縱置P2構(gòu)型混合動力系統(tǒng)技術(shù)研究

胡志林　張昶　李坤遠　付磊

【摘要】P2混合動力系統(tǒng)是傳統(tǒng)縱置車型實現(xiàn)電氣化的一個主流技術(shù)方案，具有低油耗和續(xù)駛里程長的優(yōu)點。本文結(jié)合整車仿真分析和整車工況大數(shù)據(jù)統(tǒng)計，對P2混合動力系統(tǒng)工作特點和不同駕駛工況下的節(jié)油效果進行對比，為P2混合動力系統(tǒng)開發(fā)提供參考。P2混合動力汽車節(jié)油率與用戶實際行駛路況密切相關(guān)，在城市擁堵路況下具有明顯節(jié)油優(yōu)勢，但P2混合動力系統(tǒng)成本較高，在用戶使用成本層面并不占有優(yōu)勢。

關(guān)鍵詞：混合動力汽車；縱置構(gòu)型；P2構(gòu)型

中圖分類號：U464.12+3? ?文獻標志碼：A? DOI： 10.19822/j.cnki.1671-6329.20220301

Research on Technologies of Longitudinal P2 Hybrid Power System

Hu Zhilin， Zhang Chang， Li Kunyuan， Fu Lei

（Global R&D Center， China FAW Corporation Limited， Changchun 130013）

【Abstract】 The P2 hybrid system is a mainstream technical solution to realize eletrifcation for traditional longitudinal vehicles， with the advantages of low fuel consumption and long driving range. This paper combines the vehicle simulation analysis and big data statistics of different vehicle working conditions to compare the working characteristics of the P2 hybrid system and the fuel saving effect under different driving conditions so as to provide some references for the development of P2 hybrid system. The fuel efficiency of P2 hybrid vehicles is closely related to the actual driving conditions of users compared to traditional fuel vehicles， and has obvious fuel saving advantages in urban congested road conditions. However， the P2 hybrid system has a higher cost and does not have an advantage in terms of user usage cost.

Key words： Hybrid power system， Longitudinal configuration， P2 Configuration

0 引言

近年來，伴隨著國家低碳節(jié)能技術(shù)路線的提出，我國傳統(tǒng)汽車產(chǎn)業(yè)面臨著技術(shù)升級和轉(zhuǎn)型的壓力。大力發(fā)展新能源汽車是我國從汽車大國邁向汽車強國的必由之路，也是應(yīng)對氣候變化、推動綠色發(fā)展的戰(zhàn)略舉措。但電動汽車存在冬季續(xù)駛里程短、充電慢和成本高的限制條件，短期內(nèi)還不能完全取代傳統(tǒng)燃油汽車?；旌蟿恿ζ囀墙橛趥鹘y(tǒng)燃油汽車和電動汽車之間的技術(shù)路線，可在傳統(tǒng)燃油汽車的基礎(chǔ)上，不需要經(jīng)過較大的改動，實現(xiàn)整車節(jié)油的目的，同時保留傳統(tǒng)燃油汽車加油便利、續(xù)駛里程長的優(yōu)點[1]。在《節(jié)能與新能源汽車技術(shù)路線圖2.0》中提到，到2035年傳統(tǒng)能源動力乘用車將全部轉(zhuǎn)變?yōu)榛旌蟿恿ζ?，而新能源汽車將成為主流[2]。

本文將從P2構(gòu)型混合動力系統(tǒng)原理方面，闡述其相對于傳統(tǒng)燃油汽車動力系統(tǒng)的優(yōu)勢，結(jié)合整車大數(shù)據(jù)工況，對不同城市駕駛工況下的P2動力系統(tǒng)節(jié)油效果進行仿真分析，綜合對比P2混合動力汽車與傳統(tǒng)燃油汽車用戶實際使用油耗，為P2混合動力系統(tǒng)開發(fā)提供參考。

