混合動力客車主流動力構型方案對比研究

許盛中 孫昊 韋健林 林元則

（浙江吉利新能源商用車集團有限公司，杭州 310000）

主題詞：混合動力 系統構型 運行模式 客車

1 引言

人類面對全球變暖和生態環境惡化的壓力，汽車尾氣排放是重要的因素之一。為此，各國為保護環境，促進汽車產業發展，提出了適合自己國家情況的汽車產業發展政策和發展規劃。

隨著各國環保措施越來越嚴格，為使汽車產業可持續發展，需要打破技術瓶頸，尋求新的發展思路。在此背景下，替代傳統發動機動力的車輛方案也越來越多，主要包括燃料電池、純電動、甲醇發動機和混合動力車輛。受制于基礎設施建設和車輛續駛里程因素的限制，目前混合動力汽車依然是實用性最高的節能與新能源汽車產品。

混合動力系統就是使用了汽油、柴油、氫氣或甲醇的內燃機和電力2種驅動方式的系統。其優勢在于車輛起步用電機實現驅動，發動機可以完全不用工作，處于停機狀態，當車速達到一定值后，發動機再進行接入。這樣的好處是：

（1）發動機省去了怠速工況；

（2）發動機一旦運行，就會在運行在最高效的區域。混合動力車輛起步動力性良好，可以達到節能減排的目的。

客車是公共交通領域的重要組成部分，該細分市場的特點是對安全性要求較高，且產量不大，因此針對客車混合動力系統與乘用車構型的思路不完全一樣。混合動力客車經過十多年的發展，動力系統構型也是呈現多樣性，但每種構型都有其自身的優點和缺點。

本文總結了現有客車市場比較主流的串聯式、并聯式和混聯式動力構型方案，分析了這3種構型的控制原理和優、缺點，提出了不同系統構型產品市場路線，為混合力客車推廣提供了思路。

2 混合動力客車構型分類

混合動力動力系統構型有2 種不同的分類方法，即按連接方式和按混合程度[1]，本文重點按連接方式的分類方法進行詳細闡述。

2.1 按混合程度劃分

該種分類方法按電能與傳統能源的混合程度，即驅動電機輸出功率占整個動力系統功率的比例來進行劃分，具體見表1。

表1 混合動力構型按混合程度分類

2.2 按連接方式劃分

該種方法按動力系統的連接方式和結構類型進行劃分[2]，具體如表2。

表2 混合動力構型按聯接方式分類

串聯式系統：有發電和驅動2個電機，其中發電機不做驅動使用，僅用來發電，發出的電能可存儲在動力電池中或供驅動電機直接使用。

增程式系統：與串聯式系統類似，通過將電機集成在發動機飛輪上，形成發動機和電機總成，這種總成稱為增程器；其中，增程器不直接連接傳動系統，與串聯式系統類似，其主要功能就是在動力電池電量不足時給其充電，從而延長續駛里程。

并聯式系統：發動機為主要動力源，電機作為輔助動力源。該方式以發動機驅動為主，利用驅動電機低速大轉矩的特性，在駕駛員需求動力較大時、或者說需要發動機瞬態大扭矩輸出工況時，用驅動電機輔助驅動的方式來降低燃油消耗。這種方式的結構相對比較簡單，只需要在傳統動力車型上增加驅動電機和動力電池。

混聯式混合動力系統：混聯式綜合了串聯和并聯的優點，其運行模式也可以分為串聯模式、并聯模式和混聯模式，與并聯式系統相比，混聯式系統可以根據工況靈活的調整發動機和電機輸出動力的比例，一方面，保證各自系統運行在高效率區；另一方面，確保了系統在不同的工況下實現最優的動力匹配。但此構型連結方式系統復雜，對控制要求較高，成本也較高。

