作者：中汽研（天津）汽車工程研究院有限公司 張先鋒 楊建軍 陳紅濤 聶國樂
中國汽車燃油消耗量目標逐步向國際先進水平靠近，伴隨著雙積分政策的推行，汽車產(chǎn)業(yè)的節(jié)能、增效技術水平面臨新的挑戰(zhàn)?；旌蟿恿Τ１灰暈閺膫鹘y(tǒng)發(fā)動機到純電動動力系統(tǒng)的過渡技術，但這種過渡無疑將是一個長期的過程，必然成為滿足未來節(jié)能環(huán)保法規(guī)的技術選項之
混合動力技術發(fā)展驅(qū)動要素
1.嚴峻的能源與環(huán)境形勢
我國能源結構、原油的對外依存度和排放污染等是汽車行業(yè)發(fā)展的根本前提，也是政府制定政策、企業(yè)選擇技術路線根本依據(jù)，持續(xù)性節(jié)能減排是全行業(yè)內(nèi)應承擔的社會責任。我國能源與環(huán)境形勢呈現(xiàn)三大特征：
1）“多煤少油缺氣”是我國基本國情，能源結構中煤炭占62%、石油占18.3%，天然氣占6.4%、核電和可再生能源只占13.3%。
2）國家“藍天保衛(wèi)戰(zhàn)”要求各地出臺實施大氣污染防治條例及其行動方案，機動車主要污染物排放多年來維持在每年4500萬t的水平（見圖1），行業(yè)能源與環(huán)境形勢十分嚴峻。
3）2010—2018年，中國原油進口依賴度不斷攀升（見圖2），2018年5月進口原油達70.9%，遠超國際安全警戒線（原油進口占比不超過50%）。
圖1 中國機動車污染物排放量
圖2 中國原油進口依賴度
2.法規(guī)政策及技術路線
（1）法規(guī)政策
第Ⅳ階段油耗法規(guī)及《中國制造2025》，要求乘用車（含新能源車型）企業(yè)整體油耗水平在2020年、2025和2030年分別降至5L/100km、4L/100km和3.2L/100km。節(jié)能目標的實現(xiàn)必然要通過多條技術路徑達成，而純電動車型存在電池壽命、續(xù)駛里程、充電設施不完善等問題，無疑是推動了混合動力汽車的發(fā)展。2018年工信部頒布實施《乘用車企業(yè)平均燃油消耗量與新能源汽車積分并行管理辦法》和新能源汽車補貼退出計劃，進一步促進乘用車的節(jié)能減排水平，大力發(fā)展新能源汽車，加快了混合動力汽車的研發(fā)進程。
（2）節(jié)能與技術路線
2017年12月中國汽車工程研究院牽頭，通過分析日本、美國和歐洲等國家和地區(qū)的節(jié)能汽車發(fā)展路徑和國內(nèi)汽車節(jié)能技術發(fā)展狀況，詳細制定了乘用車、商用車、核心零部件和車用燃油技術等方面技術路線圖，描繪了我國汽車產(chǎn)業(yè)技術未來15年的發(fā)展藍圖，其中混合動力技術路線見表1。
表1 混合動力節(jié)能與新能源技術路線
自主品牌混合動力技術路線解析
1.PHEV構型分析
2018年中國PHEV銷售排名前10名中，自主品牌在SUV領域有比亞迪宋DM和唐（新能源）、榮威eRX5和傳祺GS4等7款車型，在轎車領域有比亞迪秦DM、榮威ei6和e950、吉利博瑞GE等5款車型。根據(jù)市場銷量表現(xiàn)，本文重點以比亞迪、吉利、廣汽、上汽、長城、長安和理想汽車的重點產(chǎn)品進行PHEV構型解析。
（1）單電動機并聯(lián)驅(qū)動系統(tǒng) 以吉利P2.5為代表的單機并聯(lián)構型，搭載于吉利領克01新能源車型上，如圖3所示，該構型結構緊湊,解決了P2耦合箱的軸向尺寸問題，因電動機可以利用變速器多擋位驅(qū)動，可以選擇高轉(zhuǎn)速小體積的電動機。P2.5相對于P2構型，因為有變速器離合器控制發(fā)動機到變速器的動力傳遞，在發(fā)動機和電動機的動力耦合時，可以做到更自然順暢，兼顧了動力性和經(jīng)濟性，技術參數(shù)見表2。
