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北汽越野席治夏:越野车混合动力关键技术
2020/12/10 10:34:05

2020年12月3-4日,由盖世汽车主办,上海市嘉定区经济委员会特别支持的“2020中国汽车动力总成电气化国际峰会”在上海汽车城瑞立隆重召开。峰会期间,北汽集团越野有限公司车动力总成部副部长 席治夏先生发表了精彩演讲。

 

北汽越野席治夏:越野车混合动力关键技术

 

北汽集团越野有限公司车动力总成部副部长 席治夏先生

以下为演讲实录:

感谢董博士,感谢盖世汽车的邀请,接到咱们的邀请之前,我当时想到这个题目是我过去5年的一个工作,就是越野车混合动力的关键技术和架构的探讨。

当时拟这个题目的时候,我是根据最近在做的几个项目做了整体的集合,刚才在会场的时候突然间我想到个玩笑,越野车和混合动力有两句话,汽车行业有两种混合动力,一种是日系的混合动力,另外一种是其他的混合动力。其实在我们的越野车圈子里也有一句话,有两种越野车,一种是丰田的越野车,另外一种是其他的越野车。所以大家可想而知过去这几年我再做越野车混合动力这一块工作的时候有多么尴尬,当两种小众或者是细分市场的技术路线放在一起的时候,很难把它条分理晰地从需求和技术边界分解出来,分解之后还要确定它的技术路线,所以也是刚才想到了这样一个很有意思的点。

我整体报告分为5个方面。第一个方面是越野车动力总成整体需求和发展分析。首先离不开行业政策和市场预测,最新发布的《节能与新能源汽车技术路线2.0》台下几位专家都是参与了它的制定,到2025以及2030年我们的节能汽车要达到每百公里5.6升的油耗排放目标,2030年达到4.8升每百公里的油耗排放需求,到2035年要达到每百公里4升,这个相对于欧盟和美国的标准来讲已经慢慢赶上,并且在某些方面已经开始超越,所以这一点对于我们传统车提出了很大的要求。

说到这一点我想补充一下,可能我们在座的专家和同行不太了解越野车的特点,越野车主要有三个特点:一个是纵置的动力总成结构,传统越野车基本上都是这样的。第二个是梯型车架,能够给越野环境提供一个坚强的刚度、扭转的需求。第三个是低速大扭矩的需求,传统的越野车基本上有4L和4H这两档,对于越野工况非铺装路面,在泥泞、沙地等路况下都会相应的给用户对越野的特殊需求得到满足。

在节能汽车和新能源汽车这两个技术路线图的两块来讲,越野车放在什么位置,这是我们这个行业和我们与竞品相互分析来讲我们需要思考的。右面这张图主要想说明HEV就是强混的占比,基本上到2025年中国占比可能到25%,对于我们现在的研究结论来讲,可能对来48V和HEV是面向量产化的主流市场路线。做这个研究的目的就是为了从主流的市场路线推选出越野车下一步电气化的主要依托。

这是我们在2015年和2016年当时做的一个四、五阶段的分析,大家可以看一下,作为我们北汽越野车的主要两个产品B40和B80,它主要只能满足单车的准入值,对于单车的这个目标值来讲还是需要其他诸如纯电动车型去进行平衡。因为越野车整备质量基本集中在2吨到2吨3的水平,它的造型是方方正正的,高速时风阻带来的油耗非常大,整个工况油耗都是偏高的,所以我们在2015年就确立了北汽越野车是全面混动化、特种车电驱化,这是当时确立的一个主方向。沿着这个主方向,我们就要具体去落实它的混动化技术路线和技术方案。