1 混合動力系統(tǒng)構(gòu)型概述

混合動力系統(tǒng)構(gòu)型基于電機的布置位置差異，可分為P0、P1、P2、P3和P4方案，如圖1所示。

1.1 P0與P1構(gòu)型方案

P0與P1構(gòu)型方案主要應(yīng)用于48 V動力系統(tǒng)，在發(fā)動機前端或后端增加48 V電機，實現(xiàn)發(fā)動機起停控制和制動能量回收的功能。該方案成本較低，對傳統(tǒng)燃油汽車改動較小，綜合性價比較高[3]。P0電機通過傳動帶在發(fā)動機前端與發(fā)動機輸入軸相連，受限于帶傳動的可靠性，P0電機的功率等級一般在10～15 kW。P1電機布置在發(fā)動機的輸出軸端，一般通過齒輪連接，相對于P0電機的功率等級更高，一般可達到15～30 kW。

1.2 P2構(gòu)型方案

P2構(gòu)型方案電機布置于發(fā)動機與變速器之間，且在電機與發(fā)動機之間增加一個分離離合器C0，可實現(xiàn)P2電機與發(fā)動機脫開。相對于P0與P1構(gòu)型，增加了純電驅(qū)動功能，同時在制動或滑行能量回收過程中，脫開發(fā)動機，減少發(fā)動機反拖損失，提升系統(tǒng)能量回收效率。該構(gòu)型方案發(fā)動機與電機同軸布置，動力系統(tǒng)軸向尺寸增加明顯，常應(yīng)用于縱置后驅(qū)車型中[4-6]。

1.3 P3構(gòu)型方案

P3構(gòu)型方案電機集成在變速器的輸出軸上，可減少電機到車輪端的傳遞損失，提升電機純電驅(qū)動、制動能量回收的效率。但由于電機不能與發(fā)動機相連，所以P3電機不具備起動發(fā)動機的功能，一般采用雙電機構(gòu)型，即P0/P1+P3方案。由于采用雙電機系統(tǒng)，P3構(gòu)型方案的成本相對較高，并且驅(qū)動電機集成在變速器輸出軸上，對動力系統(tǒng)集成和變速器控制要求較高[3]。

1.4 P4構(gòu)型方案

P4構(gòu)型一般是在車輛后軸上增加一個電驅(qū)動橋，該方案一般也采用雙電機構(gòu)型，即P0/P1+P4方案。相對于P3構(gòu)型，電機與輪端動力傳遞鏈更短，可進一步提升電機驅(qū)動和能量回收的效率。另外電機后驅(qū)系統(tǒng)可實現(xiàn)整車四驅(qū)功能。但P4電機集成在整車后驅(qū)動橋上，需要增加額外的減速器，導致系統(tǒng)成本較高[6-8]。

2 P2構(gòu)型工作模式分析

P2混合動力系統(tǒng)主要工作模式可實現(xiàn)停車停機、純電驅(qū)動、行車發(fā)電、發(fā)動機直驅(qū)、并聯(lián)助力和制動能量回收，下面針對于各工作模式進行分析。

2.1 停車停機模式

圖2所示為P2混動系統(tǒng)停車停機模式示意。在城市路面行駛過程中停車時可對發(fā)動機進行停機，相對于傳統(tǒng)燃油汽車減少怠速消耗和怠速排放。當駕駛員有起動發(fā)動機需求時，可通過P2電機拖動快速起動發(fā)動機，獲得更好的駕乘體驗。

2.2 純電驅(qū)動模式

由于P2混合動力系統(tǒng)的電機與發(fā)動機之間加裝有分離離合器C0，可實現(xiàn)整車純電驅(qū)動功能。尤其適用于城市低速、小負荷工況，避免發(fā)動機頻繁起動，提升系統(tǒng)驅(qū)動效率，同時改善整車駕乘舒適性。工作模式示意見圖3。

2.3 行車發(fā)電模式

當整車電池電量較低或車速較高，不能采用P2電機進行純電驅(qū)動的情況下，動力系統(tǒng)采用發(fā)動機進行驅(qū)動，如果發(fā)動機需求扭矩較小，可通過P2電機發(fā)電來提升發(fā)動機的工作負荷，改善驅(qū)動系統(tǒng)效率。此時發(fā)動機能量同時用于驅(qū)動車輪和發(fā)電，工作模式示意見圖4。

2.4 發(fā)動機直驅(qū)模式

當動力系統(tǒng)采用發(fā)動機進行驅(qū)動時，如果發(fā)動機需求扭矩相對較高，發(fā)動機效率較高，此時發(fā)動機能量直接用于驅(qū)動車輪，以發(fā)揮系統(tǒng)最優(yōu)的綜合效率。該工作模式與傳統(tǒng)燃油汽車驅(qū)動方式相同，常應(yīng)用于整車中高速巡航或小負荷加速過程，工作模式示意見圖5。

