輕型越野車P2混合動力構型研究

孫國慶，李良波，施胡濱，劉剛

摘? 要：混合動力技術是當前越野車領域的重要發展方向。論文根據某輕型越野車設計需求，基于對各混合動力構型的分析，提出了適合該輕型越野車的P2路線。針對該型P2混合動力越野車，首先根據車輛功能要求及P2構型特點，定義整車功能;根據整車功能需求，通過理論計算初步選定動力系統參數，然后利用AVL Cruise & Matlab/simulink進行了整車動力性經濟性聯合仿真，最終達成整車動力性經濟性設計指標。論文對越野車混合動力構型開發具有一定的指導作用。

關鍵詞：越野車;混合動力;P2;AVL Cruise

中圖分類號：U462.2? ? ?文獻標識碼：A? ? ?文章編號：1005-2550（2021）04-0070-05

Researched on P2 hybrid configuration of light Off-road Vehicle

SUN Guo-Qing， LI Liang-bo， SHI Hu-bin， LIU Gang

（Dongfeng off-road vehicle Co.， Ltd， Wuhan 430058， China ）

Abstract： The hybrid technology is an important development direction in the field of off-road vehicle at present. According to the design requirements of a light off-road vehicle， based on the analysis of the current hybrid technology route， the paper proposed P2 configuration which is suitable for the light off-road vehicle. To the P2 hybrid light off-road vehicle， firstly， the whole vehicle function is defined according to the vehicle function requirements and P2 configuration characteristics; according to the vehicle function requirements， the powertrain parameters are preliminarily selected through theoretical calculation， and then the vehicle dynamic and economic joint simulation is carried out by using AVL Cruise & Matlab / Simulink， the vehicle power and economy design index is achieved Finally. This paper has a certain guiding role on the development of hybrid vehicle configuration.

1? ? 概述

隨著國家油耗、排放法規的不斷升級及國家能源戰略方向的引導，新能源汽車得到了快速發展。在純電動技術尚未取得重大突破之前，混合動力系統逐漸成為各大汽車公司重點發展的技術方案。越野車工作環境惡劣，工況復雜，對動力性要求高;而主要適用于普通民用車輛的油耗法規則是民用越野車發展的一大技術難題。在傳統發動機技術難以取得突破的情況下，混合動力技術是解決民用越野車油耗問題的一條重要途徑。

某輕型越野車為4×4全時四驅民用車輛，整車設計指標如下：

（1）最高車速Vamax≥140km/h;

（2）最大爬坡度tanαmax≥60%;

（3）0～100 km/h 加速時間t≤18s。

（4）車輛最大設計總質量5.6t。根據對重型商用車四階段油耗限值法規的預測，同時考慮一定的余量，要求滿足C-WTVC循環工況油耗≤11L/100km。

基于對該輕型越野車傳統動力車型的動力性經濟性研究，確定在現有整車邊界條件下無法達成油耗限值要求，整車考慮采用混合動力路線。

2? ? 混合動力構型分析

混合動力汽車有多種分類方式。按動力系統結構形式劃分，可分為串聯式、并聯式、混聯式三類;按照是否外接充電可分為插電式和非插電式;按照混合度劃分，可分為微混、輕混、中混、重混等形式……按可再充電能量存儲系統類型、技術特征、燃料類型、功能結構和車輛用途等，還有其它劃分方式[1]。當前，行業內應用最廣泛的是按動力系統結構形式分類。

2.1? ?串聯式

串聯式混合動力的最主要特點是發動機不直接參與驅動，只驅動發電機發電，電機是唯一驅動源，串聯式構型如圖1所示。串聯式優點如下：1.發動機不直接與機械系統相連，發動機的工作狀態相對獨立，由此可將發動機設定于最佳效率點工作;2.在電量保持模式下主要由發動機驅動，當需求功率較小時發動機關閉，由動力電池提供電能，這樣可避免發動機的工作點波動，保證發動機工作于最佳效率點。但串聯式也有其劣勢：1.發動機沒有直接參與驅動，所以在機械能-電能-機械能的轉換過程中，會有功率損失，在高速行駛時，油耗會偏高;2.由于驅動電機要滿足所有的動力性要求，電機的功率、體積會偏大。

