FAW_TMH_TM_强混合动力系统平台开发

FAW-TMH TM强混合动力系统平台开发
刘明辉刘东秦王光平金启前杨兴旺
（中国第一汽车集团公司技术中心）
【摘要】中国第一汽车集团公司双电机混合动力系统（FAW-TMH TM）由一款高效汽油发动机、AMT和两个永磁同步电机组成。

该系统为强混合方案，可以实现混合动力系统的所有功能，在动力性能与原型车基本相当的基础上，可实现节油率40%左右。

FAW-TMH TM系统已经成功地装备在红旗、奔腾B70、奔腾B50等车型上，是一套具有良好通用性的动力总成平台。

主题词：FAW-TMH TM强混合动力系统平台开发
中图分类号：U469.7文献标识码：A文章编号：1000－3703（2010）07－0001－05
Development of FAW-TMH TM Full-Hybrid System Platform
Liu Minghui,Liu Dongqin,Wang Guangping,Jin Qiqian,Yang Xingwang
（China FAW Group Corporation R&D Center）
【Abstract】FAW′s dual-motor hybrid system(FAW-TMH TM)consists of a high-efficiency gasoline engine,AMT and two permanent magnet synchronous motors.The system is a full-hybrid system,which can achieve all the functions of hybrid system.Based on roughly equality in power with the prototype vehicle,fuel efficiency is improved by approx.40%. FAW-TMHTM system has been successfully equipped on Hongqi,BESTURN B70and BESTURN B50car,etc.,it is a powertrain platform with good commonality.
Key words：FAW-TMH TM,Full-hybrid system,Platform development
1前言
近年来，为了保护地球资源和阻止全球变暖，减少车辆二氧化碳排放和提高燃油经济性成为迫切需要解决的问题，尤其是在拥堵的大都市，车辆造成了巨大的能源消耗和严重的空气污染。

在这种环境下，尤其适合于城市工况的混合动力系统能够显著提高车辆燃油经济性和减少尾气排放。

一汽双电机混合动力系统（FAW-TMH TM）是由一汽技术中心自主研发的强混合式动力总成平台，该混合动力系统最早于2003年装备小红旗车型，随后2007年装备于奔腾B70车型，2009年装备于奔腾B50 Plug-In车型。

一汽双电机混合动力系统已经成功地实现了不同车型的平台化移植。

本文针对一汽双电机混合动力系统和平台化开发方案进行了详细的介绍与分析。

2一汽双电机混合动力系统
图1所示为FAW-TMH TM系统架构。

该动力总成系统包括一款1.5L D-VVT汽油机、5挡AMT、两个永磁同步电机（BSG电机和PM电机）、一个高性能镍氢动力电池。

BSG电机通过皮带与发动机曲轴相连接，PM电机通过链传动与变速器输出轴相连，动力总成布置为前置前驱。

该系统具有结构相对简单、控制灵活等优点，即可以实现发动机起动/停机功能，也能实现纯电动行驶及其他混合动力工作模式。

HCU与各控制系统ECU间以CAN通讯方式实现混合动力整车控制功能。

FAW-TMH TM动力系统构型方案已分别获得中、美两国发明专利。

该系统最显著的特点就是驱动电机和变速器一体化集成设计，该机电耦合变速器（图2）特点为：
a.驱动电机与变速器的输出轴连接，能够在实现纯电动行驶的同时避免换挡过程中的动力中断；
b.电机壳体、冷却系统与变速器壳体一体化设计，结构紧凑，集成化程度高；
c.采用具有混合动力专用控制策略的AMT 技术。

FAW-TMH TM系统为全混式混合动力系统，可以实现混合动力系统的所有功能，且能够针对不同工况进行工作模式优化调整，以达到整车系统效率最高。

此外，该系统还具备纯电动行驶所需的各种
电动附件，如DC/DC 、电动空调、电动真空泵、EPS 等，因此该系统进行部分修改可以很容易移植到
Plug-In 系统和纯电动系统中，真正实现动力系统平
台化设计。