表2 吉利領克主要技術參數(shù)
圖3 吉利領克P2.5系統(tǒng)結構
（2）雙電動機串并聯(lián)驅(qū)動系統(tǒng) 雙電動機并聯(lián)驅(qū)動系統(tǒng)以廣汽GMC和上汽EDU為代表。廣汽GMC系統(tǒng)（見圖4）采用1.5L Atkinson發(fā)動機和G-MC機電耦合系統(tǒng)，G-MC系統(tǒng)將發(fā)動機、驅(qū)動電動機、離合器、傳動齒輪以及差速器集成為一體，采用發(fā)動機與發(fā)電機同軸、雙電動機并排布置的結構，單速比傳動。
上汽EDU系統(tǒng)（見圖5）是一套雙電動機、雙離合、雙速比的電驅(qū)動自動變速器。EDU系統(tǒng)主要包括與發(fā)動機直接相連的ISG電動機、離合系統(tǒng)、換擋系統(tǒng)和齒輪傳動系統(tǒng)等。雙電動機并聯(lián)驅(qū)動系統(tǒng)，因兩個電動機的功率選型靈活，傳動效率高，可以用功率較大的電動機來驅(qū)動車輛，該系統(tǒng)最主要的優(yōu)勢是純電驅(qū)動和動能回收的效率比較高，且發(fā)動機在其效率較高的工況可直驅(qū)，避免了機械能和電能的多次轉(zhuǎn)化，提高綜合效率，但劣勢是驅(qū)動電動機的工作區(qū)域不能優(yōu)化，發(fā)動機與電動機模式切換時沖擊較大。應用的車型技術參數(shù)見表3。
圖4 廣汽GMC系統(tǒng)構型
圖5 上汽EDU系統(tǒng)構型
表3 廣汽GMC和上汽EDU主要技術參數(shù)
（3）雙電動機混聯(lián)驅(qū)動系統(tǒng) 以長城Pi4平臺為代表的雙電動機混聯(lián)（見圖6），實現(xiàn)“分軸電子四驅(qū)”功能，具有靈活、多變的特性，可以搭載更多的動力組合。在Pi4平臺上還能轉(zhuǎn)化為P0、轉(zhuǎn)化為P0+PX、轉(zhuǎn)換高壓或低壓為PX+P4等等。Pi4平臺下的首款車型WEY為P0+P4構型，其技術核心是插電混動系統(tǒng)和智能四驅(qū)技術（前后軸的完全解耦），能夠?qū)崿F(xiàn)前驅(qū)、后驅(qū)和混動四驅(qū)三種功能，應用車型長城WEY-P8技術參數(shù)見表4。
圖6 長城WEY-P8系統(tǒng)架構
表4 長城WEY–P8主要技術參數(shù)
（4）多電動機混聯(lián)驅(qū)動系統(tǒng) 以長安CS75 PHEV和比亞迪DM系統(tǒng)為代表的多電動機驅(qū)動，在滿足節(jié)油的同時，突出車輛動力性。長安CS75為插電式混合動力四驅(qū)SUV(見圖7)，搭載1.5T發(fā)動機、3臺電動機（由1.5T汽油機、70kW的電動機（P1）、前軸的GKN第二代單級減速器及后端的70kW電動機（P3）、后軸的舍弗勒兩級減速器和80kW的驅(qū)動電動機（P4）組成），長安CS75技術參數(shù)見表5。
圖7 長安CS75系統(tǒng)架構
比亞迪DM系統(tǒng)（見圖8）具有一定代表性，歷經(jīng)三代發(fā)展，從雙電動機串并聯(lián)構架、基于多速DCT的P3+P4并聯(lián)架構到基于多速DCT的P0+P3+P4混聯(lián)架構，第一代主攻方向燃油經(jīng)濟性，第二代主攻方向變成了動力性，第三代進一步提升經(jīng)濟性和平順性。第三代車型以比亞迪唐為代表，由發(fā)動機BSG電動機及前后驅(qū)動電動機組成，實現(xiàn)P0+P3+P4的四驅(qū)狀態(tài)、P0+P3前驅(qū)狀態(tài)以及P0+P4四驅(qū)狀態(tài)三種組合，同時又通過不同的串并聯(lián)實現(xiàn)多種混動模式，實現(xiàn)了百公里加速5s內(nèi)、電動四驅(qū)、百公里油耗＜2L的性能目標。比亞迪唐技術參數(shù)見表5。