串聯式的應用主要集中在市區工況比較多的乘用車和客車。典型代表車型有：日產E-Power;雪佛蘭VOLT;BMWi3增程版;廣汽傳祺GA5增程版;理想one等。

2.2? ?并聯式

并聯式混合動力根據電機位置的不同，又分為P0、P1、P2、P2.5、P3、P4等構型（P， Parallel，并聯式），如圖2所示，P0～P4用來區分各種有變速箱的并聯混動構型。并聯式混合動力大量成熟產品已經投放市場，歐系企業應用較多，總體上依賴成熟的自動變速箱技術，易于平臺化，但由于軸向空間的問題，前驅車型挑戰大。

P0：電機位于發動機前端輪系上。P0一般只應用于自動啟停系統，以及12-25V微混和48V弱混。

P1：電機位于發動機曲軸上。電機固連在了發動機上，電機不能單獨驅動。在制動能量回收和滑行模式下，也因為必須帶動曲軸空轉而浪費能量并增加噪音和振動。P1沒有純電行駛模式，不適用于強混系統。

P2：電機位于發動機與變速箱之間，位于離合器之后。電機與發動機之間有離合器，因此可以單獨驅動;在制動能量回收時也可以切斷與發動機的連接;同時還能與現有的變速箱很好的集成。因此P2是目前市面混動車型采用最多的模式。

P2.5：電機集成于變速箱內部，功能同P2類似。電機可布置在變速箱側面，軸向尺寸容易控制，但徑向尺寸會增加。電機扭矩不受變速箱輸入軸扭矩限制，但控制較為復雜。P2.5應用不多，主要應用在本田、比亞迪等車型上。

P3：電機位于變速箱輸出端。因為電機必須與車軸相連，因此電機無法用于啟動發動機;且發動機扭矩經變速器放大后，為了保證發動機/電機的扭矩比，電機需要輸出的扭矩就非常大，因此它的尺寸、重量就會增加。P3全球量產只有比亞迪秦2014款，比亞迪現已放棄P3構型。

P4：電機放在后橋上，另外輪邊驅動也叫P4。P4布局最大的特點是，電機與發動機不驅動同一軸，這意味著：1.車輛可以實現四驅;2.電機與發動機實際上是通過地面耦合，在車輛內部不存在任何機械連接。P4大多應用于各種插電混動或者是弱混模式。

2.3? ?混聯式

混聯式混合動力兼有串聯、并聯的特點，主要有功率分流式（PS，Power Split）及雙電機串/并聯式（P/S）。目前，業內主流觀點認為最好的混合動力技術是PS技術，豐田的THS技術、通用汽車的Voltec等采用此種技術模式。但受限于豐田將單行星排、雙電機系統申請了專利;通用汽車將雙行星排、雙電機系統申請了專利;凱迪拉克將三行星排、雙電機電驅動系統申請了專利，其它企業能夠介入PS技術的產品不多。

雙電機串/并聯構型（P/S）動力性一般，經濟性較好（發動機需針對性優化），平順性較好;機械系統簡單，容易集成，相對容易平臺化，可以方便的實現HEV、PHEV間的傳動系統共享。但雙電機系統成本高，效率低，NVH挑戰大，總體處于驗證中。本田的i-MMD系統是其典型代表，國內代表車型有上汽榮威e550;長安CS75 PHEV等。

3? ? P2構型的提出

越野車特別是硬派越野車，由于其行駛地域的特殊性，插電混動對其意義不大，常用油電混動即非插電式實現改善車輛動力性經濟性的目的。由于其前置四驅特性，考慮到車輛軸向布置空間，串/并聯雙電機布置形式難以實現;同時功率分流式又受制于部分企業的技術壟斷，故混聯式混合動力在越野車上應用困難。