FAW-TMH TM 系统动力总成性能参数见
表1所列。

图2
机电耦合变速器
2.1发动机性能
发动机采用一汽自主研发1.5L 进气可变
正时4气缸16气门电喷发动机，其输出特性如图3所示。

2.2
PM 电机性能
PM 电机（Power motor ）采用永磁同步电机，其峰
值功率为30kW ，峰值扭矩为150N ·m ，最高转速为
9600r/min ，具备四象限工作能力，其主要功能是驱
动整车行驶和制动能量回收。

由于电机具有扭矩动态响应快、执行精度高的特点，因此电机可以弥补发动机扭矩响应滞后的缺点，提高车辆的动态响应特性，进而提高整车驾驶性能。

系统输出特性如图4和图5所示。

表1
动力系统参数
图1FAW-TMH TM 系统配置
288V 高压系统CAN 通信
控制信号
车前方
电机风扇
电机水泵
加速踏板
点火开关
电动真空助力泵
HCU
ECU
PM
ENG
AMT BSG
DC/DC
MCU&INV
换挡手柄TCU
12V BATT
ABS 制动踏板EPS AC IPK
JFB
BMS
缩写
HCU ECU TCU
MCU BMS ABS
CAN DC/DC
PM AMT
ENG BSG IPK A/C EPS JFB
注释整车控制单元发动机控制单元变速器控制单元电机控制单元电池管理系统制动防抱死系统控制器局域网直流转化器动力电机机械式自动变速器
发动机皮带式起动发电机
显示仪表空调系统电动助力转向系统
高压分线盒
发动机
TA1
（CA4GA5）
1.497L 直列四缸电控国Ⅳ发动机
峰值功率为74kW （6000r/min ），
峰值扭矩为139N ·m （4400r/min ）AMT
5T136
5挡手动自动一体机械式自动变速器，主减速器主减速比为4.333
BSG 电机
起动发电机永磁同步电机，强制水冷，288V 功率：5~10kW （1910~12000r/min ）扭矩：25~50N ·m （0~1910r/min ）PM 电机
主驱动电机
永磁同步电机，强制水冷，288V 功率：20~30kW （1910~9600r/min ）扭矩：100~150N ·m （0~1910r/min ）电池
镍氢动力电池，强制风冷
288V-6Ah
图3
发动机性能
图4
驱动特性及系统效率
图5制动特性及系统效率
2.3
BSG 电机性能
BSG 电机（Belt Start Generation ）同样采用永磁同步电机，其峰值功率为10kW ，峰值扭矩为50N ·m ，最高转速为12000r/min ，其主要功能是发动机起动/停机和发动机工作点调节，必要时BSG 电机也可进行电动助力，以保证整车性能。

2.4电池性能
电池系统采用高性能镍氢动力电池，电池容量
为6Ah ，标称电压为288V ，额定功率为30kW 。

3
整车性能
3.1
动力性能
发动机单独驱动时的扭矩输出特性如图6中细
线所示。

由于采用小排量发动机，其最大扭矩能力并不能满足整车需求。

整车总驱动能力为发动机输出扭矩和PM 电机输出扭矩的合成扭矩，图6所示粗线为整车扭矩输出能力，合成扭矩与传统车相当，满足整车需求且低速时好于传统车，即混合动力车辆的起步性能将好于传统车辆。

图6驱动力曲线
根据加速踏板开度的不同，输出扭矩也有所不同，加速踏板开度为100%时整车输出最大扭矩。

整车动力性能试验结果见表2所列。

表2
整车动力性能
3.2燃油经济性
混合动力系统实现节油主要通过以下途径：发
动机起动/停机、发动机工作点优化、制动能量回收、发动机Downsize 。

图7所示FAW-TMH TM 系统通过
NEDC 工况对各主要功能的节油贡献率进行对比分
析，以确定进一步优化方向。

FAW-TMH TM 系统显著的特点是：a.
具有较好的纯电动驱动能力，在发动机低
负荷区域（效率较低区域）能够通过EV 行驶避免发动机运行。

b.电机功率足够满足制动能量回收功能，正
常行驶中电机制动能力可以覆盖90%以上的制动过程，尽可能地回收制动能量，以达到更好的燃油
2000
400060008000
转速/r ·min -1
150
100
50
扭矩/N ·m
8070605040
30200400350300250160
14012010080
25101510501000
2000
3000
40005000
6000
转速/r ·min -1
净功率/k W
净功率
净扭矩/N ·m
燃油消耗量/k g ·h -1
净扭矩
燃油消耗量燃油消耗率
燃油消耗率/g ·（k W ·h ）-1
2000
400060008000
转速/r ·min -1
-50
-100
-150
扭矩/N ·m
爬坡性能
1挡扭矩2挡扭矩3挡扭矩4挡扭矩
5挡扭矩开度0%开度29%开度57%开度100%
-20
30
80130
180
扭矩/N ·m
700
6005004003002001000-100高速性能
车速/km ·h
-1
参数目标数值
实际数值
最高车速/km ·h -1
1701710~100km/h 加速时间/s
<1312.7最大爬坡度/%
>25
>30
经济性。

c.AMT 相比其他自动变速器具有更高的传动
效率，对燃油经济性有一定的贡献，同时也避免如普锐斯THS 系统的无功电循环。

图7混合动力功能对节油率的贡献燃油经济性如表3所列。

表3
燃油经济性L/100km
3.2.1发动机工作点优化
为使发动机工作在燃油经济性较好的区域，避
开低速、小负荷等燃油经济性差的工况，且考虑到电系统效率，把发动机的万有特性曲线划分成3个区域（图8）。

