首页文章徐向阳教授:混动技术路线对比分析研究

徐向阳教授:混动技术路线对比分析研究

上传于 2022-08-08 17:06:50 类目:综合 来源:第十四届国际汽车变速器及驱动技术研讨会(TMC2022)组委会 阅读量:5578

第十四届国际汽车变速器及驱动技术研讨会(TMC2022)于2022年8月8日在青岛盛大开幕!本届会议为期两天,围绕“双碳”战略目标,在继续深化混动技术研讨的同时,向电驱动系统纵深发展,包括电驱动总成、驱动电机、电力电子及关键零部件,并聚焦高速化、高压化、高集成化、智能化等关键技术,同时特别增设商用车动力系统论坛与车规级SiC功率模块论坛,共有80余场行业领袖、企业高层及专家的演讲,3场热点问题的高层互动论坛,约100家公司展示前沿技术及产品服务,1400多位专业人士参加会议和参观展览,线上直播观看人数超过20万。

以下是北京航空航天大学交通科学工程学院教授徐向阳教授做的“混动技术路线对比分析研究”报告。

徐向阳.png

徐向阳:尊敬的赵院长、各位领导,各位来宾,各位同仁,大家上午好,非常高兴有机会跟大家一起分享一下我们团队这段时间最新的研究成果。

我们国家一两年在汽车领域里面市场上表现最好的就是混动、插电混动车型,它们的增速最高,成为汽车行业的竞争热点,才有了网上关于技术路线的激烈讨论。我的报告从纯粹的技术角度,我们从动力性和经济性两个维度来谈一谈我们研究的成果,供企业在混动技术路线选择的时候,或者消费者在车型选购的时候做参考。

我的报告有三个方面:首先,简单回顾一下混动技术路线的发展。提到混动技术路线,首先我们会想到丰田的THS。丰田的THS经过几代发展,由于简单的行星排这样一个功率分流构型的话,它的动力性受到一定的影响,所以说丰田在雷克萨斯这种高级别的车型上为了解决动力性的问题,实际上它是在THS的基础上加了一个2AT和4AT来解决动力性的问题。

另外一个,本田的iMMD。本田在2013年之前它采用的是P1的并列构型,2014年推出了IMD,成为了串并联构型经典代表。

再一个是日产,我们知道它是串联的混动系统,发动机带发电机发电,然后电机驱动,或者我们可以说它是少有的电驱动的电动汽车。

在欧洲是以德系为主,德系基本的方案就是以ADD-ON为代表的并列混动,做P0、P1、P2,然后基于某一个挡位的AT,或者是某档位的DCT做一个P2的7AT或者9AT等等,比如XF,XF在2011年的时候,在8HF换代的时候,引入了并联混合动力的概念,2018年的时候推出了第三代8HC,这样的话,就形成了典型的P28AT并联的构型。

奔驰基于它的7AT和9AT,就是它的DCT做的P2,奥迪和大众,我们知道它是DCT最早的发明者,他们推出了基于DCT的纵置和横置的P2的混合动力系统。

美国,我们知道通用是最早把AT变速器用在汽车上,早在1939年,他们对行星排玩的非常转。基于对行星排的理解,通用在2016年推出了沃兰达第二代三模功率分流型的DHT。后来为了进一步提升它的动力性,在高级别的车上,比如凯迪拉克,他们推出了三个行星排的四模功率分流后驱的DHT。

我们国内这些年应该说在混动技术路线上快速发展,首先大家强调的就是比亚迪,比亚迪2008年推出它第一代DM技术,采用串并联的DHT,双电机同轴布置的方案。在2013年和2015年,基于6挡的DCT,推出了第二代和第三代的DM技术,实际上是一个P3DCT的并联混动。2020年,推出了现在在市场上非常受欢迎的第四代的混动DMI的构型,又重新回到了它第一代的串并联DHT的技术路线。当然的话,它是一个单挡的方案。

