混合動力客車主流動力構(gòu)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(tǒng)構(gòu)型 運行模式 客車

1 引言

人類面對全球變暖和生態(tài)環(huán)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(huán)境，促進汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展，提出了適合自己國家情況的汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展政策和發(fā)展規(guī)劃。

隨著各國環(huán)保措施越來越嚴格，為使汽車產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展，需要打破技術(shù)瓶頸，尋求新的發(fā)展思路。在此背景下，替代傳統(tǒng)發(fā)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(fā)動機和混合動力車輛。受制于基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和車輛續(xù)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(jié)能與新能源汽車產(chǎn)品。

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

（1）發(fā)動機省去了怠速工況；

（2）發(fā)動機一旦運行，就會在運行在最高效的區(qū)域?；旌蟿恿囕v起步動力性良好，可以達到節(jié)能減排的目的。

客車是公共交通領(lǐng)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(chǎn)量不大，因此針對客車混合動力系統(tǒng)與乘用車構(gòu)型的思路不完全一樣?；旌蟿恿蛙嚱?jīng)過十多年的發(fā)展，動力系統(tǒng)構(gòu)型也是呈現(xiàn)多樣性，但每種構(gòu)型都有其自身的優(yōu)點和缺點。

本文總結(jié)了現(xiàn)有客車市場比較主流的串聯(lián)式、并聯(lián)式和混聯(lián)式動力構(gòu)型方案，分析了這3種構(gòu)型的控制原理和優(yōu)、缺點，提出了不同系統(tǒng)構(gòu)型產(chǎn)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(gòu)型分類

混合動力動力系統(tǒng)構(gòu)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(tǒng)能源的混合程度，即驅(qū)動電機輸出功率占整個動力系統(tǒng)功率的比例來進行劃分，具體見表1。

表1 混合動力構(gòu)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(tǒng)的連接方式和結(jié)構(gòu)類型進行劃分[2]，具體如表2。

表2 混合動力構(gòu)型按聯(lián)接方式分類

串聯(lián)式系統(tǒng)：有發(fā)電和驅(qū)動2個電機，其中發(fā)電機不做驅(qū)動使用，僅用來發(fā)電，發(fā)出的電能可存儲在動力電池中或供驅(qū)動電機直接使用。

增程式系統(tǒng)：與串聯(lián)式系統(tǒng)類似，通過將電機集成在發(fā)動機飛輪上，形成發(fā)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(tǒng)，與串聯(lián)式系統(tǒng)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(xù)駛里程。

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

混聯(lián)式混合動力系統(tǒng)：混聯(lián)式綜合了串聯(lián)和并聯(lián)的優(yōu)點，其運行模式也可以分為串聯(lián)模式、并聯(lián)模式和混聯(lián)模式，與并聯(lián)式系統(tǒng)相比，混聯(lián)式系統(tǒng)可以根據(jù)工況靈活的調(diào)整發(fā)動機和電機輸出動力的比例，一方面，保證各自系統(tǒng)運行在高效率區(qū)；另一方面，確保了系統(tǒng)在不同的工況下實現(xiàn)最優(yōu)的動力匹配。但此構(gòu)型連結(jié)方式系統(tǒng)復(fù)雜，對控制要求較高，成本也較高。

3 混合動力客車常見構(gòu)型分析

以下對客車領(lǐng)域混合動力系統(tǒng)常見動力構(gòu)型、每種構(gòu)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(lián)式/增程式

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

發(fā)電機和發(fā)動機通過減振器或傳動帶的方式連接在一起。其中，發(fā)動機僅用于帶動發(fā)電機發(fā)電，不直接驅(qū)動車輛行駛，串聯(lián)式系統(tǒng)特點如表3。

表3 串聯(lián)/增程式混合動力系統(tǒng)分析

3.1.1 工作模式

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

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

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

3.1.2 串聯(lián)式

按系統(tǒng)構(gòu)型分為BSG 和ISG 2 種結(jié)構(gòu)，BSG 結(jié)構(gòu)電機通過傳動帶連接發(fā)動機，ISG 結(jié)構(gòu)電機通過扭振減振器或飛輪連接發(fā)動機[4-5]，2 種構(gòu)型分別如圖1 和圖2所示。

圖1 BSG電機串聯(lián)式系統(tǒng)

圖2 ISG電機串聯(lián)式系統(tǒng)

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

對于ISG 電機串聯(lián)式系統(tǒng)，發(fā)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(tǒng)（圖3）與串聯(lián)式系統(tǒng)類似，本文將其歸類為串聯(lián)式系統(tǒng)的一種。該系統(tǒng)的特點是將發(fā)動機和發(fā)電機集成為一個增程器，發(fā)動機與發(fā)電機實現(xiàn)了集成化，其效率較ISG 串聯(lián)系統(tǒng)的基礎(chǔ)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(zé)增程電機和發(fā)動機的控制，該控制單元根據(jù)整車控制單元的需求統(tǒng)一協(xié)調(diào)發(fā)動機和發(fā)電機的能量分配，能夠最大限度的提升發(fā)動機和發(fā)電機系統(tǒng)的效率。

