民用车辆发展情况简介

2023-06-24 理论教育版权反馈

【摘要】：面料肌理是扎染艺术的另一大特色。表1.1插电式混合动力车型动力性与经济性比较图4-14扎染艺术作品1国内混合动力技术的发展起步较晚，直到“十三五”规划将发展新能源汽车定为汽车产业升级的新起点，中国的汽车厂商加快了对混合动力车辆的研发，并取得了一定的研究成果。发动机和两个电机通过行星排的机械耦合可实现无级变速，利用离合器和制动器的结合或断开，可实现车辆不同的工作模式［15］。

机电复合传动作为军民两用技术，在民用领域始终得到广泛关注，也是研究的热点。因而，汽车机电复合传动的技术先进性、成熟度和成本控制等发展得比较均衡。

从20世纪70年代开始，以美国和日本为代表的发达国家开展了对HEV技术的探索和研发。1997年日本的丰田公司成功研发出第一代基于丰田混合动力系统（Toyota Hybrid System，THS）的普锐斯（Prius）车型，并于2000年将其推广到北美和欧洲市场。

第一代THS系统的核心技术是采用单组行星排功率耦合机构连接发动机和两个电机，可实现车辆的电力机械无级变速（Electronically Controlled Continuously Variable Transmission，EVT），如图1.4所示。通过对Prius混合动力技术的不断改进和升级，丰田公司分别在2003年、2009年和2015年相继推出第二代、第三代、第四代THS系统，其中第四代THS系统最大的亮点是搭载1.8 L自然吸气四缸发动机的热效率将达到40%，燃油经济性比第三代提高了10%。截至2017年1月底，丰田公司旗下的混合动力车在全球累计销量已达1 004.9万辆，使搭载THS系统的混合动力车成为目前市场化和商业化最为成功的混合动力车型。

丰田THS系统作为单模混联式HEV，研究学者对其结构设计、参数匹配、能量管理策略、优化控制等方面进行了大量的理论分析和试验研究［4-10］。由于THS系统将发动机的功率按照固定的比例分别传递给车轮和电机，能量转换的损失会降低系统的传动效率，导致车辆在高车速区域的燃油经济性较差。此外，为了使车辆具有足够的动力，THS系统要求电机的功率较大。因此，THS系统多应用在小型乘用车领域，难以满足重型与非道路车辆的需求。

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图1.4　日本丰田普锐斯混合动力汽车

（a）丰田普锐斯结构简图；（b）丰田普锐斯第一代到第四代实物

1999年，日本本田（Honda）公司开发了以发动机为主动力源、电动机为辅助动力（Integrated Motor Assist，IMA）的并联式Insight混合动力系统［11-14］，如图1.5所示。它能够利用电动机在起动时能产生巨大扭矩的特性，在汽车起步、加速等发动机燃料消耗较大的工况下，用电动机辅助驱动来降低发动机的油耗。2009年，本田公司推出第二代Insight混合动力汽车，虽然技术上取得了一定的革新，但车身质量的增加，导致其百公里^[1]油耗（5.3 L）相比上一代增加了20%。

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图1.5　本田Insight混合动力系统结构

（a）日本本田Insight结构简图；（b）日本本田Insight第一代到第二代实物

为了解决丰田THS系统在功率输出上的局限性，2005年美国通用公司、克莱斯勒公司和德国戴姆勒公司、宝马公司组成全球混合动力研发联盟（Global Hybrid Cooperation，GHC），成功研发出多款双模混联式HEV，并申请了数十项全球专利。该系统结构由发动机、两个电机、多排行星齿轮耦合机构以及操纵元件组成，如图1.6所示。

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图1.6　通用双模混联式混合动力系统结构

（a）通用双模混联式结构简图；（b）通用双模混联式变速器实物

该系统的工作原理为：在低速轻载工况下，系统进入输入分流模式（Input-split Mode），车辆可由电动机单独驱动、发动机单独驱动或者两者联合驱动行驶。系统可实现发动机随时起停，一个电机处于发电模式保证电池实时充电，另一个电机处于电动模式用以辅助发动机或者单独驱动车辆行驶；在高速重载工况下，系统进入复合分流模式（Compound-split Mode）。发动机保持持续工作状态，系统采用缸间歇与可变气门正时技术来提高发动机工作效率，两个电机通过转速的调节，实现发动机到车轮之间的无级变速。

