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行业动态 张彤:商用车混合动力技术路线分析与实践
钟玉龙 POST:2020-12-21 14:02 复制链接 看图
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2020年12月2日~3日,由中汽咨询主办的2020商用车产业高峰论坛暨中国商用车产业研究会年会在北京成功召开。本次会议以“政策法规引导下的管理思路变化和商用车产品技术升级”为主题,为我国商用车产业高质量与健康发展指明方向,同时为传统商用车企业转型升级提供思路。在3日的全体大会上,无锡明恒混合动力技术有限公司首席技术官张彤发表了题为《商用车混合动力技术路线分析与实践》的精彩演讲。以下为演讲的主要内容。

01

混合动力概述

混合动力技术已经有二十多年历史了。1997年丰田的第一款车Prius上市,这款车在90年代初就开始研发,更新了四代,到第四代也就是前年上市的那款车,实际油耗可以做到2.9升,这是标杆性的混合动力技术。2010年以后,本田推出了现在的iMMD,就是目前市面上雅阁的混合动力技术。今年最新的雅阁混动,配2.0升的发动机,油耗可以到4.0升,基本跟丰田凯美瑞相当。这两个是对标车型,技术做得非常优秀。

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无锡明恒混合动力技术有限公司首席技术官 张彤

美国通用最早的时候开发了双模混合动力系统,这个技术阵容非常庞大,联合了奔驰、宝马等几家一起开发,但是这套系统虽然性能优越,但价格偏高。这一点,日本企业可能跟美国企业观点不同,丰田一开始就将其定位在经济型轿车上。当然,通用后来推出的技术越来越简单,并且新的一套系统也装在一些经济型的车型上。

02

混合动力技术特点

混合动力技术节油一定是在变工况下。如果车辆一直匀速行使,并不一定非常省油,如果在高速公路上,比如重卡在匀速行使,油耗主要取决于发动机和标定匹配,但是在城郊或城市,工况产生变化,有刹车、增速、减速的情况下,混动技术的节油效果会比较好。全世界的重卡上做混动的还比较少,比较集中在轻卡这个领域上做混合动力技术。

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图1? D25国六发动机等功率曲线以及C-WTVC工况

从图1可以看到,以6吨车为例,车辆在这个工况下运行,可以得到功率的需求图。这样的功率如果没有混合动力,则是要由发动机来代替。实际上发动机的功率在大量的区间中是非常小的,低负载区是非常多的。以20kW作为一条界限,上面的一部分高于20kW。假如做非常简单的控制策略,认为发动机在20kW以上,它的效率就应该很不错了,当然真正的控制策略没有这么简单,会非常复杂。我们现在希望在上面这一段,发动机直接参与驱动,下面这一段最好发动机不要工作,或者说可以让纯电动等其他方式工作,就可以得到最下面的一条曲线。可以看到,第1张图和第3张图是一样的,只是标红的地方代表着驱动动力超过20kW。实际上这些工作点我们希望是发动机工作,其他部分我们希望发动机不要参与工作,至少有30%的时间不希望发动机工作,发动机处于停机的状态。这种情况一定比发动机一直怠速省油。

为了实现上述功能,混合动力至少应该具备这样一些特点。一是至少要有两个动力源,要么烧油和电池,要么烧气和电池。二是一定要具备一个储能原件。三是具备发动机的启停功能,这一点很特殊,因为发动机的特点是在800转以下不工作,必须要跨越这一段,要有一个很大的电机随时拉起来工作,当它停机的时候,要具备启停功能。四是发动机的优化空间,要有一个电机,当发动机负载率不够时要靠电机调节发动机的负载率,这可以优化发动机的工作区间。第五是要具备动力能量回收。

技术方案一般是并联、串联和混联。现在这个分类是两种,一种是原来有变速箱加一个电机,在原有变速箱上面做改造,这一类基本上是从P1、P2、P3到P4。P1一般是指把电机装在发动机一端,P2是把变速箱和电机做分离,P3是装在变速箱的尾端,P4是装在后桥上。P4单独使用比较少,一般和前面的配合使用。这种传统变速箱的变化基本上是并联式的混合动力。

串联式的混合动力和混联混合动力就包括专用变速箱,这些变速箱完全打破了DCT、双离合器等传统变速箱模式。混动有专用变速箱,相对比较简单的两个双电机加一些简单的组合,就可以做出混合动力的专用变速箱来,这一类现在是最多的。在专用变速箱方面,欧洲现在也在做转型,开发新的混合动力专用变速箱。比较有代表性的有丰田、本田、通用、克莱斯勒、福特等。

03

商用车混合动力技术

商用车的混合动力技术本身,有些是适合做,有些不太适合做混合动力。当然,有些可以做插电混合动力,可以做长航程的。商用车有这样的使用特点,包括长航程、高频度等。第二是在高速或者城郊使用。第三是商用车对柴油机应用比较多,柴油机具有很高的燃烧效率。第四是柴油机在低速时,可能存在爬坡扭矩受限的情况,所以混合动力对于商用车来讲也是比较好的解决方案。