圖3 增程式系統(tǒng)

3.1.4 串聯(lián)系統(tǒng)分析及適用市場

能耗方面，客車的串聯(lián)式系統(tǒng)在一般中低、速的城市工況相比傳統(tǒng)動力系統(tǒng)有一定的節(jié)油優(yōu)勢，節(jié)油率大約25%左右；但在城鄉(xiāng)和高速工況下，相比傳動動力系統(tǒng)沒有優(yōu)勢，甚至比傳統(tǒng)動力系統(tǒng)更差；另外，由于沒有變速機構(gòu)，不適合爬坡和高速工況。

綜上，系統(tǒng)更加適用于中、低速工況，適用平原城市公交市場。

3.2 并聯(lián)式

并聯(lián)式混合動力客車系統(tǒng)[7]一般由1個發(fā)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(xiàn)驅(qū)動也可以實現(xiàn)能量回收。該種系統(tǒng)電機所在的位置很關(guān)鍵，目前業(yè)內(nèi)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(lián)式系統(tǒng)的特點如表4。

表4 并聯(lián)式混合動力系統(tǒng)分析表

3.2.1 工作模式

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

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

（3）燃油驅(qū)動：該模式下電機不參與驅(qū)動整車，下面兩種情況會進入該模式：

①由于電機在高轉(zhuǎn)速效率較低，當車速高于一定值，為保障車輛的經(jīng)濟性，利用發(fā)動機單獨驅(qū)動車輛行駛。

②當車輛電驅(qū)動系統(tǒng)故障情況下，車輛可以依靠發(fā)動機單獨驅(qū)動車輛正常行駛。

（4）發(fā)電：

①駐車發(fā)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(fā)動機起動，控制系統(tǒng)判斷發(fā)動機起動成功后，一方面控制發(fā)動機目標轉(zhuǎn)速至高效率區(qū)、另一方面控制電機負向轉(zhuǎn)矩實現(xiàn)發(fā)電；

②行車發(fā)電：發(fā)動機驅(qū)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(zhuǎn)矩實現(xiàn)發(fā)電。

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

3.2.2 P2系統(tǒng)分析及適用市場

該種構(gòu)型（圖4）電機置于變速器輸入軸，這樣布置的優(yōu)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(zhuǎn)矩即可滿足車輛驅(qū)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(tǒng)構(gòu)型

相對串聯(lián)式系統(tǒng)，在能耗方面，P2 構(gòu)型在中、低速城市工況與串聯(lián)式系統(tǒng)差不多，節(jié)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(gòu)一方面保證發(fā)動機始終運行在高效率區(qū)，另一方面保證電機轉(zhuǎn)速不至于過高，影響電機效率。因此，在城鄉(xiāng)和高速工況節(jié)油率一般為15%～20%左右。

綜上，相對于串聯(lián)式系統(tǒng)而言，該系統(tǒng)更加適用于高速工況，適用平原地區(qū)城際、長途客運和城市公交市場。

3.2.3 P3系統(tǒng)分析及適用市場

該構(gòu)型（圖5）電機置于變速器輸出軸，這樣布置的優(yōu)勢是在變速器換擋過程中，電機可以正常行驅(qū)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(tǒng)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(zhuǎn)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(tǒng)構(gòu)型

同樣，P3 構(gòu)型在中、低速城市工況能耗方面與串聯(lián)式系統(tǒng)差不多，節(jié)油率一般為25%左右；在高車速情況下，也可通過換擋機構(gòu)保證發(fā)動機始終運行在高效率區(qū)。相對于P2系統(tǒng)，由于電機在變速器后端，其優(yōu)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(zhuǎn)速往往較高、電機弱磁消耗較大，效率低，因此，在城鄉(xiāng)和高速工況節(jié)油率相對較低，一般為10%～15%左右。

綜上，相對P2 系統(tǒng)，該系統(tǒng)更加適合爬坡工況，適用于山區(qū)和平原地區(qū)城市公交市場。

3.3 混聯(lián)式

混聯(lián)式系統(tǒng)一般由發(fā)動機、2個電機、離合器和變速器組成，該種系統(tǒng)兼顧了串聯(lián)和并聯(lián)式的優(yōu)勢，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相對串聯(lián)和并聯(lián)式更復(fù)雜，可以實現(xiàn)串聯(lián)和并聯(lián)兩種工作模式，混聯(lián)式系統(tǒng)的特點如表5。

表5 混聯(lián)式混合動力系統(tǒng)分析

3.3.1 工作模式

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

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

（3）并聯(lián)驅(qū)動：當車速大于一定值后，通過發(fā)電機拖動發(fā)動機起動；起動成功且轉(zhuǎn)速同步后，控制離合器結(jié)合；當離合器結(jié)合后，利用發(fā)動機和驅(qū)動電機共同驅(qū)動整車行駛。該模式下，控制系統(tǒng)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(zhuǎn)矩實現(xiàn)發(fā)電[10]。

