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1、东风混合动力MPV开发及其扩展研究*【摘要】基于传统的二驱MPV，通过嫁接混合动力技术，可以使车辆在动力性、经济性、排放性和通过性方面有大幅度的改善。本文论述了混合动力MPV的设计方案，并通过仿真计算预测了设计效果，并提出了扩展研究设想。【关键词】四驱，混合动力，设计Design of DF Four-wheel Driven Hybrid Electric MPV and Variation ResearchXu PingxingDongfeng Motor Corporation , Wuhan, 430056Abstract: Based on the conventional two-
2、wheel MPV, combined with the hybrid technology, the vehicle can gain significant improvement in dynamics, fuel economy, emission and road ability. This paper states the design of a hybrid electric MPV, predicts by simulation the effects of the design, and proposes a consideration on variation resear
3、ch.Key words: four-wheel driven, hybrid electric, design前言随着技术的深化研究和市场环境的逐步成熟，混合动力技术逐步向多种车型渗透，并形成了多种技术路线。东风汽车公司较早介入混合动力汽车研究，并在核心技术和产品开发方面取得了一系列的科技成果。继2003年国内首创示范运营后，混合动力公交客车现已进入批量化生产阶段，混合动力轿车也开始了生产准备，将于近期投入市场。以并联方案混合动力客车和混联方案混合动力轿车为基础，东风形成了混合动力汽车平台技术，并扩展开发了多个混合动力车型，如串联混合动力客车、微混合动力轿车、四驱混合动力军车和混合动力MPV
4、。将混合动力技术嫁接到传统二驱汽车上，使得驱动桥同时具有传统机械驱动功能和电驱动功能，可以不依靠动力分配机构而实现四驱功能，而且在动力性、经济性、排放和通过性方面都有理想的效果，促进了四驱车性能升级，在军事和民用方面都将有重大价值。本文论述了基于传统MPV实现四驱方案的设计思路和总体的技术方案，并计算了主要指标的实现情况。1. 技术基础东风混合动力客车已形成系列化产品，具有3种发动机配置、MT和AMT 2种变速箱配置、2种电机和2种电池配置，形成了变速箱中间轴和输出轴2种机电耦合方案（ZL200420017674.4）。同时，在混合动力轿车方面，开发了具有双电机的混联式机电耦合方案，并设计了电
5、机与变速箱输入轴同轴的耦合装置（ZL200320115453.6），如图1所示。图1 混合动力轿车双电机混联式机电耦合方案通过采用高效的电机和镍氢动力电池，以及开发智能化的整车控制系统和能源管理策略，以上两种方案均取得了显著的燃料经济性和优良的动力性。基于上述两种基本方案，形成了东风混合动力汽车的技术序列，形成了可扩展、可组合的机电耦合拓扑方案（图2）。按照上述方案，当确定基础车型及技术目标后，只需适当变型和调整控制参数，就可以很快速地完成所需车型的开发。目前在研车型已实现了可满足多种混合度要求的机电耦合方案。图2 可扩展的机电耦合方案拓扑图2. 开发四驱混合动力MPV的技术目标随着人们对汽车
6、用途多样化的需求，具有四驱功能的汽车市场迅速扩大。但是，四驱汽车的高油耗和高污染的问题一直难以解决。丰田是最早把混合动力技术应用于四驱汽车的公司之一，目前已有雷克萨斯RX450h、GS450h和LS600hl等几种混合动力产品销售，这些车型都集成并扩展了丰田普锐斯混合动力汽车动力总成技术，节油效果非常理想。为满足市场需要，东风公司决定在已定型的东风二驱MPV基础上开发出具有四驱功能的混合动力汽车，体现良好越野性、动力性、燃油经济性和排放性能。通过增加电驱动系统及机电耦合装置，在整车控制器的协调控制下，可根据负载、工况和路况变化，智能选择二驱或四驱方式，发动机与电机单独驱动或联合驱动，实现以下性
7、能的全面提升：动力性：在保持原车最高车速水平下，起步加速时间比原车显著缩短；燃油经济性：城市工况油耗比传统四驱车降低30%，比传统二驱车降低10%；尾气排放：有害气体排放水平由国3提高到国4水平；越野能力：在低附着路面具有良好的通过性；爬坡能力：最大爬坡度40%以上。3. 基础车情况选定传统二驱MPV为基础车型进行混合动力汽车开发，在功能上参照传统四驱车。两种车型的基本参数如表1。表1 基础车参数传统车 （4WD）传统车 （2WD）外形尺寸（mm）466017902000总质量（kg）24252370整备质量（kg）19001850额定载客(含驾驶员，人)7发动机型号4G64S4M4G94发动
8、机额定功率（kW rpm）935250895500发动机额定扭矩（Nm rpm）1902500168/4500 变速器速比3.968/2.137/1.36/1/0.857/R3.579 主减速器速比前后4.875后4.27274. 对标分析美国通用公司在1998年开始开发GM PRECEPT四驱混合动力轿车概念样车，其前轮由发动机和与其同轴的电机驱动，后轮由另一个电机驱动，具有非常丰富的工作模式。图3 GM PRECEPT四驱混合动力轿车工作模式划分该车设计目标为：乘员5人，整备质量1226kg，0-60miles/h加速时间为12s，燃油经济性为80mpg。为达到这一目标，该车采用了许多新出