圖8 比亞迪DM系統(tǒng)架構
表5 比亞迪唐和長安CS75主要技術參數(shù)
（5）雙電動機串聯(lián)（增程）驅(qū)動系統(tǒng) 理想one雙電動機串聯(lián)（增程）驅(qū)動系統(tǒng)是在純電平臺上發(fā)展的構型（見圖9），由前后雙電動機+內(nèi)燃機組成的帶有增程器發(fā)電系統(tǒng)組成的純電四驅(qū)驅(qū)動系統(tǒng)，該車的最大輸出功率為240kW，最大轉(zhuǎn)矩則達到了530N·m，百公里加速時間為6.5s，具體見表6。
圖9 理想one動力系統(tǒng)架構
表6 理想One（2019款）主要技術參數(shù)
2.HEV構型分析
全球主要的HEV平臺有豐田THS、本田i-MMD、日產(chǎn)e-Power和通用Voltec。由于受到技術能力限制、國家財政補貼導向等原因，自主品牌推出HEV構型混動產(chǎn)品寥寥無幾，目前僅有科力遠CHS構型?？屏h利用拉維納行星排結構，研制出動力分流產(chǎn)品樣機，規(guī)避了豐田專利，沒有使用專用高效發(fā)動機，在吉利原車型平臺上做出NEDC工況下4.9L百公里油耗的系統(tǒng)。當前受到雙積分和補貼退出政策影響，自主品牌企業(yè)也在加緊規(guī)劃和推出HEV車型，具體計劃見表7。
表7 自主品牌HEV布局
3.48V系統(tǒng)構型分析
48V系統(tǒng)架構基于48V電壓平臺開發(fā)，包括BSG電動機、DC/DC轉(zhuǎn)換器和48V 電池三大部件（見圖10）。
圖10 48V系統(tǒng)結構
2016年長安汽車推出了全球首款48V輕混量產(chǎn)車型—逸動藍動版，隨后，江淮汽車推出了配裝輕混系統(tǒng)的MPV—瑞風M4混合動力版。之后，寶駿、奇瑞、吉利和北汽等眾多自主品牌均將輕混車型提上日程，具體見表8。
表8 48V系統(tǒng)國內(nèi)主機廠布局
2018年，吉利推出的48V系統(tǒng)（見圖11）具有代表性，可以實現(xiàn)以下8個功能：（1）擴展停機 當車速較時，發(fā)動機停止運行，并使用BSG電動機進行停機輔助。（2）舒適起動 快速、安靜、平穩(wěn)的起動。
（3）低速助力 用BSG電動機來提升汽車低速時的性能。
（4）停機滑行 車輛高速滑行時關閉發(fā)動機，脫開傳動鏈。
（5）改變意圖 發(fā)動機不工作時，可以根據(jù)駕駛員的意圖快速重啟發(fā)動機。
（6）全速助力 BSG電動機可以提升車輛高速超車能力。
（7）能量回收 滑行和制動的時候，可以將動能轉(zhuǎn)化為電能儲存在電池中。
（8）高效節(jié)能 該系統(tǒng)節(jié)能率高達15%，綜合油耗為6.35L/100km。
圖11 吉利48V系統(tǒng)構型
自主品牌混合動力問題剖析
一、市場培育不夠，配套服務不完善
國內(nèi)在混合動力汽車方面起步較晚，市場還不太完善，混動汽車的數(shù)量還相對較少，消費者對于混動車型的實用性、安全性很難有直觀的了解?；旌蟿恿ζ囌w購買量較低，充電設施缺乏等相關的配套建設還存在很多問題，需要加快市場培育和設施改善。
二、混動技術方案多，產(chǎn)業(yè)化成果不突出
目前混合動力汽車的發(fā)展已經(jīng)取得部分成果，但企業(yè)對于混合動力汽車的未來發(fā)展方向還沒有達成一致的判斷，技術方向分散，研發(fā)重點不明確。目前為止還沒出現(xiàn)具有代表性和突破核心技術的產(chǎn)品，在部分企業(yè)生產(chǎn)的混合動力汽車中，核心技術及相關部件還需要進口，仍然依靠國外的技術，低水平、低效率的重復建設較多，資源浪費嚴重。