这是我们过去做的一个倾向性的方式研究,大家可以看它里面深绿色的是P2和6DCT的变速模式,还有混动专用变速箱的模式,右边是又提出了混动专用发动机的概念,这样就带来了一个挑战,刚才我听上汽捷能的专家在讲这个问题的时候,在混动化的角度来讲发动机和变速箱之间的关系越来越密切,就导致了一家主机厂和零部件供应商之间的沟通和绑定,基本上有的时候主机厂感觉到自己的一个主导权就慢慢失去了,之前你可以随意调用发动机和变速箱,但是当你混动对于油耗和排放要求越来越高的时候,你基本上要绑定发动机,因为它专用混动的发动机,它是混动专用变速箱,这两点来讲给未来动力总成的选择带来的决策空间和路径是越来越小的。

关于排放法规升级的研究,基本上就到国6a、国6b甚至到国7以后排放要求是越来越加严,动力总成的规划之前一款发动机和变速箱的组合可以做4-5年,到一个国家进行出口和售后维修可以做5-10年,但是这几年国5到国6,国6b到国7动力总成的变化越来越快,也给我们的选择带来了困难度。

我们列举了一些排放相关的特征,比如说常温的冷启动排放一型,还有低温冷启动,给我们越野车的挑战很大,还有OBD的日趋加严。这里我们举个例子,在欧7和国7的对比,大家看到红色的线就是在它的前期如果要想满足排放的话对于欧7和国7基本不可能,所以为什么很多欧7的技术路线就提出来做PHEV或者做大容量的HEV就是在纯电启动的同时,对催化剂系统能够实现加热,对它进行激活,这种情况下排放可以好一点,但即便是这样可能还存在着排放不达标的风险。

第四个动力总成需求是油品的适应性,可能传统汽车很少谈这一点,我们对于发动机的油品需求继续往上走,但是对于越野车来讲要适合全天候、全地域的一个使用者的要求,所以我们现在对于越野车的发动机要求来讲还是要求能够适应往下走,适应到92号油,现在新车型我们还是以92作为主要的开发方向,并且要有一个全面和完备的劣质燃油的应对策略,面向未来的时候发动机的一个降低抗爆震的强化这些是我们需要考虑的。

还有就是驾驶性,越野车市场对于驾驶性的要求是很高的,一方面是低速大扭矩,另一方面是现在对于传统大批量自然吸气的发动机,向涡轮增压这样的一个发动机的转变,以及匹配自动变速箱现在的驾驶要求。目前来讲的话我们受限于排放和标准,后续这个车型我们在增加混合动力的时候,我们在软件的一个开发和它的一个标定过程当中匹配,我们对于驾驶性是提的要求很高的,比如说多模式的特性,扭矩的控制响应以及加上48V系统之后的一个多模式的冲击,以及在变速箱过程当中我们的一个多模式的换档,驾驶风格的学习、离合器的控制这些都是我们在开发过程当中遇到的一些难点和问题。

还有就是这个全地形的需求,这是我们对于竞品车型的对标和我们现在B40、B80的现款以及我们未来正在开发的一些全机型的控制。首先要明确它的总体模式,必要性来讲就是硬派越野的市场对于智能化和便利的需求增加,所以对于全地形控制的模式有一些这种对于越野环境和越野条件不太了解的驾驶员也能够通过有指向性的一个选择,能够满足它的驾驶需求。现在整车电动化程度对于零部件的协同控制已经是可以了,所以我们在硬件技术不改变的情况下,我们对于整车驾驶性和越野性能可以进行进一步的提升。如果下一步我们在上混合动力系统的时候它的全地形的驾驶性我们也做了出来。

小结一下,传统燃油车在现在的一个国5以后国6,甚至到国6b它在法规、双积分、排放和油品需求方面存在一定的短板,在这个市场需求或者性能需求来讲动力性、驾驶性、四驱系统和全地形的需求可以满足,但通过混动系统可以做得更好,因此这是我们第一部分我想说明的,我们可以从传统动力总成持续优化,混动化是未来的整体方向。

第二部分是对混合动力架构做一个分析,这样的架构很多专家或者在混合动力行业里面都非常熟悉了,这些架构是在于我们前期传统车都是一直在分析的,但是如果要把它带入到越野车市场的话,需要结合越野车的需求来进行一一对应,单电机和双电机的系统架构我就不一一介绍了。

