 整车布置

混合动力车能改善前后轴荷分配。动力电池和12 V铅酸电池布置在行李舱内，混合动力传动箱和电机控制器布置在机舱内。前后轴荷接近50%︰50%，有利于整车转向稳定性。

整车布置关键在机舱布置。动力总成布置应遵循整车布置基本原则，严格控制动力总成与周边的间隙。在原发动机冷却系统基础上，增加了混合动力传动箱油冷系统和电机控制器水冷系统。冷却系统布置也要合理。电机控制器和继保盒空间布置是难点。

2.2 动力系统

动力系统变更设计包括:发动机附件、发动机悬置和冷却系统。进气系统应做适应性变更设计，排气系统根据排放需求进行三元催化器结构和配方设计。

2.2.1 发动机总成轮系设计

电动助力转向和电动空调的使用，整车12 V用电及蓄电池充电均通过DC-DC转换完成。发动机总成前端轮系简化，通过惰轮设计完成对发动机冷却水泵驱动。

丰田PriusⅢ发动机总成取消前端轮系，发动机冷却水泵采用电动水泵，提高发动机效率和整机轻量化。

2.2.2 发动机悬置设计

发动机悬置系统是汽车振动系统的一个重要子系统，该系统性能设计优劣直接影响整车的NVH性能，对混合动力车尤为关键，发动机频繁起停，如系统设计不合理，直接影响整车舒适性。目前，现行的设计方法是通过优化计算，合理设计悬置的刚度、布置位置和布置角度，使得动力总成悬置系统具有较高的振动解耦程度，使得总成到车架间的振动传递率最小，从而提高汽车的乘坐舒适性。

在发动机起停和车辆加速过程中，发动机转矩和双电机的转矩同时作用在发动机悬置上，动力总成瞬间相对惯性主轴产生较大旋转。为了满足车辆行进间舒适性，应优化悬置结构和刚度，同时完善混合动力起停控制策略。

2.2.3 冷却系统

冷却系统设计包括发动机冷却系统、动力合成箱冷却系统及电机控制器冷却系统。发动机工作温度80～100℃，水冷；混合动力传动箱工作温度80～100℃，油冷；电机控制器进口温度控制在65℃内，水冷。

在发动机散热器下方增加2套冷却系统，如图3所示。电机控制器冷却水温度较低，用来冷却混合动力传动箱冷却油。这种布置方式，满足性能要求，节省布置空间。

2.3 底盘

底盘主要解决的问题是制动能量回收系统，还包括电动助力转向和悬架匹配。

2.3.1 电动助力转向

电动助力转向解决了混合动力车辆在低速、减速和滑行过程中，发动机停机的问题。采用电动助力转向不仅解决了助力转向问题，还能对整车油耗有3%～5%的贡献。

2.3.2 悬架

整车前后质量增加改变了前后悬架负荷，引起车身姿态的变化和离地间隙变小，影响整车通过性。对滑柱调整主要是减振器阻尼和螺旋弹簧刚度调整。

2.3.3 制动系统

对于混合动力轿车，电机功率大，制动加速度在一定范围内，可以通过电机反拖转矩发电，把车辆动能转换成电能储存在动力电池中，并在车辆加速时电能释放出来，提高车辆的动力性能。制动能量回放能够对整车节油率有15%～18%的贡献。

这里介绍BOSCH公司为深度混合动力车开发的制动回馈系统CRBS。CRBS基于电子稳定系统ESP，以电机回馈力矩和液压制动力矩协调工作来达到降低车速的目的。

为了维持恒定的车辆减速度，一个稳定的制动力矩需要持续作用在车轮上。在车辆减速的过程中，当电机在其极限力矩曲线上运转时，回馈力矩将会不断地增加而同时引起液压力矩的降低。图4展示了液压力矩及回馈力矩协同作用的制动实例。在制动开始阶段，回馈力矩会一直增加到最大值（或达到驾驶员制动力矩需求）；在车辆即将停止前，由于电机在低转速时，无法维持制动力矩，其产生的回馈力矩会逐渐减小并由液压制动及时补偿。

在恒定的制动踏板位置输入下，车辆由高速到静止进行制动，回馈力矩和液压制动会持续协作控制来满足驾驶员的请求。

2.3.4 电子换档器

混合动力车采用电子换档器，通过霍尔传感器触点信号与整车控制器通信，实现P、R、N、D档的切换。

需从电路设计和控制策略上防止误操作，以免出现意外情况。

2.4 电子电器

电子电器设计是整车技术开发中的难点。电子电器设计包括整车电源管理、蓄电池充放电管理、整车电器安全、电磁骚扰。

2.4.1 弱电源管理

通过PEPS实现弱电电源管理，控制ACC、IG1、IG2继电器工作，完成对钥匙在车内的监控。

PEPS与BCM一同完成泊车时的防盗监控、门锁的开启和闭合；与HCU之间通信完成IMMO认证；与ESCL一同完成转向锁工作。实现ACC/ON状态下，蓄电池欠压状态下的充电管理。