三、PHEV和HEV發(fā)展極不平衡
受到技術能力和政策導向，自主品牌產(chǎn)品集中在PHEV領域，比亞迪、上汽等在中國插電式混合動力車市場具有先發(fā)優(yōu)勢，但未來隨著強大的合資車企參與市場競爭，自主品牌將面臨新的困難。自主品牌企業(yè)需盡快將PHEV技術成果向HEV車型上應用和推廣，不斷縮小同合資企業(yè)在HEV車型的差距。
四、關鍵零部件依然掌握在合資企業(yè)手中
混動車型動力電動機、控制器、電池及其管理系統(tǒng)等關鍵零部件仍將依賴國外進口，還不能形成規(guī)模生產(chǎn)。以48V系統(tǒng)為例，博世、德爾福和大陸等國外供應商憑借先發(fā)優(yōu)勢，具備軟件、硬件解決方案，甚至軟硬件整體解決方案的能力，在市場上起主導作用，而國內(nèi)供應商還不具備提供全套解決方案的能力，但在48V電動機和電池硬件方面，出現(xiàn)了寧德時代、比亞迪和萬向A123等領頭羊企業(yè)。
五、后補貼時代下成本控制
2018年以來，合資品牌已經(jīng)開始對中國市場的布局，例如日產(chǎn)、大眾和豐田推出了多款PHEV，未來自主品牌混動車型不僅要和合資企業(yè)競爭，而且還要和自身燃油車型競爭，將混動車型高的成本控制下來，提升市場競爭力，滿足用戶的性價比，是后補貼時代自主品牌應該重點考慮問題。
混合動力技術發(fā)展趨勢分析
一、混合動力架構分析
當前全球的HEV、PHEV構型呈現(xiàn)百花齊放格局（見圖12）。其中單電動機并聯(lián)、動力分流、雙電動機串/并聯(lián)三大構型是主流技術方向，它們各有優(yōu)缺點。
在FCV政策、雙積分政策和取消新能源補貼政策等情況下，自主品牌將依據(jù)自身技術能力、供應商體系選擇不同的技術路徑滿足政策法規(guī)要求，后續(xù)主要變化預測如下：
48V構型 傳動動力節(jié)能技術受限，48V系統(tǒng)在五階段或?qū)⒅鸩阶兂绍囆蜆伺洹?strong>PHEV構型 受到政策法規(guī)導向，PHEV仍將成為自主品牌混動構型的主力，并將持續(xù)很長一段時間，考慮成本，續(xù)駛里程會減少（或20～30km），依然出現(xiàn)性能兩級分化。HEV構型 考慮到油耗目標和成本控制要求，主流自主車企在布局PHEV同時，會不斷推出HEV車型。EREV構型 純電動汽車充電樁設施受限，為解決里程焦慮，增程式有市場需求，但發(fā)展緩慢，原因受限于小排量兩缸發(fā)動機技術和成本控制因素。二、整車平臺及動力總成
隨著混合動力汽車技術的深度發(fā)展，全新整車平臺都向著多動力兼容、混合動力專用、高度集成等全方面發(fā)展。
整車平臺 全新整車平臺需綜合考慮各種可能動力架構，不斷追求更高的熱效率以降低對環(huán)境的破壞，在動力性與經(jīng)濟環(huán)保的二律背反中，創(chuàng)造更高階的平衡，實現(xiàn)車輛性能、成本的優(yōu)化，更好地滿足客戶的需求。國內(nèi)整車全新的混動平臺以吉利CMA、長城Pi4為代表，吉利CMA架構動力層面采用2.0TD、1.5TD、7DCT/7DCT-H、8AT等動力系統(tǒng)，擁有燃油版本、輕混動版本和插電式混合動力版本。長城Pi4平臺包括3種不同的內(nèi)燃發(fā)動機、3種不同的變速器、2種不同的動力電池、3種不同功率的電動機和2種結構不同的電動機減速器，在架構上能形成逐年迭代核心技術的關鍵產(chǎn)品，時刻迎合市場和產(chǎn)品發(fā)展調(diào)整的架構形態(tài)。混動專用發(fā)動機 長安混動專用發(fā)動機集成了米勒循環(huán)、高壓縮比（13:1）、冷卻EGR技術、缸蓋集成排氣歧管、缸內(nèi)燃油直噴技術GDI、低摩擦技術和熱管理技術等，熱效率達40%。