欧盟汽车商业化混合动力总成竞争力提升项目分析

刘勇 方鹏

摘要：欧盟开展汽车商业化混合动力总成竞争力提升，开发五辆示范车辆，包括乘用车、客车与卡车。相比2013年车辆，示范车辆的动力总成效率提高20%，重量和体积减少20%，成本增长控制在10%以内。

关键词：竞争力;商业化混合动力;汽车动力总成;模块化系统

中图分类号：U461 文献标识码：A 文章编号：1005-2550（2020）04-0008-09

刘勇

毕业于湖北汽车工业学院工业电气自动化专业。现就职于东风商用车技术中心，从事新能源商用车技术规划工作。曾获东风汽车集团有限公司科技进步二等奖、三等奖各一项，已发表文章多篇。

1项目总体情况

在欧盟商业化混合动力和动力总成竞争力提升（ECOCHAMPS）项目中，合作伙伴在不同分组中开发了五辆示范车辆，范围为小型乘用车到长途运输卡车。每个工作组均由各自的制造商负责。所有的示范车辆都针对预期影响进行了重大改进，交付的示范车辆与2013年市场上“同类最佳”的全混合动力车辆相比，动力总成效率提高20%，重量和体积减少20%，相对于传统车型成本仅增加10%。为了对示范车辆进行独立的跟踪和评估，ECOCHAMPS项目中包含了一个单独的评估工作组，评估工程师参与项目的目标设定、跟踪和评估，他们是来自里卡多或联合研究中心（JRC）的独立技术专家。本文提供了这些评估工程师根据定义目标对ECOCHAMPS示范车辆进行最终评估的结果。

总体来说，项目目标取得了很好的成绩。不过，在报告截止日期之前，并非所有测试都已完成，有些项目仍在进行中，但是将在项目结束之前完成。根据评估工程师的意见，这些后续测试也将较好的结果。表1和表2总结了技术目标和最终用户需求的评估结果及其当前状态。

2重卡混动项目

2.1动机与解决方案

重型车辆市场的客户要求低油耗，因为这是车辆总体拥有成本的关键因素之一。最重要的是，欧盟2025年和2030年重型汽车的CO，排放设定了具有挑战性的目标。基于这些原因，重型示范牵引车将重点在于提高动力传动系统效率，同时最大程度控制成本。

为了应对这些挑战，本项目的示范牵引车采用并联混合动力总成和余热回收系统。通过减小内燃发动机和混合动力电气部件的尺寸，提高动力总成效率。整车电管理系统优化了使用内燃机、附件和电动机之间的平衡，最大程度地减少总体能量损失。

余热回收系统与混合动力系统结合，提供了从其他方式浪费的热量中回收能量的选择。混合动力系统可以在以后使用存储的能量，或直接用于驱动附件，提高整体燃油经济性。余热回收系统的热力学系统的响应时间存在延迟，因此热能转换为驱动力使用也会延迟，降低废热回收系统的应用潜力。

通过采用基于400 V技术量产乘用车组件开发的标准化、模块化混合动力组件，混动组件成本得以降低。示范车辆的主要目标如下。

2.2主要技术创新

DAF XF示范混动牵引车基于DAFⅪ牵引车开发，采用并联混动架构。通过混合动力传动系统组件、余热回收热能、电动附件装置和优化的整车电管理来优化动力总成，见图1：

与基础车辆相比，发动机舱的体积没有变化。但是，WHR和电池还需要更多空间。因此，示范车辆的燃油箱容积从545+340升减少到430升。这使内燃机的续驶里程从大约3000 km减小到1500 km，这不会影响卡车的区域运输应用，但会影响长距离运输应用。将来可以在开发中优化WHR的尺寸，增大油箱。