双模混联式混合动力系统被广泛应用在皮卡、运动型多用途车辆（Sport Utility Vehicle，SUV）和商务乘用车上，例如雪佛兰Tahoe混动车型、凯迪拉克Escalade混动车型、通用Yukon混动车型和通用1/2吨级皮卡，如图1.7所示。

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图1.7　双模混联式民用混合动力车辆

（a）雪佛兰Tahoe混动车型；（b）凯迪拉克Escalade混动车型；（c）通用Yukon混动车型；（d）通用1/2吨级皮卡

近几年随着混合动力技术的不断完善和革新，国际一线汽车厂商相继推出满足市场不同需求和更加节能环保的插电式HEV车型，包括沃尔沃S60L、奥迪A3 Sportback e-tron、宝马530 Le和宝马X5 xDrive40e、奔驰C350 eL，以上各插电式HEV车型的综合性能如表1.1所示。

表1.1　插电式混合动力车型动力性与经济性比较

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国内混合动力技术的发展起步较晚，直到“十三五”规划将发展新能源汽车定为汽车产业升级的新起点，中国的汽车厂商加快了对混合动力车辆的研发，并取得了一定的研究成果。

中国第一汽车集团公司在2004年自主研发出红旗混合动力轿车，如图1.8（a）所示。该车型采用发动机和电机并搭配传统的机械自动变速器（Automatic Mechanical Transmission，AMT）的混合动力系统，可实现百公里加速时间14 s和百公里油耗4.9 L的综合性能；2008年又研发出采用双电机方案的奔腾B70混合动力轿车，如图1.8（b）所示。该车型利用发动机通过功率耦合机构与调速电机和驱动电机进行耦合，可实现百公里加速时间12 s和百公里油耗6 L的综合性能。

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图1.8　第一汽车集团公司自主研发的混合动力轿车

（a）红旗混合动力轿车；（b）奔腾B70混合动力轿车

上海交通大学提出了一种基于双行星排功率耦合机构的混联式混合动力系统，如图1.9所示。发动机和两个电机通过行星排的机械耦合可实现无级变速，利用离合器和制动器的结合或断开，可实现车辆不同的工作模式［15］。

申沃客车推出了一款SWB6116HEV混联式混合动力客车，配备了康明斯ISBE180 30发动机，集成式起动机和发电机（Integrated Starter and Generator，ISG），单片离合器和AMT变速器，如图1.10所示。通过调节发动机工作点、ISG电机实现快速起停，以及制动回馈，可使整车的燃油经济性提高30%。

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图1.9　上海交通大学混合动力系统结构简图

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图1.10　申沃SWB6116HEV混联式混合动力客车［16］

（a）传动简图；（b）实物

此外，长安汽车公司推出了杰勋和志祥两款混合动力轿车，比传统汽车节油20%，排放满足国IV标准；奇瑞汽车公司开发了A5 BSG和A3两款混合动力轿车；比亚迪汽车公司研发了F3和F6两款混合动力轿车；东风汽车公司推出了EQ6110混合动力客车；上海汽车集团公司研发了荣威550混合动力轿车。

综合分析国内外民用车辆的研究现状可知，以日本丰田汽车公司THS系统和美国通用汽车公司双模混联式为代表的HEV已实现商业化和市场化，是当前国际汽车行业的主流混合动力车型。虽然近些年国内的混合动力系统技术不断取得进步，但由于汽车制造技术和电控技术的限制，以及国际汽车公司设置的专利封锁，国内针对混合动力系统的研究主要集中在串联式和并联式的机构方案上，在具有EVT功能的混联式混合动力系统研究上与国外研究水平相比还存在较大的差距。因此，我国的科研人员只有在混联式混合动力系统关键技术上进行深入研究和集成创新，才能够提高我国混合动力汽车行业的整体水平以及在国际上的竞争能力。

民用车辆发展情况简介

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