广汽在2014年推出了第一代的GMC开始研发,2017年开始上市,是一个并联的混动的DHT,应该说是我们国内第一个采用双电极平行轴布置的高速油冷电机的混动DHT方案。而且的话,它们的产品还推向了三家合资企业。2020年,广汽最新图出第二代的GMC,矩浪混动,是两档的DHT。

上汽的代表产品是EDU,最早的EDU是两档的DHT,2019年,上汽又推出它的第二代产品,从串并联的技术路线走向了P2.5的技术路线,使得它从第一代的两挡位增加到第二代的发动机有6个前进挡,电机有4个前进挡,采用单电机的技术方案。

长城的汽车,主要是集中在蜂巢传动。2017年长城的7DCT下线,2020年,长城做了9DCT和P2-9DCT、9HDHT。2021年,又在9AT的基础上做了P2的9AT,2020年,混动柠檬并联的2DHT推向市场,推出了双连接平行轴的布置,发动机油两个直驱挡位。我们可以看出长城在短短的三年内,在混动技术路线上采取了多种技术路线的方案。

吉利汽车开始是基于最早期的双模功率分流的DHT,采用的是复合行星排。2017年,吉利做了7DHT,在7DHT的基础上做了P2.5的7DHT,2021年,它推出了雷神三挡的DHT。应该说,这个DCT是我们国内目前从技术参数上来讲是最先进的解决方案。

长安汽车在2013年推出的是分离式P2的方案,2021年推出蓝鲸iDD混动系统,采用三离合器集成式P26DHT的解决方案。另外,长安最近也在做双电机的DHT方案。

简单回顾一下,我们可以总结出,从混动的技术路线来讲,丰田采用的是丰田的功率分流性的THS,本田是IMD串并联。日产是增程。美国以通用为代表,是多模的功率分流。欧系是ADD-ON并联技术为主。中国是各种技术路线百花齐放的格局,大的方面,我觉得我们国内自主的混动技术是集中在DHT上,以串并联、多挡化、双油冷、高速电机作为主要的一个发展方向。

回顾一下全球混动的发展,我们可以总结成四个阶段:第一个阶段,1997年到2008年,丰田独领风骚;第二个阶段是2009年到2016年,双田(本田、丰田)并驾齐驱;第三个阶段是2016年到2020年,混动百花齐放,欧美韩,包括中国,开始加入到混动市场的竞争里面;第四个阶段,我觉得应该是2021年到现在,我们自主混动技术产品实现了突破和引领,自主品牌产品进入市场,无论是从产品上还是从市场上,都已经超越了过去仰慕的本田和丰田,我们进入到引领的时代,形成了全新的竞争格局。

第二个部分是我们讲的重点,是混动技术路线性能对比。我们知道,可以把混动分为并联、串联和混联,混联还可以再进一步分成串并联和功率分流,不同混动的方案都有它的优点,也有它的相对弱点,我们很难说哪一个混动就是特别好,或者就是不好,可能要和你目标产品,和企业的定位,企业的技术传承等很多方面结合起来看这个东西。

首先,我们来看串联混动和串并联混动,它们之间是一个什么样的对比。因为这一点刚好是我们现在网上讨论最多的,到底增程技术是不是落后的。按照我们的分析,我们开发了一个平台,利用这个平台可以对各种类型的混动变速器的动力性和经济性进行评价,我们有一篇论文,这儿有链接,大家可以看一下。

这是我们仿真做的一个基本假设,我们选择了有代表性的三款车型,A级车是诺德1Power,B级车是本田,C级车是理想1。我们设定了相应的目标参数、边界条件,动力的话是以B级车的动力传统系统作为一个基准进行等比例的缩放,用在A级车和C级车上。

我们确定了一些串联和串并联可以变化的在构型设计上的最关键的技术参数,我们设定了一些基本的范围,A级车、B级车、C级车都有,按照这个我们来迭代,利用动态规划、仿真来看每一组参数的动力性和经济性的表现。

