0 前言

如果高科技超高效混合动力和电动车辆仅占道路车辆的一小部分，那么大幅减少全球车辆CO2排放的目标就无法实现。要使地球环境得以改善，CO2减排技术必须通过提供附加值特性在更多车辆上得以应用，增加其在所有市场领域的销量，尤其是保有量大且快速增长的A级车领域。

尽管现在投放市场的先进混合动力和电动车辆技术已具有一定的广度和深度，但是，市场采用的最新混合动力和电动车辆技术大多仍处于尝试阶段，在全球轻型车辆销量中仅占有很小比例，甚至已经应用了十几年的自动起停系统在全球车辆销量中的比例也仅增加了30%。根据预测，配备自动起停系统的车辆在全球车辆销量中的占比如要达到50%，还将需要5年的时间。

自动起停技术在新欧洲行驶循环(NEDC)工况下获得的循环CO2排放减少量约为5.0%，但在全球统一轻型车辆排放测试规程(WLTP)工况下的CO2排放减少量仅为2.5%[1]。诸如制动能量回收和滑行控制等进一步混合动力特性还可使CO2排放减少10%～15%[1-3]。当2020年排放限值目标日益临近时，制造商们面临的挑战是如何在整车上更快、更大范围地推广这些策略和技术。

12 V混合动力传动系统是实现上述目标的理想方式，且不会大幅增加高压电气系统的附加成本(图1)。这对于快速增长的大型汽车市场尤为重要，例如印度和中国。此外，48 V电机为构成这些领域大多数销量的轻型车辆带来的边际效应要小得多。

图1 混合动力CO2减排量与边际成本的关系

由于绝大多数工况制动减速恰好处于12 V电机的功率范围内，因此12 V系统具有更高的全混合动力循环减排潜力，尤其适用于微型车和A级车。

为了模拟车辆在完整驾驶循环上的惯性能量及主要能量损失源(例如传动阻力、发动机机械损失阻力、气动阻力，以及滚动阻力损失等)，建立了MATLAB模型。针对小型A级车和大型D级车，利用该模型对12 V和48 V电机进行了模拟。图2所示的结果表明，通过采用昂贵且复杂的全混合动力系统，小型车上的12 V电机可实现60%以上的能量回收率。该复杂系统在更大型、更豪华的车型上能够获得相对更具优势的能量回收，但是附加成本很高。制动回收能量的多少直接影响到CO2排放量，因为该部分能量在加速工况下能够提供给车辆以实现再次使用。

图2 不同电机尺寸在全球统一轻型车排放测试工况(WLTC)循环上的可回收能量

为了建立48 V总线，48 V系统还需要额外添加1套48 V电池和48 V-12 V DC-DC变换器，而12 V系统可以集成到车辆的标准电气结构中，使其成为一种成本效率更高的解决方案。

1 手动变速器的机遇

与在发动机上的布置相比，将电机布置在变速器上会带来很多优势，有助于促进混合动力车辆的应用，提高发动机的设计功率。

广泛采用混合动力特性的阻碍之一就是手动变速器，而手动变速器车辆在全球车辆销量中的占比约为50%。

大多数混合动力特性依赖于决定变速器状态的混合动力控制器，从而确保混合动力策略实施的一致性。

对于动力装置来说，将电机集成到变速器主换档元件飞轮端具有以下几个优点：(1)混合动力功能不受变速器状态的影响，无需传动系统授权即可实施，使其适用于手动变速箱。(2)当发动机关闭时，电机仍可产生电功率。(3)电机可在手动换档或自动换档过程中提供转矩支持，减弱或消除换档顿挫感。

2 变速器布置

图3为自由飞轮混合动力概念的一种可能结构。自由飞轮装置(红色)安装在驱动主差动齿轮的齿轮上。如果自由飞轮上产生负转矩，那么自由飞轮就会断开。当自由飞轮断开后，变速器和发动机也从最终传动系统上分离。在这种情况下，发动机和变速器不会对车辆施加任何倒拖力，使车辆处于电动缓行、滑行或再生制动状态。

电机安装在自由飞轮下游，采用一个附加传动比驱动的主差动齿轮。这种布置可使电机不受发动机或变速器状态的影响。

发动机停机使发动机和变速器与飞轮分离，而无需对主系统离合器实施任何主动控制。在不对主起步离合器进行控制的情况下，可以利用电机实现电动缓行功能。

图3 自由飞轮混合动力结构示意图

该布置包含1个位于自由飞轮机构上的闭锁离合器，该离合器主要用于需要采用发动机制动的情况，例如长距离下坡情况或者车辆运动模式。还有一种将电机从飞轮上分离开的断开装置，主要用于高速巡航或系统故障情况。这些元件可由低功率电动执行器驱动，仅当该断开装置通过接合自由飞轮离合器或者电机主动控制将装置两端设置成同步转速时，才需要对其进行接合处理。