3 混合動力客車常見構型分析

以下對客車領域混合動力系統常見動力構型、每種構型的特點以及適合其銷售的市場進行分析和討論，本文按連接方式分類的方法進行展開討論。

3.1 串聯式/增程式

串聯式混合動力客車系統一般由一個發動機、2個電機及傳統裝置組成，其中2 個電機中，一個電機用來發電，稱為發電機；另一個電機用來驅動車輛，稱為驅動電機。對于其他車型，也有在驅動電機后端再加入變速器的配置，但在客車領域，由于考慮成本、可靠性和應用場景，一般不考慮在電機后面加入變速器。

發電機和發動機通過減振器或傳動帶的方式連接在一起。其中，發動機僅用于帶動發電機發電，不直接驅動車輛行駛，串聯式系統特點如表3。

表3 串聯/增程式混合動力系統分析

3.1.1 工作模式

（1）驅動：控制系統解析駕駛員加速踏板需求功率，控制驅動電機輸出駕駛員需求功率，驅動車輛行駛。

（2）發電：當檢測到動力電池電能低于一定值，控制系統通過控制發電機拖動發動機起動，判斷發動機起動成功后，一方面控制發動機目標轉速至高效率區，另一方面控制發電機負向轉矩實現發電。

（3）制動：控制系統解析駕駛員制動踏板動力需求，控制驅動電機負向輸出轉矩，從而實現車輛的能量回收。

3.1.2 串聯式

按系統構型分為BSG 和ISG 2 種結構，BSG 結構電機通過傳動帶連接發動機，ISG 結構電機通過扭振減振器或飛輪連接發動機[4-5]，2 種構型分別如圖1 和圖2所示。

圖1 BSG電機串聯式系統

圖2 ISG電機串聯式系統

對于BSG 電機串聯式系統，該種系統的缺點是：一方面，傳動帶會產生打滑情況，影響能量傳遞效率；另外，在拖動發動機過程中容易存在異響，NVH較差。

對于ISG 電機串聯式系統，發動機和電機之間通過扭振減振器或飛輪同軸連接，該種連接方式較BSG方式傳遞效率高[6]。

3.1.3 增程式

增程式系統（圖3）與串聯式系統類似，本文將其歸類為串聯式系統的一種。該系統的特點是將發動機和發電機集成為一個增程器，發動機與發電機實現了集成化，其效率較ISG 串聯系統的基礎上有了進一步的提高。該種方式有一個增程器控制單元，專門負責增程電機和發動機的控制，該控制單元根據整車控制單元的需求統一協調發動機和發電機的能量分配，能夠最大限度的提升發動機和發電機系統的效率。

圖3 增程式系統

3.1.4 串聯系統分析及適用市場

能耗方面，客車的串聯式系統在一般中低、速的城市工況相比傳統動力系統有一定的節油優勢，節油率大約25%左右；但在城鄉和高速工況下，相比傳動動力系統沒有優勢，甚至比傳統動力系統更差；另外，由于沒有變速機構，不適合爬坡和高速工況。

綜上，系統更加適用于中、低速工況，適用平原城市公交市場。

3.2 并聯式

并聯式混合動力客車系統[7]一般由1個發動機、1個電機、1個離合器、1個變速器組成[8]，該電機既可以實現驅動也可以實現能量回收。該種系統電機所在的位置很關鍵，目前業內分類方式是按電機放置的位置進行分類，其中P 的定義就是電機的位置（Posi?tion），P2：電機安裝離合器與變速器之間；P3：電機位于變速器輸出軸[9]；并聯式系統的特點如表4。

表4 并聯式混合動力系統分析表

3.2.1 工作模式

（1）純電驅動：在中、低車速情況下，發動機停機，控制系統解析駕駛員加速踏板動力需求，控制驅動電機輸出駕駛員需求動力，驅動車輛行駛。

（2）并聯驅動：當車速大于一定值后，通過電機起動發動機，利用發動機和電機共同驅動整車行駛，此時當駕駛員需求動力較大時，電機可以驅動對車輛進行助力。

（3）燃油驅動：該模式下電機不參與驅動整車，下面兩種情況會進入該模式：

①由于電機在高轉速效率較低，當車速高于一定值，為保障車輛的經濟性，利用發動機單獨驅動車輛行駛。

②當車輛電驅動系統故障情況下，車輛可以依靠發動機單獨驅動車輛正常行駛。

（4）發電：

①駐車發電：駐車情況下，當檢測到動力電池電量低于一定值，通過控制電機拖動發動機起動，控制系統判斷發動機起動成功后，一方面控制發動機目標轉速至高效率區、另一方面控制電機負向轉矩實現發電；