另外的话,我们选择的三种代表性的工况,一个是US的FTP75,另外一款是WLTC,第三款是US-Highway,经常代表标准的城市工况、标准工况和高速工况三种典型的工况,基于这个,在我们搭建的动态规划的仿真平台上我们来进行仿真分析,我们采用的是全局最优的能量管理策略,动态规划算法,这样的话来消除由于能量管理策略不同对构型产生的油耗的影响。实际上我们最后是用最优的结果,这个结果对你们的构型是没有关系的,这是一个基本的思路。

时间关系,我不讲具体的过程了,我直接讲结果。大家看这三个图是我们最后分析的结果,A级车、B级车、C级车,SHT是串联,SPT是串并联,它们在三种典型工况下能耗的表现,我们可以得出一个基本的结论:一个是对三种车型三种驾驶工况下进行综合对比,串并联混动的燃油经济性要明显优于串联混动系统。第二个结论,在功率需求较大的高速公路上行驶的时候,串并联混动系统的节油潜力要比增程或者串联更显著。第三个结论,对A级车在城市工况下串并联混动和串联混动系统的燃油消耗差异是最小的,对B级以上的车型,在高速工况下,串并联混动和串联混动相比,它的燃油消耗性差异明显增大。如果我们看看国外的串联混动,都是用在A级或者A0级车上,没有用在中大型的SUV上,因为它的能耗相比确实有比较明显的差距,这是关于串并联的基本分析。

我们后面又做了更多的分析,我们对相同的车型在同工况下混动技术路线做了动力性和经济性的仿真分析。我们选择了一个典型的B级车,就是图表里的这个参数,我们选择了发动机和电机的情况,基于这个,我们进行了一个对比研究。首先的话,对比了串联和串并联各构型之间动力性和经济性的对比,跟我们前面的结论是一样的,大家看这个红点是串联,相同的构型在不同组合参数下动力性和经济性的表现。绿点是串联的表现,我们可以看出来,串并联的动力性和经济性要明显好于串联。

另外,我们国内都在做不同挡位的串并联,我们对比分析,串并联构型在不同挡位下的动力性和它的经济性的对比,我们把发动机有三个挡位,电机有三个挡位,我们来进行仿真对比分析。右下角这个图是我们对比分析的结果,我直接说结论,我们也对比了一些设计的典型产品,比如说我们分析了广汽的一代DHT和二代的DHT,这个产品的参数匹配设计的比较理想,基本上是把既有好的动力,也有好的经济性。我们看总的结论,我们看到综合动力性和燃油经济性,串并联的3DHT比2DHT要好,要比1DHT要好,这是一个重要的结论。

另外的话,我们分析了增加发动机的直驱挡位,对串并来讲,和增加电机直驱挡位,它到底会有什么影响,我们通过对比可以发现得出这样一个基本的结论,增加发动机的挡位和增加驱动电机的挡位,都可以提高整车的燃油经济性。但是的话,增加发动机的驱动挡位对燃油经济性的改善,要比增加驱动电机的挡位数量更有优势。就是说从燃油经济性的角度来讲,我们发动机的挡位数量,串并联的挡位数多是好的,但是并不是说越多越好,增加4个,5个,6个,好不好?它会改善,但是边际效应会降低,会使你的系统复杂度增加,3挡就是一个比较理想方案。

另外的话,我们分析一下动力性,增加发动机的挡位和增加电机的挡位数对动力性的影响,我们得出的结论是什么呢?从改善动力性的角度来讲,增加电机的挡位数量比增加发动机的挡位数量效果会更好。这是我们对不同挡位串并联构型的对比而得出的基本结论。

另外的话,我们分析P2,P2有6挡,有7挡的,8挡的,9挡的,不同挡位的P2会有什么样的结果?我们得出这样一个结论,随着挡位数量的增加,不管你P2的驱动电机是多少,它的扭矩有多少,增加挡位数的话,对燃油经济效果的改善实际上并不明显。从这样一个角度来讲,如果我们做P2构型的话,基于一个6挡的AT或者DCT就OK了,没有必要非要做到7挡或者8挡,去增加成本和复杂度。

