一汽强混合动力系统平台开发详解

FAW强混合动力系统平台开发一汽双电机混合动力系统由一款高效汽油发动机、AMT和两个永磁同步电机组成。该系统为强混合方案，可实现混合动力系统所有功能，在动力性能与原型车基本相当的基础上，可实现节油率40%左右。中国第一汽车集团公司双电机混合动力系统(FAW-TMHtm)由一款高效汽油发动机、AMT和两个永磁同步电机组成。该系统为强混合方案，可以实现混合动力系统的所有功能，在动力性能与原型车基本相当的基础上，可实现节油率40%左右。FAW-TMHtm系统已经成功地装备在红旗、奔腾B70、奔腾B50等车型上，是一套具有良好通用性的动力总成平台。1前言近年来，为了保护地球资源和阻止全球变暖，减少车辆二氧化碳排放和提高燃油经济性成为迫切需要解决的问题，尤其是在拥堵的大都市，车辆造成了巨大的能源消耗和严重的空气污染。在这种环境下，尤其适合于城市工况的混合动力系统能够显著提高车辆燃油经济性和减少尾气排放。一汽双电机混合动力系统(FAW-TMHtm)是由一汽技术中心自主研发的强混合式动力总成平台，该混合动力系统最早于2003年装备小红旗车型，随后2007年装备于奔腾B70车型，2009年装备于奔腾B50Plug-In车型。一汽双电机混合动力系统已经成功地实现了不同车型的平台化移植。本文针对一汽双电机混合动力系统和平台化开发方案进行了详细的介绍与分析。2一汽双电机混合动力系统图1所示为FAW-TMHtm系统架构。该动力总成系统包括一款1.5LD-VVT汽油机、5挡AMT、两个永磁同步电机(BSG电机和PM电机)、一个高性能镍氢动力电池。BSG电机通过皮带与发动机曲轴相连接，PM电机通过链传动与变速器输出轴相连，动力总成布置为前置前驱。该系统具有结构相对简单、控制灵活等优点，即可以实现发动机起动/停机功能，也能实现纯电动行驶及其他混合动力工作模式。HCU与各控制系统ECU间以CAN通讯方式实现混合动力整车控制功能。FAW-TMHTM动力系统构型方案已分别获得中、美两国发明专利。