②行車發電：發動機驅動車輛行駛過程中，當動力電池電量低于一定值且駕駛員需求功率較小時，控制電機負向輸出轉矩實現發電。

（5）制動：此時發動機停止驅動，可選擇控制發動機停機，解析駕駛員制動踏板動力需求，控制驅動電機負向輸出轉矩滿足制動動力需求，從而實現車輛的能量回收。

3.2.2 P2系統分析及適用市場

該種構型（圖4）電機置于變速器輸入軸，這樣布置的優勢是電機可以利用變速器的減速、增扭作用，自身體積可以做的不必那么大，相對較小的轉矩即可滿足車輛驅動需求，降低了電機和整車成本；但這樣布置的不足是在變速器換擋擋過程中必然會存在動力中斷，影響駕駛感受。

圖4 P2系統構型

相對串聯式系統，在能耗方面，P2 構型在中、低速城市工況與串聯式系統差不多，節油率一般為25%左右；由于配置變速器，即使在高車速情況下，也可利用換擋機構一方面保證發動機始終運行在高效率區，另一方面保證電機轉速不至于過高，影響電機效率。因此，在城鄉和高速工況節油率一般為15%～20%左右。

綜上，相對于串聯式系統而言，該系統更加適用于高速工況，適用平原地區城際、長途客運和城市公交市場。

3.2.3 P3系統分析及適用市場

該構型（圖5）電機置于變速器輸出軸，這樣布置的優勢是在變速器換擋過程中，電機可以正常行驅動車輛行駛，沒有動力中斷；不足之處是電機無法利用變速器的減速、增扭作用，系統動力匹配需要考慮最高車速和最大爬坡度的兼顧，需要選用較大轉矩容量的電機，電機的選型會造成整車成本的增加。

圖5 P3系統構型

同樣，P3 構型在中、低速城市工況能耗方面與串聯式系統差不多，節油率一般為25%左右；在高車速情況下，也可通過換擋機構保證發動機始終運行在高效率區。相對于P2系統，由于電機在變速器后端，其優勢是在變速器換擋過程中沒有動力中斷；不足是在高速工況下電機轉速往往較高、電機弱磁消耗較大，效率低，因此，在城鄉和高速工況節油率相對較低，一般為10%～15%左右。

綜上，相對P2 系統，該系統更加適合爬坡工況，適用于山區和平原地區城市公交市場。

3.3 混聯式

混聯式系統一般由發動機、2個電機、離合器和變速器組成，該種系統兼顧了串聯和并聯式的優勢，系統結構相對串聯和并聯式更復雜，可以實現串聯和并聯兩種工作模式，混聯式系統的特點如表5。

表5 混聯式混合動力系統分析

3.3.1 工作模式

（1）純電驅動：在中、低車速情況下，控制系統解析駕駛員加速踏板動力需求，控制驅動電機輸出駕駛員需求的動力，驅動車輛行駛。

（2）串聯模式：在純電驅動行駛模式下，當電池電量低于一定值時，通過發電機可以拖動發動機起動，起動成功后，依靠發電機輸出負轉矩實現給動力電池充電，車輛可以實現邊驅動、邊發電。

（3）并聯驅動：當車速大于一定值后，通過發電機拖動發動機起動；起動成功且轉速同步后，控制離合器結合；當離合器結合后，利用發動機和驅動電機共同驅動整車行駛。該模式下，控制系統會檢測動力電池電量，當電量低于一定值后，控制電機負向輸出轉矩實現發電[10]。