2.5 并聯(lián)助力模式

當駕駛員有較大的動力需求時，如大負荷加速或中高速爬坡工況，常采用并聯(lián)助力模式，此時利用動力電池的電能驅(qū)動P2電機，電機與發(fā)動機同時作為整車動力源驅(qū)動車輪，以獲得強勁的整車動力性響應(yīng)，工作模式示意見圖6。

2.6 制動能量回收模式

當整車處于滑行和制動工況時，P2電機可作為發(fā)電機工作，將車輪端傳遞的制動能量轉(zhuǎn)化為電能儲存在動力電池中，實現(xiàn)能量回收的目的，提升系統(tǒng)能量利用效率，工作模式示意見圖7。

2.7 市場應(yīng)用案例

P2混合動力系統(tǒng)由于對傳統(tǒng)燃油汽車改動較小，節(jié)油效果顯著，較早地被國內(nèi)外汽車企業(yè)作為從燃油車向深度混合動力系統(tǒng)轉(zhuǎn)化的主流技術(shù)方案進行研究。由于該混合動力系統(tǒng)電機與發(fā)動機同軸布置，增加動力系統(tǒng)軸向尺寸，主要應(yīng)用于縱置車型中。從圖8可以看出，目前P2混合動力系統(tǒng)主要應(yīng)用于大軸距豪華品牌車型，寶馬、奔馳、奧迪、保時捷均采用P2混合動系統(tǒng)作為旗下豪華縱置車型混合動力化的主流技術(shù)，突出強勁動力性能，根據(jù)廠家公布的數(shù)據(jù)顯示，整車從0～100 km/h的加速時間分布在4～7 s之間。

3 P2混合動力系統(tǒng)節(jié)油效果分析

3.1 發(fā)動機運行工況對比

針對于GB 18352.6—2016附件CA所述的世界輕型汽車測試循環(huán)（World Light Vehicle Test Cycle，WLTC），通過仿真軟件對P2混合動力汽車與傳統(tǒng)燃油汽車運行工況進行對比分析。

圖9所示為P2混合動力系統(tǒng)車型與傳統(tǒng)燃油汽車發(fā)動機運行工況對比，可以看出P2混合動力系統(tǒng)相對于傳統(tǒng)燃油汽車增加了發(fā)動機運行工況點調(diào)節(jié)的功能。在發(fā)動機低負荷需求下，通過行車發(fā)電提升發(fā)動機運行負荷。在發(fā)動機高負荷需求下，通過并聯(lián)助力降低發(fā)動機運行負荷，改善發(fā)動機運行燃油經(jīng)濟性。

仿真分析結(jié)果表明，P2混合動力系統(tǒng)相對于傳統(tǒng)燃油汽車在法規(guī)工況下節(jié)油約20%，如圖10所示。整車節(jié)油主要通過發(fā)動機工況轉(zhuǎn)移、制動能量回收和怠速停機技術(shù)實現(xiàn)。

3.2 循環(huán)工況油耗對比

根據(jù)大數(shù)據(jù)對全國城市路況進行采集，統(tǒng)計出用戶實際駕駛工況特性參數(shù)，分別設(shè)定城市嚴重擁堵、城市一般擁堵、城市常規(guī)出行和城市高速綜合工況，分析P2混動系統(tǒng)相對于傳統(tǒng)燃油汽車在實際用戶工況的節(jié)油效果。

不同用戶駕駛工況特征參數(shù)如表1所示，分別代表著城市不同路況的典型特征。

針對于不同整車行駛工況，進行仿真分析。傳統(tǒng)燃油汽車城市行駛工況與WLTC法規(guī)工況整車油耗對比如圖11所示。從圖11可以看出，傳統(tǒng)燃油汽車在城市實際路況油耗受道路擁堵程度影響較大，在嚴重擁堵路況下，實際用戶油耗較WLTC法規(guī)油耗高223%，在常規(guī)出行工況，實際路況油耗較WLTC法規(guī)油耗高30%，高速綜合工況兩者基本相當。

