新能源動力耦合方式對節能效果的影響

陳 偉

（深圳市比亞迪汽車有限公司，廣東 深圳 518118）

隨著環境污染和能源危機壓力的逐步增大，在市面上出現了越來越多的新能源車輛，這一方面給消費者選購提供了多樣性的選擇，但另一方面在客觀上也對技術方案的發展趨勢造成了一定程度的干擾。本文立足于現有的動力耦合方案，結合設定的整車平臺和使用環境，分析各個動力耦合方案的特點，探尋出技術上的潛在優勢空間，為系統設計做論據支撐。

1 當前主流動力耦合方式

對當前市面上常見的新能源車輛進行產品特點分析，可歸納分為如下幾類。

1.1 發動機和車速完全解耦模式

此模式車輛，發動機通過專門的耦合機構，將發動機和車速完全解耦，利用的是比較成熟的行星排、CVT、離合器等機構來實現此功能。在制動的時候，可根據既定的策略，合理調配發動機的工作狀態，實現最佳的經濟性和動力性，以豐田HSD系統和比亞迪DM系統為例，其結構原理如圖1、圖2所示。

1.2 發動機和車速聯動模式

技術的選擇多樣性，使得很多的新能源車輛采用了更為簡單的并聯式系統，這樣既可以一定程度上提高系統效率，又可以兼顧成本和效率。按照采用的發動機新技術的區別，又可細分為兩類。

1.2.1 發動機傳統控制模式

此模式中，發動機并未進行革命性的升級換代，僅僅是借用原有的技術，增加一套并聯驅動/制動系統，可兼顧發動機起停、回饋發電等多種功能選擇。圖3為典型ISG系統原理。

1.2.2 發動機節能控制模式

還存在另一種具代表性的做法，就是將先進的發動機技術，諸如，低摩擦技術、怠速閉缸等技術，結合最新的電驅動單元，綜合為一體化的驅動集成。本田為此方面的代表性車廠，IMA系統原理見圖4。

表1是當前各大廠商推出的混合動力車及動力耦合方式及特點匯總。

表1 各大公司的車型耦合方式及特點

當前汽車技術的不斷革新，新方案層出不窮，但均不超出上述分類的范疇，下面對上述分類進行詳細的分析說明。

2 車輛減速行駛時典型功率特性

圖5是國內通用的轎車標準城郊綜合工況，參照車輛行駛過程中的姿態區別，將車輛的發動機工作模式進行分析，分為停車段、驅動段和減速段，如圖6所示。

本文假定在驅動段全部由發動機驅動，并且各個方案的能效一致，主要探討在減速和停車段，各個方案由于內在差異所引發的不同效果，關注的焦點相應地集中在制動過程可利用的制動能和停車過程可利用的怠速能量。

對上述工況中的減速段和停車段進行可用功率分析，對比各動力耦合模式和傳統燃油車的不同，有如下結論，見表2。

表2 不同動力耦合模式有益功率分析

3 不同耦合方式下的節能分析

為方便量化比較，選型平臺車輛的參數如表3所示。

表3 選型平臺車輛參數

3.1 停機斷油策略的分析

上述分析環境下，對車輛停車段擬采用停機斷油的策略，來實現節能減排的目的，為此，對怠速/停機如何取舍做了量化的分析。

假定怠速油耗為gd，怠速時長td，起動機功率Pm，起動機工作時長tm，發動機起動油耗gs，起動耗時ts，通過比較怠速段和起動耗能多少來進行策略取舍，見表4。

表4 怠速策略判別條件

其中， Pm為3.14 kW， tm為0.5 s， gd為0.14 g/s， gs為2.1 g/s， ts為1 s， td為計算目標參數， 本例中為17s。而實際工況下，車輛停車時長均超過此時長，所以通過計算證明了在工況下采用停機斷油策略的必要性和可行性。