3 混合动力功能

3.1 能量回收与调配

回收滑行和制动阶段的惯性能量是混合动力系统节油策略的核心。实施这项功能的电机安装在发动机上，需要接受来自车辆传动机构和发动机的所有阻力和摩擦损失。

即使在低转速下，发动机和变速器摩擦也存在部分的功率损失，因此，将电机布置在变速器换档元件的下游可增大能量回收的潜力(图4)。

图4 A级车在WLTC循环上的可回收能量(发动机安装带式驱动起动发电机(BSG)系统)

3.2 滑行功能

一些整车制造商已经制造出了具有“滑行”功能的自动变速器和双离合变速器传动系统的车辆，当驾驶员断开加速踏板时，发动机减速至怠速或直接停机。试验结果表明，与采用闭锁离合器策略的发动机相比，“滑行”策略可节约燃油3%～5%，即可减少CO2排放达3%～5%[1-3]。

将电机布置在变速器输出端，自由飞轮布置在变速器上，在无需对变速器进行任何控制操作的条件下就可实现怠速-滑行功能。一旦转矩为负，自由飞轮断开，发动机转速下降至怠速或零。如有需要，位于自由飞轮端的电机能够模拟发动机制动并且回收以热量形式浪费掉的能量(图5)。

对于换档，在滑行过程中，电机能够提供响应踏板命令的即时转矩，因此，当发动机重起或在同步过程中，几乎感觉不到延迟。

而BSG电机无法实现前述功能，因为该电机会一直与飞轮保持断开状态，直至发动机重新与传动机构接合。

图5 发动机怠速滑行过程中的能量流动

3.3 其他特性

变速器安装小型12 V电机产生的功率足够在交通拥堵情况下用于发动机关闭缓行模式的使用(图5)。交通拥堵是在大城市行驶中极为常见的状态，尤其在印度和中国。发动机关闭缓行模式将极大减少人口密集城市的CO2和其他废气排放。

发动机关闭缓行模式适用于行驶辅助。例如自动泊车。之前仅有自动变速传动系统具有这种功能。此外，如果用户在日常使用过程中大量采用这种驾驶模式，那么该模式几乎不需要考虑法规限制。在拥堵城市行驶工况下，实际CO2排放减少量要多于法规驾驶循环模拟的结果。

输出端安装电机还具有斜坡辅助特性，该特性也适用于自动变速传动和双离合器系统，坡道起步和坡道驻车都将是离合器系统的热门关注问题。

4 电机需求

由于电机不具备根据车速匹配主传动齿轮转速的功能，因此，需要电机具备宽广的工作转速范围，并且必须能在该转速范围内输出可接受工作效率状态下的额定功率。

BSG电机面临着类似的挑战，但是，BSG电机的带传动比约为3∶1，设计的工作转速范围为0～18 000 r/min，甚至更高。有文献[4]提出，可以根据变速器用途对现有的BSG电机设计进行改造，从而节约开发成本。尤其需要对高速电机进行优化设计，从而使铁心损耗最小化。铁心损耗是由旋转永磁铁或快速转换电磁线圈产生的高频交流磁场导致的，还需要使旋转惯量最小化，以确保电机在车辆加速过程中产生寄生负荷。

5 电气结构

在车辆行驶过程中，重新起动发动机系统通常需要两个动力源，以确保诸如制动和转向系统等安全关键元件在发动机重起过程中具有不间断的动力供应。传统的解决方案是当发动机上的交流电机关闭时采用两块12 V电池。尽管如此，在变速器输出端布置的另一个电机可作为第二动力源，当发动机关闭及变速器处于空档时使用。

需要利用变速器转矩支持特性的时间段极短，例如换档或滑行后的发动机重起。在上述过程中，所需的转矩要比12 V系统的额定值大。但是，在超过额定功率的情况下，电气系统在极短的时间内仍可继续使用，因为限值通常由系统的热容量决定。短暂的高功率阶段对设计考虑因素很重要，这是因为功率器件必须能够承受高于电机额定功率的数值。

6 总结

为了实现CO2减排和燃油耗降低的目标，整车制造商们必须加快混合动力技术的研发步伐。为使混合动力技术获得更加广泛的应用，必须通过深入挖掘车辆的功能性使其适用于更大范围的车型和验证用途。

(1)通过消除能量回收和调配产生的寄生阻力，布置在主换档元件下游的变速器集成12 V电机，增大安装电机的效率。

(2)该电机的尺寸对于微型车和A级车是非常理想的，其功率足以回收减速阶段的大部分惯性能量。

(3)混合动力策略不受变速器状态的影响，无需对变速器进行控制操作，该策略既适用于手动变速器又适用于自动变速器。

(4)布置在变速器和电机之间的自由飞轮装置还具有其他功能，例如发动机熄火缓行、自动泊车和坡道起步辅助等。

(5)该技术可实现发动机怠速或发动机关闭状态时的滑行，进一步增强了安装电机的CO2减排优势。

(6)通过在传动比变化过程中提供转矩支持，有助于促进自动变速传动系统的广泛使用。