3HIaII®Lf抿磬于桶i制功乳観胆机n_ip丸氏开壬电斗直0 2 U力務\pgt3HIaII®Lf抿磬于桶i制功乳観胆机n_ip丸氏开壬电斗直0 2 U力務\pgt卑苛方剪迪胚鞍畧糞#事暮码事專黑雲肆晝#S」fm-tm沪察壮配巒评洌皿绘喊@屯妙S屈@朋2^j¥厲圧系狡Ieiana<CAN加弭 橙爾曲号^0[Fl射）G斥和'心—— 侧團蔓主绘勒乜兀衣动-I1E解甲匹.1..豎逋rti应网早皿M.LIJ电肛谿障兀匕昭电总瓷担蕊尿Aft$制初甌胞起乘域■CAh~泾制:S为谨冋~伯了IX：'SJffTFTF^~FMF力电MLflMT别植式自吊童址刖-ENGSTSi^T-客恥压话式担諾捉电圳IPK显取誉-空甘.*.垃-电葡EP7T阡冋不册叶咼民特乐重该系统最显著的特点就是驱动电机和变速器一体化集成设计，该机电耦合变速器（图2）特点为：驱动电机与变速器的输出轴连接，能够在实现纯电动行驶的同时避免换挡过程中的动力中断；电机壳体、冷却系统与变速器壳体一体化设计，结构紧凑，集成化程度采用具有混合动力专用控制策略的AMT技术。FAW-TMHtm系统为全混式混合动力系统，可以实现混合动力系统的所有功能，且能够针对不同工况进行工作模式优化调整，以达到整车系统效率最高。此外，该系统还具备纯电动行驶所需的各种电动附件，如DC/DC、电动空调、电动真空泵、EPS等，因此该系统进行部分修改可以很容易移植到Plug-In系统和纯电动系统中，真正实现动力系统平台化设计。FAW-TMHtm系统动力总成性能参数见表1所列。表］动力更统聲数左动机IA1(CA4CA5)| 直列四缸电控国IV塩动机呼费驚羽阳机灿如必廳盒担矩为•旳何4Wrfmm)ASH'予拦手动自动一体机挾式自动变速器主减速番主诫速此为4卫甜 1BSG电机起动盂电机永磁同步电机强制水冷二背V曹詈®10kW(l910-12(MX)r/mm)p甌电机主驱动电机永磁同步电机强制水冷二蘭¥J;20^0kW{l9】0小切0r/mm)扭矩：］OOrIF)*nm9］0r/iiiin)电池碟氨动力电池，强制凤冷发动机性能发动机采用一汽自主研发1.5L进气可变正时4气缸16气门电喷发动机其输出特性如图3所示。m.册钛舊氨■Jr-__d丈拥諾麒捏舉IBpmMM耗矍m.册钛舊氨■Jr-__d丈拥諾麒捏舉IBpmMM耗矍PM电机性能PM电机(Powermotor)采用永磁同步电机，其峰值功率为30kW,峰值扭矩为150N・m,最高转速为9600r/min,具备四象限工作能力，其主要功能是驱动整车行驶和制动能量回收。由于电机具有扭矩动态响应快、执行精度高的特点,因此电机可以弥补发动机扭矩响应滞后的缺点,提高车辆的动态响应特性,进而提高整车驾驶性能。系统输出特性如图4和图5所示。BSG电机性能BSG电机(BeltStartGeneration)同样采用永磁同步电机，其峰值功率为10kW,峰值扭矩为50N・m,最高转速为12000r/min，其主要功能是发动机起动/停机和发动机工作点调节，必要时BSG电机也可进行电动助力，以保证整车性能。电池性能电池系统采用高性能镍氢动力电池，电池容量为6Ah,标称电压为288V，额定功率为30kW。3整车性能动力性能发动机单独驱动时的扭矩输出特性如图6中细线所示。由于采用小排量发动机，其最大扭矩能力并不能满足整车需求。整车总驱动能力为发动机输出扭矩和PM电机输出扭矩的合成扭矩，图6所示粗线为整车扭矩输出能力，合成扭矩与传统车相当，满足整车需求且低速时好于传统车，即混合动力车辆的起步性能将好于传统车辆。

匕41)0海壊性能—2匕41)0海壊性能—2箱扭矩亠 斗拾扭矩高連住能一于描扭矩J_2\十开度0%三开度2帰■■予开度57%黄生評 1 沪开看吸叱调臨癥根据加速踏板开度的不同，输出扭矩也有所不同，加速踏板开度为100%时整车输出最大扭矩。整车动力性能试验结果见表2所列。表2整车动力性能目标数值实际数值璟高车速仏廿1701710-400kWh加速时间：<13 .12.7Z燃油经济性混合动力系统实现节油主要通过以下途径：发动机起动/停机、发动机工作点优化、制动能量回收、发动机Downsize。图7所示FAW-TMHTM系统通过NEDC工况对各主要功能的节油贡献率进行对比分析，以确定进一步优化方向。17.U7%5-LZJkwjiSiairm17.U7%5-LZJkwjiSiairmfaw-tmhtm系统显著的特点是：具有较好的纯电动驱动能力，在发动机低负荷区域（效率较低区域）能够通过EV行驶避免发动机运行。电机功率足够满足制动能量回收功能，正常行驶中电机制动能力可以覆盖90%以上的制动过程，尽可能地回收制动能量，以达到更好的燃油经济性。AMT相比其他自动变速器具有更高的传动效率，对燃油经济性有一定的贡献，同时也避免如普锐斯THS系统的无功电循环。燃油经济性如表3所列。表P燃油经济性王况状态燃油消耗NEDC热机5.54NE1X；冷机6.(n北京工况矶池翹谄H踏3.2.1发动机工作点优化为使发动机工作在燃油经济性较好的区域，避开低速、小负荷等燃油经济性差的工况，且考虑到电系统效率，把发动机的万有特性曲线划分成3个区域（图8）。发动机经济工作区是发动机的目标工作区域；低负荷区将对发动机工作点进行调整，使其工作在经济区域内或进入纯电动行驶模式；电机助力区中PM电机将提供额外的功率以满足整车要求。发动机的工作区域还将随SOC、电机电池状态、发动机水温等其他条件进行相应调整。制动能量回收优化FAW-TMHTM系统采用并联式制动能量回收系统，即在保留原车液压制动系统的基础上增加PM电机能量回收功能。这种并联式制动能量回收系统结构与控制策略简单，同时在典型城市工况下能够有效地回收制动能量。另一个主要优点是这种结构不对原有制动系统进行更改，系统可靠性更高。车辆制动减速过程（图9）中，随着电机制动回收扭矩的增加，离合器将分离，当发动机转速下降到一定转速后，发动机断油停机。因此，在制动过程中发动机处于停机状态，没有燃油消耗，且消除了发动机反拖扭矩，进而增大了电机制动回收能量。