3.2 制動回收效果的分析

發動機選用某款成熟在用的產品，其機械損耗功率見圖7。

依次對3種動力模式下的可利用減速段功率進行計算。圖8中由上至下的回饋功率曲線分別為:完全解耦模式、節能聯動模式和傳統聯動模式。

表5為平臺車輛的制動能量回收效果。

綜合上述分析結果，若假設可回收的能量充分完全利用，則不同方案的最終能效為:①完全解耦模式:百公里5.58L；②節能型聯動模式:百公里5.81L； ③傳統型聯動模式: 百公里6.20L； ④傳統燃油模式:百公里7.36L。

從能效上分析，完全解耦模式具備明顯的優勢，聯動模式的效果要略差些，其中傳統型聯動模式雖然節能效果不是最佳，但由于其成本、體積上的獨特優勢，也存在較強的競爭力。

3.3 電動單元選型分析

對制動能量進行充分回收，要有2個基本的前提:一方面受限于動力單元的輸入輸出特性，同時也依賴于高效的儲能裝備。

3.3.1 動力單元需求特性分析

以帶式起動發電機為例 （BSG），按照樣車平臺的變速特性，將完全解耦模式和傳統聯動模式下的電動單元進行特性反推，如圖9、圖10所示。

相對而言，完全解耦模式對電動單元的特性參數要求較高，最高轉矩輸入和最大功率分別達到80Nm＠2600r/min/26kW＠4000r/min；而傳統聯動模式的電動單元特性要低些，關鍵指標為70Nm＠2600r/min/22kW＠4000r/min。

3.3.2 能量單元需求特性分析

若完全將制定回饋功率吸收，儲能單元一方面要滿足快速充電的功率需求，同時也要滿足持續存儲的總能量需求。表6為各模式下能量和功率回饋特性對比。

表6 各模式下能量和功率回饋特性對比

從當前通用型車用鉛酸電池的功率和能量特點上分析看，在市區循環工況下，鉛酸電池在儲存能量上完全滿足制動回饋能量的要求，無需增加額外的部件。并且回饋的能量在工況循環內，可以滿足車輛低壓負載電流平均值小于80 A的持續需求。

但是在回饋瞬時功率上，現有的鉛酸電池無法滿足如此大功率的需求，需要尋求復合能源系統，首選電容+鉛酸電池復合能源系統。

3.4 各動力耦合方案的成本對比

按照當前整車設計過程中的成本控制要求，根據方案的特點，對待開發的產品，從初次投入成本和使用成本兩個角度進行細化分析。

本例以城市市區循環工況做樣本。在開發階段，主要的一次性投入成本集中在電機、電控和存儲單元 （按功率選型電容）上面；使用階段的效益主要體現在相較傳統燃油車輛節能效果的累積上。表7為各動力耦合方案成本對比。

表7 各動力耦合方案成本比較

從分析可以看出，各個方案增加的成本基本上一年即可實現效益平衡。

4 結論

文中的一系列對比分析，可推斷得出不同耦合方案的優劣之處，從而為方案選型提供理論支撐數據。

1）從技術成熟度看，傳統聯動模式 （ISG）方案最為成熟，其較低的成本、相當的節油效果、較短的收益回報時間都是毋庸置疑的優勢。

2）從節能效果看，完全解耦模式具備明顯的優勢，其技術先進性、能量利用率、節油收益和功能多樣性都明顯占優勢。

3）從系統成本看，以僅滿足城區工況為例，完全解耦模式的成本要顯著高于傳統聯動模式，主要體現在電機、電容方面的成本差異。

4）節能聯動模式具備較平均的比較優勢，成本相對低些，節能效果也比較理想，屬綜合效果較好的方案。

從新能源的蓬勃發展趨勢，可以預見必然會出現多種多樣的耦合方案，但產品最終的競爭優勢還是依賴于核心技術和品質的結合。本文從能量利用、成本等多角度為方案的技術性選擇提供一個維度，期望對技術的成熟、競爭有所幫助。

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