在越野车这个领域我们把它分成了经济性、驾驶性、两驱、四驱、越野工况、单车成本、开发费用、车辆平台化改进以及整车重量增加这9个部分,进行了初步的研究,大家可以看到根据研究打分比较高的是P2和P3这两个架构

高压的P2、P3架构我们说完之后,这是我们对于架构选择的一个方面,我们举个例子,有时候作为整车来讲它的电机功率选型,如果从制动能量回收角度来看,比如说P0我们可以看到,15千瓦以后不会增加功率对能量回收更多作用,所以这是我们选型的一个侧重点。48V的P2架构它的功率能达到20-25千瓦,这个时候还能够对能量回收起到一个更大的作用,这是需求分析的一个侧面。

还有就是构型的对标分析,48V和P2的一个整体构型对标,这基本上是我们主要的国内、国际硬派越野的两种架构,一种就是48V的P0,另外一个是高压的P0+P2,我们就是这两种架构。

下面我们就把这个架构整体做一个总结,在过去的4-5年,北汽越野车在这些架构里面基本上都做了一些项目的预研和前期方案,这几种架构我简单介绍一下,P0的结构它的优点就是技术成本和技术的成熟度平衡是做得最好的,目前来讲也是零部件供应商的可获得性比较好的,因此我们基本上现在北汽越野车想做的就是48V的一个全系化的混动普及,那缺点是什么呢?是它的节油率有限,大家都觉得不过瘾,但是从它的成本平衡角度,5千元的BOM成本增加,我们做的混合动力引入第一种方案是相对妥协和平衡的方案。

P1这种架构它的节油效果稍微好一点,但是它与发动机是强耦合,这一块就是我刚才讲的,我们可以把它算成是DHE,但是这种发动机的强耦合对于排放和后期的油耗我们要进行变动的话整体开发成本还会再继续增加,所以这一块P1方案我们没有做过预研。

P2方案也是主流的方案,我们做了预研,目前按照量产开发的前期正在做工作。增程和后面的轮毂电机方案类似,增程之后可以用轮毂、轮边或者是桥电机这三种方案,我们现在在越野特种车上应用是比较多的,因为一个方面增程它可以解放出来传动系统,我们机械的传动,尤其是4×4甚至6×6的越野车,它的传动系统我们可以节省出来相当多空间和重量,因此增程架构这一块我们前期做了预研,现在也在持续往下走。

串并联系统P1、P3或者其他的串并联,我们之前做过预研,但是这个系统很多都要搭载一个DHE的发动机,想把发动机的EGR或者其他的一些成本比较高的零部件把它拿掉,整体达到成本的均衡,这一块我们刚才讲了越野车的几个特点,一个是低速大扭矩,如果把发动机适合低速大扭矩的附件拿下来之后整体来讲对于越野车的用户体验并不好,所以这个串并联系统目前在我们这儿还没有往下做。

轮毂电机方案刚才听一汽的同事说了很多,我们也做了一些尝试和量产,后续再跟大家交流一下。

总结一下这个架构,我们48V P0是作为未来越野车整体的拓展,P2方案是作为强越野的高压方案,现在正在进行量产前期的准备,P2这个方案我想强调一下,它确实涉及到了是PHEV还是HEV的区别,目前我们国家PHEV可以算绿牌,我们现在卖的话还可以再乘一个销量,但问题就是现在市场能否对PHEV的成本和售价接受这是一个问题,我们在做量产前期准备的时候遇到最大的阻力就是市场和销售部门对我们技术部门的反馈,我们从技术角度讲得再好,市场和销售部门不认,价格太高消费者接受不了,是目前我们存在最大的问题。