除了WHR之外时，与基准车辆相比，动力总成体积减少17%，重量减少13%。FEV进行的分析表明，在工业化解决方案中，包括WHR在内的目标都可以實现。但是，与传统卡车相比，ECOCHAMPS示范车辆的有效载荷降低目前大于目标300千克。重量分析表明，在工业化解决方案中也可以达到该目标。因此，对有效载荷的影响很小，这对于车辆的使用非常重要，尤其是在未来的法规中，该法规允许新的动力总成技术增加重量。

达夫重型示范车辆牵引车的混合动力总成采用并联模式，拓扑图见图3：

与以前的混合动力卡车概念相比，这款动力总成概念车的目标在于提高成本效率，同时减少二氧化碳排放量。为了实现这一目标，项目组寻求一种整体和模块化的方法，有效地结合使用电动余热回收（eWHR）系统和混合动力总成系统。博世eVC-HR系统基于朗肯循环原理。eWHR系统与混合动力总成的协同效应被结合起来使用，都连接到同一高压母线和电能存储系统，可实现总体上降低油耗。与混合动力系统结合后，有各种可能应用方式：从eWHR系统产生的电能可以通过电机直接馈送到动力总成，用于附件或存储在电池中。在后一种情况下，回收的电能可以稍后用于驱动系统。与其他Ecochamps示范车辆一样，混合动力卡车将使用量产乘用车零部件，通过规模经济达到成本目标。这样示范车辆的电气架构选择了400 V的电压电平，这对于商用车来说是较低的。

2.2.1高压电池

混合动力总成采用三星高压电池，由几个模块组成，可以轻松实现扩展，并与MSF模块化概念保持一致。电池组由LiPF6电池组成，每个电池的容量为28 Ah。标称电压为300 V（电压范围为250-350V）时，电池可以提供16 kWh的动力。电池只能在电池组的工作电压范围内供电。在设计和集成高压系统时，提出的电压水平似乎超出。因此，需要调整不同组件的电压电平。电池组已调整到所有组件的设定值水平。图4为高压电池与电驱动系统安装位置，图5为车辆电压等级范围。

2.2.2电动机

电动机是在ECOCHAMPS项目之外开发的。尽管如此，仍采用ECOCHAMPS理念开发了电动机和专用逆变器，以使用乘用车行业的标准化组件来满足总体目标。电动机采用永磁同步电机，峰值功率为100 kW、峰值扭矩为250 Nm，采用集成化减速传动装置，峰值扭矩为750Nm。电动机功率足以完全驱动重型卡车，不需内燃机的提供动力。由于电动机是为乘用车设计的，逆变器的峰值输出电流对于重型车辆而言太低，以至于无法依靠纯电力从静止状态驱除车辆，还需要内燃机来提供动力。在高速公路上行驶的时候，车辆可以关闭内燃机，完全依靠电动机的动力行驶，减少发动机内部摩擦，节省燃料。

2.2.3电动子余热回收e-WHR

电动子余热回收（e-WHR）将来自车辆排气系统的热量转换为电能，因此有助于提高效率，见图6。e-WHR基于朗肯循环，并使用蒸发器利用车辆废气中的热量加热流体。然后将加热的流体供人膨胀器单元，在该单元中，发电机将热能转换为交流电能。逆变器将交流电转换为直流电，然后将其存储在混动车辆的电池系统中。然后，该能量可用于为电机或空气压缩机供电。

2.2.4电动附件

在重型车上，由空气压缩机提供压缩空气，操作制动器。常规的空气压缩机由内燃机驱动。为了实现纯电动驱动，需要电动空气压缩机。因此，在ECOCHAMPS项目中，开发出一款优化的电动空气压缩机，并将其用于公共汽车和卡车。与原来的电动机和控制器相比，ECOCHAMPS电动机和控制器的重量分别减轻了50%和75%。

类似于空气压缩机，通常由内燃机驱动的常规液压转向泵。在ECOCHAMPS中，已经开发了电动液压转向泵（EHSP）。EHPS单元连接到24 VDC电源，因为所需的DC电流相对较低。