（4）制動：解析駕駛員制動踏板需求動力，控制驅動電機負向輸出轉矩，從而實現車輛的能量回收。

3.3.2 雙電機直聯系統分析及適用市場

是混聯系統的一種，屬于深度混合動力系統，該種系統傳動系統由發動機、離合器、2 個電機機械直連；同樣，與串聯系統類似，該系統也是分為BSG 和ISG 2 種連接方式，2 種方式的優缺點前文中已說明，不再贅述，其系統構型分別如圖6和圖7所示。

圖6 雙電機直聯BSG系統構型

圖7 雙電機直聯ISG系統構型

該系統的優勢是沒有變速機構，結構相對簡單，傳動效率高，控制也相對簡單：通過控制離合器的分離與結合，實現純電、串聯模式向并聯模式的轉換，可以實現串聯和并聯2 種模式。發動機的起/停可通過發電機帶動實現。由于沒有變速機構，該系統有如下不足。

（1）發動機轉速與車速無法解耦，發動機工作點可調空間有限（只能通過電機適當調整），在發動機驅動情況下，發動機工作區域效率低，經濟性差；

（2）最大爬坡度有限，不能適應山區；

（3）不適合高速工況。

能耗方面，由于該系統屬于深度混合動力系統，在中、低速工況下，節油率方面較串聯式和并聯式都高，一般30%左右，但由于沒有變速機構，不適合爬坡和高速工況，適用平原城市公交市場。

3.3.3 雙行星排系統分析及適用市場

該系統同樣由發動機、2 個電機和雙行星排等部件組成[11]，相比雙電機直聯系統省去了離合器機構，加入了雙行星排結構作為變速機構。發動機連接前排行星架、發電機連接前排太陽輪、前排齒圈與后排行星架連接、后排齒圈鎖死、后排太陽輪連接驅動電機[12]，具體構型如圖8 所示。

圖8 混聯雙行星排系統構型

該構型優勢是發動機轉速與車速解耦，可以通過控制發電機轉速和轉矩將發動機始終控制在高效區內。不足之處是由于沒有離合器機構，發動機起/停機時，振動噪音較大、車輛存在頓戳感，在駕駛習慣不好的情況下（發動機驅動時，頻繁松/踩加速踏板），會存在發動機頻繁起/停的情況。由于驅動電機連接在變速器后排輸出軸[13]，高速情況下，無法避免電機轉速過高，電機弱磁消耗依然較大，效率低。

能耗方面，由于該系統屬于深度混合動力系統，在中、低速工況下與雙電機直聯系統類似，節油率一般30%左右。較雙電機直聯系統而言，更適合爬坡工況，不適合高速工況，適用于平原或山區城市公交市場。

3.3.4 帶變速器雙行星排系統分析及適用市場

該系統在混聯雙行星排系統[14]基礎上，在驅動電機后面加了一個低擋變速器[15]，具體構型如圖9所示。

圖9 混聯雙行星排變速器系統構型

變速器的加入可以保障在其高速工況下，避免上述雙行星排系統電機高速弱磁大、效率低的問題，這樣電機和發動機的都可以在高效區運行。其缺點就是系統有2套變速機構，控制復雜，可靠性和成本均會有所降低。

該系統在城市工況下，與前面兩套混聯式系統類似，節油率都為30%左右，高速工況下節油率也可達到15%～20%左右，其適用性較前面幾套系統都要更強，不僅適合山區大爬坡度工況也適用于高速工況。適用各種車型需求：平原城市、山區城市、城際公交市場、長途客運市場。

4 結論

不同的混合動力系統構型，其成本、可靠性、動力性、經濟性、工況適應性均存在差異，不同構型都有各自的優勢和不足。本文的研究結果對不同細分市場的混合動力客車系統選型與設計有一定指導意義。在產品布局時，可參考本文思路，根據車輛用途和客戶需求有針對性的進行系統設計。