我们也对比分析了功率分流的不同方案,它的动力性和经济性的结果。我们通过对比会发现,双模的功率分流它的动力性和经济性都要比奉天单模的功率分流要好,这也是为什么通用在凯迪拉克上要做到三模、多挡位这样一个解决方案的基本原理。当然的话,双模功率分流或者更多模功率分流会适当增加它结构的复杂度。

我们得到一个总的结论,我们把动力性和经济性做一个加权系数来看,多挡位的串并联构型是最优的。其次的话是双模的功率分流,然后是PT的构型,然后是不增设挡位的串并联、单模功率分流,最后是串联构型是最差的。单模的我们曾经崇拜的丰田的THS,在动力性和经济性综合里面的话,如果不考虑串联的话,事实上已经是最落后的了,原来讲有两种混动,一种是丰田的THS,另一种是其他的混动,目前看来,丰田的THS经济性表现已经是最差的。

这是我们得出的基本结论,多挡位串并联最优,其次是双挡位PSH,再次是P2并联,然后是单模串并联、单模、功率分流。

我们也研究了发动机热效率的改善对于整个不同类型的混动节能效果会带来什么德阳效果,我们通过对比会发现,如果我们发动机的热效率每提升5个百分点,几乎对各种类型的混动技术路线来讲,它的能耗都可以降低超过10个百分点。也就是说,发动机的热效率的提高,仍然是改善混动燃油经济性最有效的途径。从这个角度来讲,我们对发动机的技术创新还要持续做下去,只要混动存在,发动机的技术创新就非常必要,因为它是提高燃油经济性最有效的途径。

最后简单讲一下趋势,第一个,双电机串并联构型超越了功率分流,成为自主混动的主要的技术路线,主要原因有几个方面,混动车型的大型化、三电成本的快速下降、高动力性的驾驶需求等。第二个趋势,多挡化会成为双电极并联发展趋势。从最早的单挡到两挡到三挡,它可以更好的动力性、经济性,还有更好的NH的表现,以及更好的驾乘体验。个性的创新是没有止境的,也是未来竞争的关键要素。第三个,以电驱动为主的DHT和P2,会成为DHT未来的发展方向,特别是以比亚迪为例,大的充放电功率、更多的职能能量的回收、电动车驾驶的驾乘感,以及更低的油耗。最后就是智能网联化,能量管理和控制技术在混动系统里面的应用,刚才凌总也提出来了,如何实现个性化的能量管理和个性化的驾驶性能的体现。

最后简单总结,我觉得各种混动技术路线各有优缺点,混动技术路线的选择是企业结合自身的资源优势,混动技术的特点和产品特性、成本等综合考虑而做出的最适合自身企业的结果。混动技术路线的多样化,是国内外共同发展的趋势,没有最好的技术路线和产品,只有最适合企业和车型的技术路线。

第二,我觉得我们从2021年自主混动技术产品实现了突破,混动技术品牌化的发展,使得混动技术竞争格局发生了大的变化,实现了从跟跑到并跑,甚至到领跑的华丽转变。

第三,串并联比并联有更好的经济性和动力性,高级和更高级别的车尤其更明显,多模功率分流可以提高节能的效果,但是增加复杂度,串并联结构简单,电机要求高,增加复杂度,但是综合性能会得到明显的提高。单模的功率分流是一个比较综合的解决方案,串并联3DHT是性能最优的,然后是2DHT是综合性价比最高的。

第四点,对于串并联,发动机挡位数量的增加,比电机挡位数量增加对改善经济性贡献更大,电机挡位数量增加的话,对于改善动力性的贡献更大,对于P2来讲,挡位数量的增加,可以改善经济性,但是挡位数量的增加,对于动力性和经济性的改善是有限的。

第五,无论是何种技术路线,发动机的热效率每增加5个百分点,油耗可以提高10%,可以提高发动机的热效率是提高燃油经济性最有效的途径。另外,电驱为主,纯电续航历程、高集成的DHT和P2会成为P2EV很重要的发展方向。

另外的话,构型创新和智能网联、能够管理和控制技术会成为未来技术竞争的新高地。

这是我简单的报告,谢谢大家。

(本文根据会议速记整理,未经本人审阅)

+ 收藏 目前有0条评论