圖12為P2混合動力汽車在不同整車運行工況下的油耗對比。從圖12可以看出P2混合動力汽車在城市實際路況油耗受道路路況的影響程度相對于傳統(tǒng)燃油汽車要小。在嚴重擁堵路況下，實際用戶油耗較WLTC法規(guī)油耗高75%。在常規(guī)出行工況，實際路況油耗較WLTC法規(guī)油耗高10%，而高速綜合工況兩者基本相當。

P2混合動力汽車相對于傳統(tǒng)燃油汽車在不同城市實際道路工況下的節(jié)油率如圖13所示。

從圖13可以看出，P2混合動力汽車相對于傳統(tǒng)燃油汽車節(jié)油率與用戶實際行駛路況密切相關(guān)，在高速綜合工況節(jié)油率較小，但在擁堵工況下，節(jié)油比率大幅提升，尤其在嚴重擁堵工況下，P2混合動力汽車相對于傳統(tǒng)燃油汽車可節(jié)油54%，對于日常行駛路況較為擁堵的用戶，選擇P2混合動力汽車出行可實現(xiàn)較為明顯的節(jié)油效果。

4 P2混合動力系統(tǒng)成本分析

4.1 成本增加

由于P2混合動力系統(tǒng)相對于傳統(tǒng)燃油車，增加了P2電機、動力電池、高壓器件和高壓線束，導致成本增加。根據(jù)估算，P2混合動力汽車相對于傳統(tǒng)燃油車整車成本增加10%左右。

4.2 成本回收周期估算

以本文中采用的基礎(chǔ)車型為例，假設(shè)采用P2混合動力系統(tǒng)，整車市場售價增加4萬元，按照用戶常規(guī)出行工況進行核算，P2混合動力汽車相較于傳統(tǒng)燃油車節(jié)油28%，燃油價格按照9.0 元/L計算，可推算出P2混合動力系統(tǒng)的成本回收周期，如圖14所示。

從圖14可以看出，如果用戶日均行駛里程在30 km以下，10年內(nèi)無法實現(xiàn)P2混合動力系統(tǒng)的成本回收；如果用戶日均行駛里程為60 km，對應(yīng)的成本回收周期為77個月?？梢妼τ谝话阌脩魜碚f，P2混合動力系統(tǒng)從用戶使用成本上并不占有優(yōu)勢，但P2混合動力系統(tǒng)帶來的動力性提升、電驅(qū)動體驗以及電動附屬件的加裝等方面的優(yōu)勢是傳統(tǒng)燃油汽車無法比擬的。

5 結(jié)束語

（1）P2混合動力系統(tǒng)作為傳統(tǒng)縱置車型實現(xiàn)電氣化的一個主流技術(shù)手段，結(jié)構(gòu)布置改動較小，相對于傳統(tǒng)燃油汽車增加了純電驅(qū)動、制動能量回收和停車停機等工況，結(jié)合發(fā)動機運行工況點調(diào)節(jié)實現(xiàn)整車法規(guī)工況20%的節(jié)油效果。

（2）目前P2混合動力系統(tǒng)主要應(yīng)用于大軸距豪華品牌車型，國際主流車企均采用P2混合動力系統(tǒng)對旗下豪華縱置車型進行技術(shù)升級，進一步突顯豪華縱置車型高動力性能屬性。

（3）P2混合動力汽車相對于傳統(tǒng)燃油汽車節(jié)油率與用戶實際行駛路況密切相關(guān)，其節(jié)油效果在擁堵路況有較為明顯的體現(xiàn)，在嚴重擁堵工況下，P2混合動力汽車相對于傳統(tǒng)燃油汽車可節(jié)油54%。

（4）P2混合動力系統(tǒng)在用戶使用成本層面并不占有優(yōu)勢，但P2混合動力系統(tǒng)能提升整車的動力性、P2電機快速響應(yīng)性可增強整車駕駛體驗，以及加裝的電動附屬件可進一步提升整車電氣化屬性。

參 考 文 獻

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[5] LEE W， KIM T， JEONG J， et al. Control Analysis of a Real-World P2 Hybrid Electric Vehicle Based on Test Data[J]. Energies， 2020， 13（16）： 4092.

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（責任編輯 明慧）

【作者簡介】

胡志林（1986—），男，中國第一汽車股份有限公司研發(fā)總院，碩士，高級工程師，研究方向為新能源系統(tǒng)性能開發(fā)。E-mail：huzhilin@faw.com.cn