这是我们48V方案量产化的一个推进,具体的这些技术参数我相信都很熟悉了,这个就是我们越野车的一个典型的纵置架构加梯形车架,这个也是比较常规的布置。这是我们P2方案的整体架构,这个P2方案也是纵置的动力总成,因为在未来越野车市场常规动力还会长期存在,所以要想做到开发和生产的平台化,必须要坚持这样的一个纵置的架构。

第三部分就是想把这个越野特色的混合动力控制策略研究讲一下,刚才也讲过了,就是一个48V、P2架构,还有增程P4电桥的架构,这些在我们的控制策略当中都有相关的一个分解和研究,第一块想聊一下工作模式,这是我们一个P2工作模式的分解例子,基于不同的能量源和驱动源的来源,我们将整车分为6-7种工况,根据不同的工况来讲我们每一种工况当中的驱动电机、发动机、电池以及离合器状态等等会进行一个工况的分解,然后是我们的控制策略响应分解。

第二点想介绍一下我们之前做的这个瞬态控制,在混合动力多种能量源切换过程当中,我们对于量产项目难度最大的是它的一个瞬态工况的切换,右下角我们是将三种工况进行了矩阵是的分解,在这个过程当中通过每一种状态,比如说EF到H2的变化,我们将每一个能量源和驱动源的状态进行分解,然后来判定它发生的必要条件以及控制实现平稳的切换。

第三个例子是我们混合动力的四驱分配控制,混合动力的四驱分配这是必须要实现的,越野车基本上没有两驱,有两驱的话可能使用起来也不会过多使用,四驱的配置我们主要是几种原则这是在跟传统动力车不太一样,动力性最佳原则、效率最优分配原则这两个是传统混合动力都会提到的原则。对于越野车原则来讲我们还做了一个稳定性的分配原则,它要基于轴荷分布来合理分配轴间的驱动力或制动力,充分利用车辆的附着极限,提高车辆稳定性、安全性。

最后一个是我们对竞品车的对标。根据不同的四驱原则也举个例子,比如说我们在增程的P4电桥的架构模式下我们有几种模式,实际上我们的模式可能比这个还要再多一点,比如说ECO模式是能量最优、最佳燃油经济性,这种模式后轴转矩占比范围是0到50%,但不会超过50%;comfort后轴转矩占比还是在50%,但是会根据操纵稳定性进行比例调节;还有4WD模式它是固定在50%;还有Sport模式,以后驱为主,扭矩分配原则是50%-100%,随着需求转矩增加降低,随着车速增加降低,还有具体的弹射模式这些我们都有相应的扭矩分配原则。

这是根据sport模式做的一个pedal map,还有分配比例,我们可以看到根据车速和扭矩的不同分配比例逐渐由前轴向后轴进行一个迁移,优先是后轮驱动,当后驱电机能力不足时,前驱的电机才会进行补偿。

谈完了扭矩控制后面是一个能量控制,这个是基于SOC作为一个主控做的求最优解,这个里面我们可以看到,灰色的是发动机工作的纯电模式,绿色是电机主要用于发电,蓝色是电量维持的模式,然后红色的话是电机助力,只有中间的橘红色是发动机独立工作,这是我们做的模式优化。

在这种模式优化里面我们又进一步分解,在这里面有个电量的维持,我们将下限设置在SOC 14.5%,消费者看到的可能只有5%,电池中可能会预留10%;在CD阶段就是我们使用纯电的阶段,基本上在跑WLTC循环的前几百秒的时候先把这个电池的电多用一会,这样的话我们的排放和油耗都会好很多,那我们在那个阶段主要就是用的这个CD阶段。这个电池已经进入到一个SOC的维持范围之后我们会进入到这样的一个CS阶段,这是我们对于能量管理其中基于SOC的方案。

进一步分解的话大家可以看到,绿色的那个方框是它的一种EV模式,在高SOC阶段的时候主要是用EV,在中低SOC主要用电量保持,就是EV能够使用纯电工况是越来越少的,到低SOC,比如说SOC在15%以下,电池就是一个电量保持的阶段。