9、现的先进技术，包括：铝合金和复合材料车身、空气动力学、镍氢和锂离子聚合物电池，先进的热管理和底盘控制技术。真正实现量产的4驱混合动力汽车为丰田公司研发的LEXUS系列车型，包括RX600h和RX400h车型。RX400h车为一款4轮驱动的SUV混合动力车，混合动力结构与Prius车类似，使用Prius车行星齿轮结构耦合装置进行前轮电动驱动，增加后轮驱动电机。RX400h车前轮驱动电机为123kW；后轮驱动电机为50kW；电机电压为650V,发动机为3.3L的V6汽油机，155kW/288Nm，动力电池为6.5Ah，288V，30个模块（每个模块8个单体）；该车原地起步加速性能达到了配置V8发动
10、机车辆的性能，0100km/h加速时间为7.5s左右，4880km/h加速时间为3.5s左右。无动力中断的原地起步加速过程使加速过程非常平顺，消除了换档挡和加速的冲击和超调现象。经济性达到了紧凑型车辆的油耗指标8L/100km，比同样动力等级的SUV车节油率达到50。排放同时满足美国SULEV标准、欧洲EURO4标准和日本JSULEV标准要求。具有优良的操纵稳定性：路面较滑时，能更迅速地检测出地面滚动阻力和附着系数，整车控制反应更迅速、控制更准确。5. 方案设计5.1. 机电耦合方案为满足预期功能和性能要求，基于已有混联式混合动力轿车双电机单轴驱动系统方案，设计了双电机双轴驱动方案，即BSG+
11、TTR（BSG-Belted Starter & Generator，TTR-Traction Through Road）方案，这也是一种混联方案。如图4所示。图4 四驱混合动力MPV动力系统方案（ZL200720089086.5）系统由发动机、离合器、变速箱、驱动电机、BSG、动力电池及相关控制器和电动附件组成。其中，BSG装在发动机上，发动机通过变速箱驱动后桥。主电机通过另一根传动轴驱动前桥。前桥是独立悬挂式转向驱动桥。中央主减速器固定在车架上，通过两个半轴与车轮连接。主减速器上设有真空阀，用于控制前驱动桥的动力通断，因此，可自动切换两驱和四驱模式。驱动电机和BSG都具有电动、空转和发电三
12、种工作模式。驱动电机电动时可单独或辅助发动机驱动车辆，发电时向电池补电，BSG电动时可快速起动发动机，消除怠速，发电时向电池储存能量。工作模式分解如下：起步：正常状态时，电池SOC较高，电池处于高效区，通常以纯电动方式进行起步。这时由主电机单独驱动车辆，可发挥电机低速扭矩大的优点，使车辆迅速起步。这样发动机保持停机，消除了因怠速而出现高油耗和排放恶化问题，起步时的平顺性也较好。例外情况下，如车辆长时间放置后，电池SOC有可能处于较低状态，这时，将以发动机驱动方式起步。不过，发动机是在BSG的驱动下快速起动，也能获得较高的效率。起步后加速：起步后当车速达到较高时，发动机快速起动，与主电机一起驱动
13、，使车辆快速达到所需要的速度。定速巡航：发动机处于设定车速下的最高效点工作，负荷较高时，主电机参与驱动，负荷较低时，由BSG发电，将多余的能量转化成电能储存在电池中备用。加速超车：发动机沿着最高效率线提升转速，主电机参与驱动，提供额外的驱动力。减速让车：发动机沿着最高效率线降低转速，主电机处于发电状态，将富余的能量储存在电池中。制动：发动机停机断油，节气门全开，BSG和主电机处于发电状态，回收能量。5.2. 主要总成选型1）汽油机发动机额定功率：89kW5500rpm额定扭矩：168Nm4500rpm最低比油耗：240g/kWh变速器速比：3.968/2.137/1.36/1/0.857/R3
14、.579发动机驱动主减速比：4.8752）镍氢动力电池公称容量：6 Ah额定电压：336 V3）永磁同步驱动电机最大功率：22 kW最大扭矩：150Nm基转速：1400rpm电驱动主减速比：4.27274）永磁同步BSG峰值电动扭矩：56 kW 380 rpm峰值发电功率：3 Nm 2500rpm电机/曲轴速比：1.55.3. 总体布置方案为便于零部件的通用化和整车共线装配，以二驱传统车为基础，保留了原有发动机前置后驱的动力总成和传动系统的结构，最大限度地继承了基础车的主要结构。将四驱传统车的驱动前桥移植过来，电机布置在前后桥之间，通过传动轴与前桥主减速器连接。图5 整车动力系统总体布置设计方
15、案图6 驱动电机布置方案设计BSG电机的布置。BSG电机的布置利用传统发电机的空间，利用传统发电机的安装位置,重新设计张紧机构与轮系。图7 BSG轮系布置方案电机控制器与动力电池的布置。将电机控制器与动力电池一起布置在后排座椅下，便于线路的连接。电池通风管道与后部车身连接，热风直接排除外部。在电池和电机控制器上面安装行李箱盖板，以便放置行李。图8 动力电池布置方案这种布置，取消了传统四驱车的分动箱，前后桥驱动的切换可以适时进行，从而可避免因前后驱动之间刚性传动可能造成的功率循环问题。另外，作为变型方案，适当增大电机功率和电池容量，可以很方便地实现Plug-in方案，为城区短途运行采用纯电动模式创造了条件，从而可大幅节省燃料消耗和减少排放。动力电池布置在后排座椅下，不占用行李空间。载荷分布计算表明，整车总质量增加的部分控制在5%以内，比较合理。5.4. 电控系统总体方案电控系统由原车电控系统和混合动力电控系统两部分组成。其中，原车电控系统包括发动机ECU、ABS控制器和车载诊断口，混合动力系统包括整车控制器HCU、配电控制器PDU、电机控制器PCU、电池管理系统BMS和智能