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

3.3.2 雙電機直聯(lián)系統(tǒng)分析及適用市場

是混聯(lián)系統(tǒng)的一種，屬于深度混合動力系統(tǒng)，該種系統(tǒng)傳動系統(tǒng)由發(fā)動機、離合器、2 個電機機械直連；同樣，與串聯(lián)系統(tǒng)類似，該系統(tǒng)也是分為BSG 和ISG 2 種連接方式，2 種方式的優(yōu)缺點前文中已說明，不再贅述，其系統(tǒng)構(gòu)型分別如圖6和圖7所示。

圖6 雙電機直聯(lián)BSG系統(tǒng)構(gòu)型

圖7 雙電機直聯(lián)ISG系統(tǒng)構(gòu)型

該系統(tǒng)的優(yōu)勢是沒有變速機構(gòu)，結(jié)構(gòu)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(jié)合，實現(xiàn)純電、串聯(lián)模式向并聯(lián)模式的轉(zhuǎn)換，可以實現(xiàn)串聯(lián)和并聯(lián)2 種模式。發(fā)動機的起/?？赏ㄟ^發(fā)電機帶動實現(xiàn)。由于沒有變速機構(gòu)，該系統(tǒng)有如下不足。

（1）發(fā)動機轉(zhuǎn)速與車速無法解耦，發(fā)動機工作點可調(diào)空間有限（只能通過電機適當調(diào)整），在發(fā)動機驅(qū)動情況下，發(fā)動機工作區(qū)域效率低，經(jīng)濟性差；

（2）最大爬坡度有限，不能適應(yīng)山區(qū)；

（3）不適合高速工況。

能耗方面，由于該系統(tǒng)屬于深度混合動力系統(tǒng)，在中、低速工況下，節(jié)油率方面較串聯(lián)式和并聯(lián)式都高，一般30%左右，但由于沒有變速機構(gòu)，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(tǒng)分析及適用市場

該系統(tǒng)同樣由發(fā)動機、2 個電機和雙行星排等部件組成[11]，相比雙電機直聯(lián)系統(tǒng)省去了離合器機構(gòu)，加入了雙行星排結(jié)構(gòu)作為變速機構(gòu)。發(fā)動機連接前排行星架、發(fā)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(qū)動電機[12]，具體構(gòu)型如圖8 所示。

圖8 混聯(lián)雙行星排系統(tǒng)構(gòu)型

該構(gòu)型優(yōu)勢是發(fā)動機轉(zhuǎn)速與車速解耦，可以通過控制發(fā)電機轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩將發(fā)動機始終控制在高效區(qū)內(nèi)。不足之處是由于沒有離合器機構(gòu)，發(fā)動機起/停機時，振動噪音較大、車輛存在頓戳感，在駕駛習(xí)慣不好的情況下（發(fā)動機驅(qū)動時，頻繁松/踩加速踏板），會存在發(fā)動機頻繁起/停的情況。由于驅(qū)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(zhuǎn)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(tǒng)屬于深度混合動力系統(tǒng)，在中、低速工況下與雙電機直聯(lián)系統(tǒng)類似，節(jié)油率一般30%左右。較雙電機直聯(lián)系統(tǒng)而言，更適合爬坡工況，不適合高速工況，適用于平原或山區(qū)城市公交市場。

3.3.4 帶變速器雙行星排系統(tǒng)分析及適用市場

該系統(tǒng)在混聯(lián)雙行星排系統(tǒng)[14]基礎(chǔ)上，在驅(qū)動電機后面加了一個低擋變速器[15]，具體構(gòu)型如圖9所示。

圖9 混聯(lián)雙行星排變速器系統(tǒng)構(gòu)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(tǒng)電機高速弱磁大、效率低的問題，這樣電機和發(fā)動機的都可以在高效區(qū)運行。其缺點就是系統(tǒng)有2套變速機構(gòu)，控制復(fù)雜，可靠性和成本均會有所降低。

該系統(tǒng)在城市工況下，與前面兩套混聯(lián)式系統(tǒng)類似，節(jié)油率都為30%左右，高速工況下節(jié)油率也可達到15%～20%左右，其適用性較前面幾套系統(tǒng)都要更強，不僅適合山區(qū)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(qū)城市、城際公交市場、長途客運市場。

4 結(jié)論

不同的混合動力系統(tǒng)構(gòu)型，其成本、可靠性、動力性、經(jīng)濟性、工況適應(yīng)性均存在差異，不同構(gòu)型都有各自的優(yōu)勢和不足。本文的研究結(jié)果對不同細分市場的混合動力客車系統(tǒng)選型與設(shè)計有一定指導(dǎo)意義。在產(chǎn)品布局時，可參考本文思路，根據(jù)車輛用途和客戶需求有針對性的進行系統(tǒng)設(shè)計。