第五个控制策略我想介绍一下发动机的脉冲启动,我们在混合动力这样的一个对标的目的是什么呢?我们有对标传统的豪华车,有对标其他家的混合动力车辆,基本上来讲这张图中可以看出来,使用高压的启动比传统车的启动,能够对于驾驶员的驾驶性提到一个非常高的阶段,传统豪华车我们做到2秒,但是我们使用高压电机启动在P2这个阶段在0.4s就可以做到,这样对于驾驶性的响应,发动机的NVH和加速提升的空间都会做得非常好。

第四块是想介绍一下我们的一个关键零部件的研究,我们第一个是作为HCU的整车混动控制器,我们基本上是采用业内的一个成熟方案,电源芯片适应到越野车各种车的需求,做了一个12伏和24伏的双电源芯片的选择,低边、高边和CAN/LIN都是成熟业内的搭配方案,做这个的原因也主要是因为越野车的混合动力它在架构探索当中需要大量的样车和HCU的批量,如果量产的话太贵了,所以我们当时做了一个底层,在样车阶段可以自己来做,量产再转到主流方案上去。

这是量产和主流方案的参数性对比。

这个HCU分为软件和硬件,硬件我们刚才做了一个,软件的话基本上就是我们做了一个软件库,现在来讲我们在这个软件库里面分为很多种模块,比如说我们现在6×6的轮毂电机架构,这种架构的矢量扭矩控制是难度比较大的。还有是我们传统的这种混动四驱,P4和P2的这样一个架构,基于动力性、经济性、稳定性和驱动防滑的扭矩分配。第三就是基于这些P2和P4的架构,往48V软件的迁移。

这些是我们现在有的一些功能软件库,这些软件库我们还在不停的丰富和更新,以及跟很多不同的咨询伙伴在一起把软件完善。

这些零部件是我们在过去3-4年做的关键零部件研究,第一个例子是增程器,发动机采用两极增压,整车重量是不到于190kg,最大功率做到了150kw。这个增程器的功率密度还是比较高的。

第二个就是集成控制单元,我们过去做了两个集成的控制器,一个是五合一的,这个做的是MCU、DCDC和高压助力转向、PDU我们做在了一个控制器里面,主要是因为整车平台的空间要求过于严苛所以没办法集成在一起,目前这个控制器我们一直在做实验。

这是100A/750V的高压驱动电机的控制器,今年我们也把它做出来了。

另外就是这个P4的大扭矩、高转速的电机和车桥的一体化设计,现在整体的方案是2000Nm、5700转、140kg,整体方案采用的是油水组合冷却技术,电机内部是喷油冷却、外部水路循环我们在电磁防护和防水防尘角度做了一些高防护等级的研究,整体设计方案重量做到了145kg。

轮毂电机方案,越野车讲究低速大扭矩,所以这一块主要是轮毂电机和减速器、制动器的结合,我们自己的体会是轮毂电机本的设计难度并不大,它更大的一个难度在于轮毂电机的附件,我们要求在一体化的轮毂电机要实现它的制动、散热和低速高扭的减速器的集成,这种集成在越野车的高冲击条件下如何保证可靠性,我们一直在探索。

还有P4的电机控制器和PDU的集成工作,我们正在做一个量产方案,连接PDC和空调压缩机,实现高功率密度和功能安全等级ASIC C级别的要求,目前这一块已经在我们的车上使用了。

最后做一个总结,架构来讲北汽越野车是以48V P0架构作为首发的量产方案,以P2架构作为一个高压HEV和PHEV的技术路线,特种车方面是以串联作为技术路线,混动控制来讲越野车主要的特色是四驱和强越野,分布式驱动的话我们是在特种车辆上采用,满足特殊使用需求。

未来的工作我们北汽内部也在一起探讨,在越野车的混动智能化全里程能量管理是作为量产的混动技术特点核心技术我们想发展的是硬件和底层开发能力以及重点发展的应用层软件开发能力,还有越野专属的混动系统的集成能力

谢谢大家!

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