串聯式四驅越野車主要形式有橋電機、輪邊驅動、輪轂電機等形式。橋電機對于前置四驅越野車前橋總布置有很大挑戰，目前應用很少;輪邊驅動、輪轂電機技術尚不成熟，輪邊驅動少量應用在客車上;輪轂電機的簧下質量是困擾其發展的技術難題，但因為其整體優越的性能，在軍用越野車上得到重視，但多數處于技術預研階段。

并聯式混合動力構型動力性好，同時兼顧經濟性，并聯式構型在越野車上有很好的應用前景。各混合動力構型動力性經濟性對比如表1所述：

基于以上對各混動構型的分析，綜合考慮成本、現有供應商資源等否決項因素，該輕型越野車混合動力方案優選基于AT的P2構型。

4? ? 整車動力性經濟性仿真

4.1? ?整車功能概述

基于AT的P2混動變速箱開發思路如圖6所示?？紤]到發動機的扭轉振動對底盤的沖擊，發動機飛輪端需加扭轉減振器來衰減振動。

該輕型P2構型越野車功能需求如下：常規行駛時，由發動機提供能量;急加速或車輛有較大扭矩需求時，由發動機、電機共同驅動;低速、怠速行駛時，進入純電模式。由此，可初步計算動力系統參數。

4.2? ?動力系統初步選型

通過理論計算[2-5]，初步選定的發動機、電機、動力電池等主要參數如表2所示：

4.3? ?整車動力性經濟性仿真

用AVL Cruise軟件建立P2混動越野車動力性經濟性仿真模型，用Matlab/simulink模塊設置仿真控制策略，根據《GB/T 19752-2005 混合動力電動汽車動力性能試驗方法》[6]及《GB/T 19754 -2015 重型混合動力電動汽車能量消耗量試驗方法》[7]設置動力性經濟性計算任務?；贏VL Cruise與Matlab/simulink的DLL接口或API接口，開展AVL Cruise & Matlab/simulink聯合仿真。

反復優化控制策略，使發動機和電機工況點盡可能處于高效區。同時根據《GB/T 19754-2015 重型混合動力電動汽車能量消耗量試驗方法》規定，使動力電池的SOC平衡誤差處于規定范圍內，仿真結果如表3所示。由表3可知，動力性經濟性各項指標均達標，仿真結果證實了P2構型選擇的合理性。

5? ? 結束語

論文基于某輕型越野車設計需求，分析了混合動力各構型特點，提出了適合某輕型越野車的P2構型。論文定義了P2混動越野車的功能模式，通過理論計算初步選定了動力系統參數，并基于AVL Cruise & Matlab/simulink軟件開展了動力性經濟性仿真。仿真結果表明，P2構型能滿足該型越野車整車動力性經濟性指標。論文對輕越野車混合動力構型開發具有一定的指導作用。

參考文獻：

[1]QC/T 837-2010 混合動力電動汽車類型.

[2]余志生.汽車理論[M].第五版.北京：機械工業出版社，2009.

[3]彭莫，刁增祥.汽車動力系統計算匹配及評價[M].北京：北京理工大學出版社，2009.

[4]崔勝民.新能源汽車技術解析 [M].北京：化學工業出版社，2017.

[5]孫國慶，孟建軍，葉建偉等.基于Cruise的越野車動力匹配技術研究[J].汽車科技，2018（5）：29-33.

[6]GB/T 19752-2005 混合動力電動汽車動力性能試驗方法.

[7]GB/T 19754-2015 重型混合動力電動汽車能量消耗量試驗方法.

孫國慶

畢業于天津大學，碩士研究生，現就職于東風越野車有限公司，任整車產品定義及性能集成主管工程師，主要研究整車動力性經濟性開發，已發表論文2篇。