开发DC/DC电压转换器是为了将高压电池中的300VDC转换为24VDC（低压）水平，向整车供电。电压转换器避免使用交流发电机，并且能够以更高的效率将最大功率3 kW的电源从高压转换为低压。

2.2.5整车能源管理

混合动力卡车的能源管理管理采用通用化和模块化方法，因此可用于不同尺寸的各种动力总成。ECOCHAMPS混合动力卡车首次示范了这种解决方案。整车能源管理具备预览信息功能，显示可用的道路、路线信息和历史数据，以优化整体动力总成效率。

3主要成果

3.1总体结果

DAF-XF-FT超级驾驶室车辆于2018年3月在评估工程师的监督下在荷兰埃因霍温的DAFT厂进行了评估，见图7。在评估中，示范车辆与多辆基准车辆进行了比较：（1）DAF-XF-FT超级空间驾驶室以MX-11 320 kW MY2017车作为基础车辆，（2）DAF-XF-FT超级空间驾驶室以MX-13340 kW MY2013车作为动力总成效率基准，（3）DAF XF-FT Convenient示范车辆作为混合动力总成基准。当市场上没有混合动力长途卡车时，需要使用这些基准车辆来与示范车辆进行比较。表5-22和表5-2%总结了主要结果。

2013年，市场上没有混合动力长途卡车，因此项目中使用了几种车辆将示范车辆与2013年的最新技术进行了比较。DAF-XF-FT超级空间驾驶室MX-11320 kW MY2017被用作基础车辆，DAF-XF-FT超级空间驾驶室MX-13 340 kW MY2013被用作动力总成效率的参考基准，DAF XF-FTConvenient示范车辆被用作混合动力总成的参考基准。

DAF-XF-FT超级驾驶室重卡比基准车辆燃油效率高得多，能耗降低14.5%（用DAF专用循环工况仿真），相当于车辆在平均载重系数情况下动力总成能效提高17.4%。

示范车辆的混合动力总成电气部分的体积比基准车辆小37.7%，重量轻43.7%，使峰值功率和扭矩增加了40%。

预计总体二氧化碳排放量将与油耗的降低幅度相一致。此外，预计示范车辆将会达到欧VI排放法规。示范车辆达到或部分超过基准车辆的性能，可以在四种牵引力配置（即16吨/40吨、内燃机和混合动力驱动）下保持85 km/h的巡航速度，加速性能令人满意，纯电动续驶里程為14km（以50km/h的恒速行驶）。舒适性、乘坐性、操控性和NVH性能达到或优于参考值。

示范车辆符合安全标准、可靠性和耐用性要求，方便操作和充电，并配有清晰直观的人机界面，可为驾驶员提供有关混合动力总成功能的相关信息。测试还强调了可能进一步改进的领域，例如功能齐全的WHR系统，以进一步提高燃油效率。

总之，评估是正面的。DAF-XF-FT超级驾驶室车辆达到项目设定的大多数目标，并且是2013年技术基础上有进步。DAF可以通过这款非常接近市场投放的产品，来增加产品组合。示范车辆的总体技术成熟度被评估为TRL 7，即使用环境中的系统原型车示范。WHR系统除外，其技术成熟度被评估为TRL 6，即在相关环境中进行技术示范。

3.2成本

由于保密原因和竞争规则，示范车辆成本不作公开的评估，因此不包含在本文中。

3.3动力总成

3.3.1燃油效率

评估工程师无法评估该项目中WP7示范车辆的动力总成和燃油效率。不巧的是，由于技术困难，尚无法完全验证仿真结果，但部分验证支持结果。

DAF分多个步骤对结果进行了仿真：

·传动系统提升和速度控制

·混合动力功能

·余热回收（WHR）

与基准车辆相比，DAF-XF-FT超级驾驶室车辆在燃油效率方面有显著优势。根据达夫专有测试循环上模拟，能耗降低约14.5%，相当于动力总成能量效率提高17.4%，车辆负载为典型的平均装载率负载。值得注意的是，这些是模拟结果，因为这是比较重型长途车油耗的唯一现实方法。尽管仿真模型得到了很大程度的验证，但进一步的道路测试对于模型验证仍是有价值的。此外，示范车辆没有配备功能齐全的余热回收系统（WHR），极大限制了降耗的潜力。项目组将通过进一步的系统优化来降低能耗。