NEDC工况燃油经济性以NEDC工况为例，介绍工况油耗优化策略及测定过程。如图10所示，起步过程为EV起步，避开发动机低速、低负荷工作，且避免起步过程离合器滑磨的能量损失；当进入发动机经济区时，先由BSG电机起动发动机，之后进入发动机驱动模式，并通过BSG电机调节发动机工作点，使发动机一直保持在经济区内运行；在滑行制动过程中发动机将断油停机，PM电机以一个较小扭矩进行能量回收；当驾驶员有制动意图时，PM电机将以一个较大扭矩进行制动能量回收，且当小于一定车速时PM电机制动扭矩会逐渐减小至0,以保证整车平顺性。n722734时间，一可10熹n722734时间，一可10熹041 37M图10EAW-'FMH-垂统工柞S3删蕊◎峻#⑥©翻占庖⑥＜场席¥1诗机:値；启总竝站机NEDC工况油耗的测试条件为发动机暖机状态（水温＞80°C），采用油耗仪记录燃油消耗，具体数据见表4所列。

表4WF：IX"油乳,试區结果序号里程油耗初始终止S(?§!油耗统计//n]LstKJ%差％110.855菊丨」605fi-4：5,44. ”210.K47AO8.3565B25.613嫌報6]0.65K6(.)24]0.^3759^36058-25.47510,906600.6旳別I总计544133OO&9ra祁k皿上（553P片AT輕泾Q血AD兀型9觀韌朋通过对试验数据的线性回归（图11）得到以下数据：NEDC工况油耗为5.54L/100km。图12为NEDC循环工况FAW-TMHTM系统各总成工作状态。Fzffi聲當弓gFzffi聲當弓gNEDC循环工况油耗测试结果显示FAW-TMHtm系统对改善车辆燃油经济性方面的贡献是非常显著的。图13为国内众多乘用车NEDC循环工况燃油消耗量统计。从图13中可以看出，装备FAW-TMHtm系统的车辆（CA7150N）燃油消耗量明显低于平均水平。二Egg二Egg監施鬟排放性能与传统车辆相比，强混式混合动力系统发动机工作模式发生了巨大变化，虽然EV行驶时发动机尾气排放为零，但发动机频繁起动将会使排放性能严重劣化。FAW-TMHtm系统中特别对发动机起动过程进行了相应的优化。发动机起动为BSG快速起动，并针对此过程进行了特殊标定，如减小喷油量、改善空燃比等。排放性能试验结果见表5所列。表5廉放测试结果IHCCOM<K€<)i测量结果0.0710.735().052142第III阶段限值0.2230.1