2.4.2 12V蓄电池管理

传统蓄电池是通过发电机进行浮充电，无法对蓄电池进行有效管理，影响蓄电池效率和使用寿命。混合动力车对蓄电池充电是通过DC-DC转换动力电池高压直流电来完成。

在蓄电池充电端增加电流传感器，增加DC-DC限流控制，提高了蓄电池效率和使用寿命。

2.4.3 组合仪表及DVD显示

组合仪表取消发动机转速表，增加电量表。信号灯包括档位信号 （P/N/R/D）、EV指示、ESC指示、READY指示、遥控钥匙指示以及EPS、SVS、电机系统、高/低压电池故障、总故障指示等。用点阵屏或TFT屏显示混合动力及相关的行车信息。

DVD除了具有常规功能外，还需显示混合动力工作时能量流变化，并显示整车控制器HCU、发动机、双电机、动力电池等工作信息和故障信息，能给用户和维修人员做简单故障判断。

2.4.4 空调系统

2.4.4.1 制冷系统

结合混合动力系统的特点，采用288 V高压电动压缩机制冷，并与湿度传感器共同构成一个恒温恒湿的变频制冷系统。整车控制器监控电动压缩机使用，动力总成在起动前瞬间，电动压缩机能做降功率处理。

2.4.4.2 暖风系统

增加了1组PTC，安装在暖风机内，使用12 V工作电源；PTC起到前期辅助加热作用。发动机冷却液温度上升到一定温度，PTC停止工作，乘员舱供暖由发动机完成。

2.4.5 线束及CAN网络

整车线束分12V低压线束和288V高压线束两部分。高压线束布置在地板下侧。

整车控制器HCU是混合动力车的中心大脑，负责协调管理整车各个控制器。

2.4.5.1 低压线束

12 V低压线束与传统车基本一致，包括发动机线束、机舱线束、仪表板线束、四门线束、底板线束等。

低压线束原理图设计充分考虑混合动力系统各个控制器重要程度，关键控制器如整车控制器、制动能量回收控制器、电动转向控制器等，可以通过电路形成互锁继电器进行保护。

12 V蓄电池布置在行李舱内，将蓄电池搭铁线（负极搭铁线）移至发动机舱搭铁，蓄电池正极连接到机舱继保盒内。降低由车体产生的胯间电压。

2.4.5.2 动力线束

高压零部件包括电机控制器、动力电池、电动压缩机、电机冷却油泵4部分。动力电池安装在行李舱内，电机控制器、电动压缩机、电机冷却油泵安装在发动机舱内；动力线束从地板下侧连接到机舱内，通过布置在机舱内高压分电器分别连接到机舱内高压用电器上。

高压线束插接件应有INTER-LOCK功能，并且有很好的电磁屏蔽性能和高等级的防尘防水等级。

2.4.5.3 CAN网络

整车CAN网络分为动力CAN和附件CAN两部分，HCU的2路CAN通道分别为HCU_1和HCU_2。

动力CAN的网络拓扑结构包括HCU_1、ECU、PEU、EPS和CRBS共5个节点，主要负责动力总成系统通信。

附件CAN的网络拓扑结构包括HCU_2、BMS、PS、 BCM、 OPC、 DVD、 ACU、 DPLY和ESCL等节点。

3 结束语

随着世界范围的环境保护规则的强化和世界石油资源的枯竭，汽车产品的更新换代周期也在加快。在汽车配置中有MT和AT之外，还会加入混合动力配置，提供给用户更多选择，提倡用户使用节能汽车。混合动力传动箱及其控制和动力电池及其控制是混合动力车的核心和重要技术，它的理论与设计达到了相对完善阶段，在国际上，在轿车等各种车辆上获得越来越广泛的应用。在日本和欧美，混合动力车已经大量销售，在节能减排方面取得显著效果。

笔者认为，我国汽车工业已经进入了比较高速发展的时期，以自主研发为主、技术引进为辅是中国汽车发展的必然之路。为适应汽车未来发展方向，应尽快建立我国自主的轿车混合动力系统设计研发产业，特别是插电式混合动力设计开发。混合动力轿车研发的同时，推动纯电动轿车研发。

[1]任传波，庄继德，邹广德，等.汽车产品开发[M].北京:机械工业出版社，2007:218.