图8
发动机万有特性曲线
发动机经济工作区是发动机的目标工作区域；低负荷区将对发动机工作点进行调整，使其工作在经济区域内或进入纯电动行驶模式；电机助力区中PM 电机将提供额外的功率以满足整车要求。

发动机的工作区域还将随SOC 、电机电池状态、发动机水温等其他条件进行相应调整。

3.2.2
制动能量回收优化
FAW-TMH TM 系统采用并联式制动能量回收
系统，即在保留原车液压制动系统的基础上增加
PM 电机能量回收功能。

这种并联式制动能量回收
系统结构与控制策略简单，同时在典型城市工况下能够有效地回收制动能量。

另一个主要优点是
这种结构不对原有制动系统进行更改，系统可靠性更高。

车辆制动减速过程（图9）中，随着电机制动回
收扭矩的增加，离合器将分离，当发动机转速下降到一定转速后，发动机断油停机。

因此，在制动过程中发动机处于停机状态，没有燃油消耗，且消除了发动机反拖扭矩，进而增大了电机制动回收能量。

图9电机制动过程
3.2.3
NEDC 工况燃油经济性
以NEDC 工况为例，介绍工况油耗优化策略及
测定过程。

如图10所示，起步过程为EV 起步，避开发动机低速、低负荷工作，且避免起步过程离合器滑磨的能量损失；当进入发动机经济区时，先由BSG 电机起动发动机，之后进入发动机驱动模式，并通过
BSG 电机调节发动机工作点，使发动机一直保持在
经济区内运行；在滑行制动过程中发动机将断油停机，PM 电机以一个较小扭矩进行能量回收；当驾驶员有制动意图时，PM 电机将以一个较大扭矩进行制动能量回收，且当小于一定车速时PM 电机制动扭矩会逐渐减小至0，以保证整车平顺性。

NEDC 工况油耗的测试条件为发动机暖机状态（水温>80°），采用油耗仪记录燃油消耗，具体数据见表4所列。

通过对试验数据的线性回归（图11）得到以下数据：NEDC 工况油耗为5.54L/100km 。

图12为NEDC 循环工况FAW-TMH TM 系统各总成工作状态。

NEDC 循环工况油耗测试结果显示FAW -工况
状态燃油消耗
NEDC 热机 5.54NEDC
冷机 6.02北京工况
热机
5.73
1000
2000
3000400050006000
120
100806040
20
低负荷区
发动机经济工作区
电机助力区
转速/r ·min
-1
发动机扭矩/N ·m
25
260
255
255
260
260
280
280
280
280
32
320
320
320
320
400400400
600
600
600
奔腾6MT DownSizing Start/Stop 制动能
量回收
经济区
控制优化
8.55
7.78
7.09
6.23
5.479%17.07%8.3%
10.0%
27.13%8.9%
36.02%
燃油消耗/L ·（100k m ）-1
P M 电机制动回收扭矩/N ·m
-20-40
1
01
05550454020001000
0断油指令
离合器分离指令车速k m ·h 发动机转速/r ·m i n
200015001000500050403020100806040200-203020100-10-20100500-50-100-150
转速/r ·m i n 车速/k m ·h 发动机扭矩/N ·m B S G 扭矩/N ·m P M 扭矩/N ·m
发动机停机
④698710722
734
746758764
EV 行驶
制动能量回收
发动机工作在经济区
BSG 启动发动机
EV 起步
①
②③
①
⑤
图10FAW-TMH TM 系统工作状态
时间/s
TMH TM 系统对改善车辆燃油经济性方面的贡献是非
常显著的。

图13为国内众多乘用车NEDC 循环工况燃油消耗量统计。

从图13中可以看出，装备
FAW-TMH TM 系统的车辆（CA7150N ）燃油消耗量明
显低于平均水平。

表4
NEDC 油耗试验结果
图11
试验数据的线性回归
图13NEDC 循环工况车辆油耗统计
3.3排放性能
与传统车辆相比，强混式混合动力系统发动机
工作模式发生了巨大变化，虽然EV 行驶时发动机尾气排放为零，但发动机频繁起动将会使排放性能严重劣化。