这两个值均略低于目标，因此未达到目标要求。但是，还存在潜力。例如，可以改善WHR的隔热效果，以提高效率。此外，混合动力总成和速度控制之间的相互作用可以进一步改善。同样，使用更大功率的重型混合动力可进一步提高效率潜力。因此，可以进一步提高动力总成效率，以达到20%的目标。示范验证测试行驶将证明实际结果。在提交此报告之前，这是不可能做到的，因为事先需要批准上路测试。DAF计划在项目结束后进行这些测试。

总体上，示范车辆降低了油耗，同时减少了二氧化碳排放量。此外，预计示范车辆达到欧VI排放法规，这一项尚未在项目中进行评估，由DAF自己进行评估。验证测试仍在进行中。示范车辆达到或部分超过性能参数目标，可以在四种牵引力配置（即16吨/40吨，ICE和混合动力配置）下维持85 km/h的巡航速度，纯电动模式续航里程为14公里（50K里/小时恒速）。与基准车辆相比，示范车辆的舒适性、乘坐性、操控性和NVH性能令人满意。

3.3.2重量和尺寸

为了评估重量和体积要求，评估工程师通过DAF获得一些信息和CAD数据，见图4-4。

3.3排放

由于技术问题，评估工程师无法评估项目内示范车辆的有害物排放，这使得示范车辆的应用延迟。车辆排放水平必须符合欧VI法规水平。为了使示范车辆得到道路行驶批准，目前正在进行最后的验证测试。

达夫将在项目结束后进行PEMS测量。首先考虑要进行的测试，发现了有趣的法律问题。目前尚无关于如何评估混合动力系统的明确说明。因此，项目中基于常规动力总成的经验，来定义混合动力总成。项目基于这样的假设：在相同的驾驶工况下，动力总成所传递的能量对于传统车辆和示范车辆来说是相同的（动力总成=ICE+Em），因此该示范车辆的排放预计会更低。

3.4车辆性能

尽管并非所有目标都达标或可以测试，达夫长途示范车辆的总体性能仍被认为与基准车辆相当。

车辆以内燃机模式或混动模式、时速85km/h、空载（车重16吨）和满载（车重40吨）的形式进行测试，达到预期目标。车辆所采用的乘用车电机无法以较高速度在纯电动模式下行驶，所以纯电动模式无法进行测试。预计车辆满载40吨时最高速度将在50km/h范围以内，但无法进行实际测试。因此，纯电动模式的续驶里程也无法确定。根据参数计算，在纯电动模式下，车辆以50km/h的速度行驶的续驶里程大约为14km。

车辆加速度分别以空车（车重16吨）和满载（车重40吨）的方式进行测试。评估工程师评估了测试的日志文件，发现示范车辆和基准车辆之间的加速度值相当。

与基准车辆相比，车辆的系统初始化正常，不影响车辆使用。

对于充电，在项目开始时未设置实际目标值，这项内容取决于电池系统。示范车辆中配备有充电设施。可以利用发动机高转速或通过三相工业用电为电池充电。

与基础车辆相比，示范车辆的制动系统没有变化。测试部门根据测试结果认为，在公共道路上行驶是安全的。

由于技术问题，无法进行爬坡能力测试。

3.5NVH

在试驾过程中，没有遇到过大的噪音或异常振动。在车辆配置给定的情况下，RDW（荷兰交通部）不需要进行任何噪音测试，因为车辆的最大噪声等同于基础车辆。

3.6操控性

该车辆能够由专业驾驶员上路行驶，操纵性能可接受，而DAF内部测试部门则为可接受的转向性能提供了许可。EHPS（电动液压助力转向）比传统的EHPS稍重，但对操纵性能没有影响。当EHPS发生故障时，在紧急情况下车辆可手动转向安全车道。