鉴于以上特点,混合动力是很好的解决方案,主要有几个原因。一是纯电动航程受限时希望有支撑来替代发电,混合动力既可以充电也可以加油,解决长航程问题。二是不可能在高速或者其他场合频繁充电,这一定会影响到商业使用。第三点很重要,即到底是混合动力效率高,还是纯电动效率高的问题。因为纯电动也存在从矿到轮边的效率比问题,目前70%-80%是煤电,煤电发电的效率在40%-50%左右,再经过长途高压运输,再进行充电,充电后本身运行效率一般为60%,动力电池里的电再变成机械功是60%多,整合流程的效率也就是30%左右。

那么如果汽油做混合动力,它的效率有多高?传统内燃机,一般的效率为18%左右。从轮边到顶上边的效率最高是16%-18%,因为受制于汽油机的效率比较低的原因,汽油机常用的效率区在正常使用情况下最高达到33%-34%左右,当然现在也有很好的汽油机,效率也可以到39%-40%,但是没有大批量使用,真正在使用的大部分的汽油机热效率就在33%-34%左右。但柴油机不一样,小型的柴油机都在40%以上,大型的更好一些,这是指最高效率点。所以柴油机本身的效率就已经高了。原来我们认为,汽油机的效率超过40%以后,混合动力的意义就会非常大,它的油耗基本上能到4L左右,现在来看,完全实现了。这个时候,它的转换效率实际上已经超过了纯电动。但是柴油机有天生的好处,效率本身就高,加上混合动力,在城市和城郊运行的时候,效率一定高于纯电动。

四是混合动力有一个很好的特点,就是电机的低速扭矩比较好,对于大型柴油机,在起步瞬间助力作用非常明显。

五是混合动力性价比跟纯电动相比更高。比如电池用得很小,这个电池的量是一般的纯电动甚至插电混动的二十分之一甚至三十分之一,用的电池非常少,成本会比较低。

04

国外车型对标

从国外的情况来看,很多的商用车领域混合动力已经在做开发,甚至已经开始销售。三菱做了P2混合动力系统,最高效率节油23%左右,百公里油耗大概11.8L。日野配了一套专用系统,加上混合动力电机,油耗也是做得不错。丰田的黛娜是混动轻卡,专门开发了AMT,加上一个电机系统。Eaton十年前就在中国卖这套系统,在大巴车这个领域,特别在城市大巴车领域,由于大巴车启停频繁,工况复杂,所以油耗非常好,号称节油率30%多。

05

国内车型对标

精进电动做了串并联的两个电机,这个用得比较多的是大巴,同时他们也想在一些轻卡和中卡上面做努力。这是比较典型的,有点像本田的系统,但是这个系统很有特色,就是中间的离合器没有用摩擦片的方式,用了电磁离合器。

玉柴混合动力系统采用单轴并联式强混合的方案,这种方案的优点是既可以消除整车扭矩波动对传动系统的冲击,还可以实现发动机与电机分离,提高回馈效率和实现纯电动模式工作。

宇通采用串并联系统,各动力源和离合器配合,实现纯电动驱动、发动机直接驱动、串联驱动、并联驱动、制动能量回收和外接充电6种工作模式;根据充电设备,可选择交流充电接口或直流充电接口进行充电;据车辆使用统计,燃料消耗率较同类传统车型降低50%左右。同时,由于采用了LNG发动机,二氧化碳排放量降低50%以上,颗粒物排放几乎为0。

苏州绿控的并联系统具备纯电、常规动力、混合动力三种驱动方式;PHD产品具有电机起步、发动机驱动、电机助力、电机驱动、制动能量回收、停车充电等多种工作模式;PHD 产品采用AMT变速箱,通过换挡电机来实现挡位切换,搭载有五挡、六档AMT变速箱;AMT变速箱取消了换挡同步器结构,采用ISG电机进行调速换挡,减小了总成轴向长度及总成成本。

06

产业链国产化

目前来看,90%以上的产业链都已实现国产化。最重要的三电,包括齿轮,这主要得益于十几年新能源汽车,包括电机、三电技术的发展,并且同时也得益于乘用车技术中混合动力的突破,包括行星排,现在有很多厂家在做,技术进步还是非常明显。这样,整个供应链体系基本上已经完备。

总结一下,对于商用车来说,混合动力对油耗和动力性改善非常明显,第二是商用车混合动力技术可以覆盖到HEV和PHEV,这一点在做产品规划的时候就已经把它覆盖进去了。第三是不管在国内还是在国外,实际混合动力技术的开发或者说它基本上已经成熟,不是说一家在做,这已经形成共识,而且布局了很多年,我们认为产业化突破也就在这一两年。第四是得益于新能源汽车的高速发展,商用车混合动力国产的产业链已经很完善。

(本文根据现场录音整理,未经演讲人审阅,仅供参考)

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