FAW-TMH TM 系统中特别对发动机起动过程进行了相应的优化。

发动机起动为BSG 快速起
动，并针对此过程进行了特殊标定，如减小喷油量、改善空燃比等。

排放性能试验结果见表5所列。

表5
排放测试结果
g/km
4结束语
FAW-TMH TM 系统在保持动力性能没有弱化的
基础上，实现了燃油经济性和排放性能的大幅改进。

这得益于FAW-TMH TM 系统较灵活的系统结构，同时匹配相应的控制策略，可以达到运行过程中系统效率最高。

FAW-TMH TM 系统在设计过程中考虑到产品平台化概念，机电耦合方案采用驱动电机与变速器一体化集成设计，节省了系统布置空间，更有利于向不同车型平台移植。

目前已经成功装备于多种车型上，并达到较好的预期。

参
考文献
1Muta K,Yamazaki M,Tokieda J.Development of New -Generation Hybrid System THS II -Drastic Improvement of Power Performance and Fuel Economy .SAE ：2004-01-0064.
（下转第58页）
序号
里程
/km 油耗
/mL 初始
SOC/%终止
SOC/%SOC 差/%油耗统计/L
·（100km ）-1110.855591.16056-4 5.44210.847608.356582 5.61310.868610.658602 5.62410.937598.36058-2 5.47510.906600.6
58581 5.51总计54.4133008.9
60
58
-1
5.53
-4
-3-2-10
1
2
3
SOC 差值
5.655.605.555.505.455.40
燃油耗耗/L ·（100k m ）-1
800
100012001400160018002000
整备质量/kg
14121086420燃油消耗/L ·（100k m ）-1
PRIUS II
CA7150N
污染物THC CO NO x CO 2测量结果0.0710.7350.052142
第Ⅲ阶段限值0.2 2.30.15———第Ⅳ阶段限值
0.1
1.0
0.08
——
—
2Nozawa N,Maekawa T,Nozawa S.Development of Power Control Unit for Compact -Class Vehicle.SAE ：2009-01-1310.
3Matsubara T,Yaguchi H,Takaoka T.Development of New Hybrid System for Compact Class Vehicles.SAE ：2009-01-1332.
4Kawamoto N,Naiki K,Kawai T.Development of New 1.8-Liter Engine for Hybrid Vehicles.SAE ：2009-01-1061.
5
周磊，罗禹贡，杨殿阁,等.混联式混合动力车多能源动力
控制系统的开发.机械工程学报,2007（4）
6
欧阳易时，金迭锋，罗禹贡.并联混合动力汽车功率分配最优控制及其动态规划性能指标的研究.汽车工程,2006（2）.
7余志生．汽车理论．北京：机械工业出版社，2000.
8
赵子亮，李骏，刘明辉,等.CA6100SH8并联混合动力客车工作模式与功率分配研究.汽车工程,2007（8）.
（责任编辑
学林）
修改稿收到日期为2010年6月23日。

50
150
250
350
450
550
650750
850
950
1050
1150
时间/s
605550452001000-10040200-20400020000
S O C %
P M 扭矩/N ·m B S G 扭矩/N ·m 发动机扭矩/N ·m
发动机转速/r ·m i n -1
150100500-50150100500
车速/k m ·h -1
图12NEDC 循环工况FAW-TMH TM 系统工作状态
5结束语
经过拓扑优化对车身进行重新设计，在相同质
量下白车身模态、刚度、碰撞性能都有大幅提升，这得益于通过拓扑优化寻找到了合理的载荷传递路径，将材料分布在最需要加强的结构上，极大限度地提高了结构的利用效率。

以上验证结果还只是在对拓扑结构解读后初步进行设计的模型上计算得到，还没有进行参数优化[2]。

如果对结构要素的相对位
置、梁截面参数、零件厚度、材料强度等进行参数优
化设计，在相同质量下性能会提高得更多，或者在保持性能的前提下质量会减轻。

参
考
文
献
1王望予.汽车设计（第四版）.北京：机械工业出版社，
2004,8.
2姜欣，陈勇，史国宏，等.前期白车身架构优化设计.结构及多学科优化工程应用与理论研讨会论文集，2009.3
丁利.结构拓扑优化分析在电动小车车身的轻量化的应用汽车设计.中国制造业信息化，2009，38（11）：58~60.
（责任编辑
帘青）
修改稿收到日期为2010年5月17日。

（上接第5页）。