奇瑞混動專用發(fā)動機配置最新的iHEC燃燒系統(tǒng)（高強度滾流進氣系統(tǒng)、20MPa高壓供油系統(tǒng)、90mJ高能點火系統(tǒng)、第三代智能控制系統(tǒng)以及智能高效清潔燃燒技術）、快速升溫的熱管理系統(tǒng)、快速響應的增壓技術、降摩擦（相對2代降低20%）與輕量化技術（相對1代降低50%）等，熱效率達到41%。混動專用變速器 當前，大多數(shù)混合動力總成系統(tǒng)使用基于傳統(tǒng)變速器的混動化擴展方案，即用現(xiàn)有變速器并進行調(diào)整，讓其適用于電動機驅(qū)動。但是，隨著混合動力總成系統(tǒng)的功能、質(zhì)量、成本和布置的要求的變化，混動變速器也從擴展式向?qū)Ｓ檬桨l(fā)展。一般來說，從節(jié)油方面講，混合動力系統(tǒng)變速器的擋位不需要超過6擋，如果配置針對專用混合動力變速器開發(fā)的發(fā)動機，則擋位數(shù)可以減少到3擋左右，在配備的雙電動機系統(tǒng)中甚至沒有換擋單元。傳動比是在某一車速情況下通過轉(zhuǎn)矩平衡控制發(fā)動機和電動機的速度，實現(xiàn)電無級變速（eCVT）功能。以廣汽GMC、上汽EDU系統(tǒng)和科力遠CHS為代表的專用變速器進行了相關研究，未來更多的混動變速器也從擴展式向?qū)Ｓ檬桨l(fā)展。三、混動性能提升相關技術
多動力源轉(zhuǎn)矩管理技術混合動力具有多個架構形式，不同動力系統(tǒng)構型都有控制關鍵點與難點，比如P2構型和動力分流構型的EV-HEV切換、能量管理、動態(tài)轉(zhuǎn)矩分配、制動能量回收，雙電動機串/并聯(lián)構型的能量管理、串/并聯(lián)判斷、制動能量回收以及四驅(qū)構型的軸間轉(zhuǎn)矩分配。（M）HEV和PHEV不同構型控制策略通用化率達70%以上，平臺化開發(fā)可降低開發(fā)周期，節(jié)約研發(fā)資源，提升開發(fā)質(zhì)量，可覆蓋HEV、PHEV不同構型訴求。能量管理及智能控制技術 先進的能量分析和開發(fā)平臺是開發(fā)世界領先的智能能量管理的根本和基礎，只有采用合適各自特點的能量管理和智能控制技術，方能達到汽車整車最優(yōu)設計，提高汽車動力性和經(jīng)濟性，降低排放，國內(nèi)自主企業(yè)長安PHEV應用能量流技術優(yōu)化整車能耗，能耗降低幅度達11.88%。吉利汽車將高精度導航地圖應用于混合動力整車能量管理中，實現(xiàn)城市、高速全工況的最優(yōu)能耗控制，經(jīng)過實測，該技術在特定工況下實現(xiàn)至少7%的節(jié)油率。多熱源全工況熱管理技術 隨著混合動力不斷挖掘節(jié)能空間，在熱管理開發(fā)方面，不僅僅考慮空調(diào)性能、熱平衡控制，還要考慮整理多個熱源（發(fā)動機、變速器、電動機和電池）全工況（高低溫、常溫、用戶和法規(guī)）的能耗最低，中汽研在研究能耗管理時，兼顧熱管理工況，布置170個傳感器采集數(shù)據(jù)，設計19個運行工況進行分析和優(yōu)化工況，實現(xiàn)了全氣候工況下整車最低能耗。多模式性能平衡技術 混動技術開發(fā)的目的是節(jié)能減排，特別是對石化燃料的節(jié)約，自主品牌根據(jù)技術能力選擇不同的性能開發(fā)側(cè)重點進行開發(fā)，廣汽GMC、上汽EDU和科力遠CHS雙電動機并聯(lián)追求經(jīng)濟性，而長安CS75 PHEV和比亞迪DM為代表的多電動機混聯(lián)驅(qū)動追求動力性，而駕駛性則是在平衡動力性和經(jīng)濟性后不斷提升。