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为了实现当前和未来的CO2排放目标，采用混合动力车型是一项有效方案，但其提高了整车系统的复杂性，Magna动力总成传动系统采用独特的专用混合动力总成作为整体解决方式降低了系统成本，提高了效率，并且为制造商（OEM）赢得了附加效益。 图1 随着12～800 V电气化的增长，变速箱的挡位数可减少 提高电机的功率能使其与内燃机之间的分工重点有所调整，电机更多地用于承担动态负荷，而内燃机则更多地在近似稳态负荷下运行，以此能简化增压方案、气门控制机构或喷油系统，为此可采用专用混合动力发动机（DHE）。Magna动力总成传动系统涉及到包括DHT和DHE在内的整个动力总成系统，下文称之为专用混合动力总成（DHP）。 为了进行研究，一台功率为63 kW的内燃机被连接成DHP。此时，虽然其特性曲线场中燃油耗较低的范围比110 kW的内燃机更窄，但是占支配地位的电机运行范围较广使其能减少排档数，其中电机用2档，而内燃机用4档。因为电机在很大程度上覆盖了动态负荷范围，因此用于内燃机的传动级就能针对优化燃油耗而进行设计。 图2示出了4种示范性的驱动方案，其采用模拟模型进行计算。最初的配置是一种传统的驱动装置，由一款功率为110 kW的现代化4缸涡轮增压汽油机、7挡双离合器变速箱（7DCT）、起动-停车系统和12 V回收制动能量系统组成。 第二种配置是按P2.5型式布置的48 V混合动力，其在变速箱中附加集成了一个15 kW电机，同样与110 kW的内燃机相连接。这种双离合器变速箱现在被称为7HDT混合动力结构型式，其中电机通过两级圆柱齿轮传动与偶数档——2档、4档和6挡相连接。 第三种配置是高电压方案（即7HDT-HV），其机械结构型式与第二种配置相同，只是使用了一个功率为90 kW的电动机，因其设计转速高，同样集成在相同的变速箱壳体中，其为P2.5结构型式的基本优点：能使用大功率电机的方案，而不会像P2方案那样需要更大的安装长度。 第四种配置DHP则使用相同的90 kW电机。简化的内燃机可提供如前文所提到的63 kW功率。在这次示范性研究中，变速箱的4档用于内燃机，2档用于电机。车辆用电起步，而内燃机通过离合器实现换挡，DHP无需配置双离合器。与附加高电压的混合动力（Add-on-HV-Hybridantrieb）相比，其质量减轻约70 kg，尽管蓄电池较大（14 kW·h，与0.5 kW·h相比），仅比7HDT 48 V重20 kg，其通过使用简化部件变速箱、内燃机和小型高转速电机减轻了质量，以此就能使用较小的蓄电池。 所有4种配置方案都使用了一种共同的电机与变速箱部件模块，因此相对而言，这种大批量的数量对于DHT或DHP的正常运行商业模式是必不可少的。 目前一个重要问题是，DHP的内燃机（DHE）明显减小会产生怎样的影响？负荷向电机转移能否补偿这种影响？图3示出了7HDT-48V方案与DHP可供使用的牵引力比较，即内燃机占支配地位的7HDT-48V方案（110+15 kW）（左图）以及电机占支配地位的DHP-HV方案（63+90 kW）（右图）。在牵引力曲线图中，从左图可以看到，为了最佳地利用内燃机相对较小的运行跨度（红线），7DCT双离合器变速箱的7个档位是不可或缺的。而从用于DHP-HV的右图中可以看到，在动态运行范围内电机承担了驱动力中的重要部分。混合动力运行时在换档到内燃机侧的过程中，电机贡献了90 kW功率中的约30%，以补充牵引力的不足。系统功率设计约在110～120 kW之间，从而可与7HDT动力总成系统相媲美。 根据在B/C车辆等级上的使用情况，在DHP情况下用于内燃机的第三档最高持续行驶速度被设计为170 km/h，在混合动力模式下短时可达200 km/h，而第四档则用于充分优化燃油耗。电机的第一档被设计成起步档，而第二档则用于在高达200 km/h的车速下行驶。 图3中的数值也反映在0～100 km/h的加速过程中，甚至即使系统功率被限制在120 kW上，DHP的数值也要好于7HDT-48V方案。除此之外，比较高电压（HV）方案（7HDT与DHT比较）表明，通过DHP减小的内燃机几何特性不会产生不利的影响。 如果采用165 kW电动机替代90 kW电机装备DHP的话，那么加速性能仅会有微小的改善，因为在前驱动情况下可供使用的车轮扭矩仅在一定程度上能转换成驱动力，而更为有效的是系统需使用电驱动后桥作为全轮驱动方案来补充，这样就能简化系统并为用户开辟附加的效益。 