操控性能正在达到期望值。

3.7舒适性

与基准车辆相比，混动车辆有相同的驾驶室空间、负载能力和驾驶室气候控制，且驾驶室内部舒适度保持不变。混合动力模式下的驾驶包括电动转向泵的操作，电动转向泵比基准车辆的液压系统稍重（对驾驶员不是问题）。此外，由于电机的瞬态响应更快，混动车辆油门踏板的响应也更快一些。

车辆舒适性令人满意，并达到期望值。

3.8安全标准

车辆应获得以下两项批准：

·获得DAF内部批准

·进行RDW（荷兰交通部）测试以获取上路批准

实施了示范车辆的典型安全标准，从而发布了DAF内部测试批准。目前，在荷蘭交通部和DAF内部测试的全面道路批准仍未完成。所有技术问题已被解决，但仍然需要处理相关的文档工作。上路测试需要获得道路批准，这对于进一步验证仿真模型和排放测量是必要的。通常而言，混动示范车辆被认为是安全的。

3.9可靠性

由于技术问题，示范车辆的使用出现延迟，因此示范车辆的测试活动尚未完成。因此，对可靠性进行判断比其他小组更困难。但是，项目组已采用技术手段来确保相关组件的结构完整性和密封性，确保能够进行可靠的测试。在测试道路上进行的首次验证已部分证明了这一点。此外，在DAF的新闻发布会上，记者驾驶了示范车辆，并给予积极的反馈。总之，对示范车辆可靠性的评估至少达到行业实际水平。

3.10电池寿命

电池是原型样品，基于其他汽车项目的电气架构，符合行业惯例。预计从原型样品转向量产的过程中还会有进一步改进。目前尚无电池寿命估算，这需要解决并反馈到成本溢价。

3.11充电便利性

在项目开始时未设置充电目标，因为充电的可用性取决于电池系统。最终存在两种充电模式：（1）用内燃机发电，进行充电;（2）通过外部三相电源充电。通常认为，提供两种车辆充电解决方案是实用的解决方案。没有使用标准插头进行外部充电。

3.12人机界面

人机界面为驾驶员提供了足够的信息，驾驶员可以看到与基准车辆相同的界面。增加有许多按钮，可以对混合动力/电动功能进行精准控制，例如：

·从内燃机供电模式转变为混合动力或纯电动模式

·电池SoC（荷电状态）（增/减），加上行车充电模式和再生制动模式

·内燃机充电模式

有关混合动力/电动模式，显示的信息不多，目的是不让驾驶员感到不知所措，保持行驶轻松顺畅，并且不会分散驾驶员的注意力，见图8。

4总结

示范车辆符合安全、可靠性和耐用性要求，易于操作和充电，并配有清晰直观的人机界面，可为驾驶员提供有关混合动力总成功能的相关信息。测试还强调了有可能进一步改进的领域，例如部署功能完善的余热回收（WHR）系统，以提高燃油效率性能。

总而言之，DAF-XF-FT超级驾驶室车辆达到项目设定的大多数目标。它在2013年的SotA项目基础上有了进步，使DAF产品定位接近市场应用。除余热回收（WHR）系统外，示范车辆的总体技术成熟度达到TRL 7级（使用环境中的系统原型演示）。WHR系统除外，它达到TRL6级（相关环境中技术示范）。项目较好地实现了目标。虽然某些目标没有达到，但通常这些内容不影响车辆使用，一些示范车辆甚至获得了上路许可。