为了研究电驱动和能量回收阶段，对7HDT-48 V方案与DHP（两者均使用90 kW电机）进行比较。变速箱控制单元中的混合动力管理器按照等效燃油耗最低化策略（ECMS）算法优化内燃机、电动机和液压制动之间的分配，用平衡蓄电池充电状态（维持模式）的边界条件来排除不同放电蓄电池产生的影响。图4示出了4种不同运行状况。按照期望，DHP-HV能长时间地实现电驱动，并能像7HDT-48V系统一样进行能量回收，从图中绿色和蓝色线可以看出来。 为了查明全球统一的轻型车试验循环（WLTC）中的燃油耗和CO2排放，比较了几种方案，从使用7DCT的传统驱动装置、7HDT（48 V/HV）直至带和不带混合动力功能的DHP（图5）。撇开电气化不谈，7HDT结构更适合使用7DCT。已辨认出即使只使用集成电机（P2.5）的48 V轻度混合动力就能使节油效果高达14.5%，明显高于采用皮带传动的起动机-发电机方案（P0）的节油效果。 7HDT-HV（节油率最高为19.5%）与DHP（节油率最高为18.5%）相比前者更为有利，当然在研究DHP时内燃机已根据模拟结果作了最大程度的简化，在考察总成本时就要权衡在何种程度上放弃缸内直接喷射或可变气门定时。 WLTG试验循环仅通过23 km行驶过程来进行检测，即使其比新欧洲行驶循环（NEDC）具有更高的动力学特性，但是仍无法完全模拟真实的交通状况。Magna动力系统公司还查明了真实行驶回路（Magna Cup）中的燃油耗，它反映了德国Heilbronn/Stuttgart地区的行驶状况。该行驶回路经历了包括高速公路、长途交通和城市交通等部分在内的250多公里的各种不同地形。同样，这种模拟完全在维持模式中进行（见图5），因此蓄电池在其间不需要进行充电。 与传统的7DCT驱动装置相比，其在高速公路上也可起到一定的节油效果，因为地形和真实的交通条件允许实现能量回收。一方面，存在比WLTC试验循环中更为剧烈的制动阶段，其可用于能量回收，同时由于具有90 kW发电机功率的潜力，必须使用车轮制动器的机会较少。另一方面，由于无需按照预先规定的速度谱行驶，因此混合动力行驶策略具有更高的自由度，例如更充分地利用惯性滑行阶段。 在城市行驶中存在最大的节油潜力，其能频繁地采用蓄电池电流行驶。由于内燃机负荷点的移动，蓄电池能在有利的效率平衡情况下进行充电。 就总体考察而言，DHP在真实交通中比在WLTC试验循环中的节油效果好近1%。这种接近真实的燃油耗调查表明，降低复杂性和减轻质量的DHP用于插电式混合动力是一种在城市内外都会有显著效果的方式。 如前所述，至今DHT只有在大量生产的情况下才是最具经济效益的。对于这里所介绍的DHT和DHP而言，其不适用于整个系统，因为在变速箱和发动机方面其组成模块所利用的现有部件的份额有所减少，在电机、变流器、同步器及其他方面甚至经常涉及到通用件。 在整个考察中具有决定性意义的参数是生产成本对降低CO2排放之比（图6）。要考虑的是内燃机、变速箱、电机、变流器和蓄电池等部件，最为有利的是其中所获得的48 V混合动力，因为节油效果明显，蓄电池的成本较低。比较不利的（图6中用100 %表示）是无插电式混合动力功能的传统HV混合动力。 DHP可提升34%，因为在相似的CO2排放降低的情况下生产成本明显较低，特别令人印象深刻的是插电式DHP的生产成本对降低CO2排放之比，成本-效益的平衡类似于48 V混合动力车型。目前在试验中已证实，48 V混合动力作为附加方案以及基于DHP的插电式混合动力是最令人信服的方案。 为了使传统驱动装置达到尽可能高的通用件份额以及混合动力化达到良好的成本-效益比，附加混合动力是一种明智的方案，在强劲的混合动力化和对插电式混合动力能力需求的情况下，其在复杂性和质量方面是存在不足的。Magna动力总成传动系统在利用现有模块的情况下提供了一种解决方式，其在很大程度上解决了这种两难以选择的困境，生产成本对降低CO2排放之比已明显降低，此外还在很大程度上改善了质量增加情况。 Magna动力总成公司提出的并非是一个单纯的技术方案，其首先考虑的是大批量生产，而且越过整个产品系列依赖于一个可缩放的模块。强劲的混合动力化对于DHP是一个机遇，变速箱和内燃机可大幅简化，同时对于最终用户也具有明显节油的效益优势，同时不会对动力性能和效率带来缺陷。 【德】J.GINDELE等 【整理】范明强 【编辑】伍赛特 |
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