我国混合动力客车的产业化进程分析

中国产业研究报告网讯：

    近三年来，由于能源供应紧缺，国际原油市场价格不断攀升，机动车出行成本越来越高，因此，积极倡导绿色出行、交通集约化和社会化，成为缓解交通压力、保护环境实现可持续发展的重要途径，而新能源汽车包括新能源客车，已经成为当前汽车行业的转型升级法相。 

    当前世界上主要的新能源汽车包括混合动力客车、纯电动客车、燃料电池客车、CNG(压缩天然气)客车、LNG(液化天然气)客车、LPG(液化石油气)客车、醇燃料客车等车型，而混合动力客车约占我国新能源客车市场90%以上份额，是无可争议的主导车型。 

    从新能源汽车产业看，新能源汽车是全球汽车行业升级转型的方向。我国要在未来形成具有世界竞争力的汽车工业体系，必须超前部署新能源汽车的研发和产业化。当前，要充分发挥社会各方面的积极性，以产业联盟系列化为途径，着力突破动力电池、驱动电机和电子控制领域关键核心技术，推进插电式混合动力汽车、纯电动汽车推广应用和产业化。同时，开展燃料电池汽车相关前沿技术研发，大力推进高能效、低排放节能汽车发展。 
    
    目前，新能源客车的应用范围将逐步扩大。财政部、科技部发出《关于开展节能与新能源汽车示范推广工作试点工作的通知》，决定在北京、上海、重庆、长春、大连、杭州、济南、武汉、深圳、合肥、长沙、昆明、南昌等13个城市开展节能与新能源汽车示范推广试点工作;鼓励试点城市率先在公交、出租、公务、环卫和邮政等公共服务领域推广使用节能与新能源汽车。 

    在客车行业发展方面，国家政策将会更加突显“安全、节能、环保”，安全仍将是未来客车行业政策研究制定的主要考量因素，而鼓励节能减排成主线。今后10年，我国中央财政将安排500亿元作为节能和新能源汽车研发和产业化专项资金，在客车行业中将重点培育10家左右拥有自主核心技术的骨干企业。 

    从客车行业发展趋势来看，未来我国客车行业的发展将以结构调整为主线，新兴的细分市场如校车、小型机场摆渡车、旅游观光用车及一些更具特色的客车专用车型将有望获得较快发展。同时，客车产品将更加趋于“人性化、大型化、高档化”，公路客运也将由“走得了”向“走得好”的方向发展。 

    我国客车产业经过多年的发展，已经成为全球主要的客车生产及出口国，在新能源汽车的研发与生产方面也已取得较快的发展，但缺乏核心技术仍是制约我国新能源客车发展的主要瓶颈，在电机和控制系统中的CPU及IGBT等核心零部件仍依赖进口。 

    我国新能源汽车未来的发展，将亟需着力突破动力电池、驱动电机和电子控制领域关键核心技术，大力推进插电式混合动力汽车、纯电动汽车推广应用和产业化，同时，积极开展燃料电池汽车相关前沿技术研发，为新能源客车的推广普及方面实现安全、高效、便捷、可靠、绿色的发展目标。 

    此外，当前国内新能源客车的发展还存在着可靠性低、使用成本高企、配套基础设施建设滞后、关键零部件的可选性及互换性差、资金短缺和人才匮乏等问题，这些都将是发展绿色高效客车产业的重要问题。 

    通过新型串联混合动力客车研发与产业化，可以建立新的车用APU应用体系和控制技术，在满足客车动力性要求的前提下，最大限度地保证经济性与排放性，满足城市公共交通对节能和环保的新要求，具有广阔的应用前景。 

    多种混合方式的串联混合动力平台 

    （1）按照新型串联混合动力客车动力性、经济性、环保性、可靠性、安全性和耐久性等技术指标体系要求，构建10～12 m新型混合动力系统平台方案，并对新型混合动力客车产品进行规划。通过开发或委托加工，重新对发动机、发电机(或ISG)、动力电池及其管理系统、驱动电机及其控制系统等关键零部件进行选型或局部改造，对实物部件试验验证、标定匹配，形成系统部件数据资源库。 

    ①APU系统是串联混合动力系统的核心部件，是实现节油和排放指标的关键。研究内容包括： APU及其控制系统、匹配条件，APU的一体化设计与控制(包括散热系统等)；电控系统局部改造后专用发动机(含CNG发动机)性能标定和匹配；开发适用的发电机及其控制器(如低成本同步发电机或高成本永磁发电机)；发电机(或ISG)的性能标定匹配；形成APU系统的匹配、标定优化技术，建立APU通用技术条件等。 

    ②整车控制技术。通过系统模拟，制定控制策略，进行仿真计算，实现能量合理分配；通过网络系统综合控制发动机、发电机(或ISG)、电机、电池动态特性，满足在整车动力性指标不低于传统客车的情况下，通过改变APU系统的参数和对各部件的协调控制，实现提高燃油经济性和降低排放的目标。 

    ③电池充放电特性，电池管理与安全防护、快速安装与更换等，能量回馈对电池动态特性的要求。 

    ④驱动电机及其控制器性能和匹配条件。 

    ⑤掌握辅助动力系统总成及性能要求、匹配条件、优化改进等措施。 

    （2）串联混合动力客车底盘匹配标定技术： 

    ①驱动耦合技术。研究和开发AMT和多档变速装置，满足驱动耦合要求。 

    ②制动能量回馈。一方面从电机、电池动态特性，控制策略上最大限度地实现能量回馈效率，尽可能实现经济性指标；另一方面，从协调控制上解决能量回馈给车辆制动性能和操稳性能带来的影响。 

    ③系统动力总成与底盘匹配后的优化标定。 

    （3）动力性和经济性： 

    ①利用台架试验和标定技术对APU、电机及其控制器和电池及其管理系统进行动态分析，从控制策略和协调控制上满足动力性和经济性指标要求。 
    ②研究提高能量回馈效率的措施。 
    ③研究减轻电池和动力系统自重的轻量化技术。 
    4)研究整车热管理、安全防护和电磁兼容性技术： 
    ①研究整车高、低压线路、仪表系统设计及其安全防护技术。 
    ②研究整车热管理技术。 

    整车开发技术 

    以市场应用为导向，研究10 1TI串联油一电混合、11 m串联气一电混合和11 m Plug-in强度混合动力客车。 

    1、研究适配的10 m和11 m车型平台和优化技术。 

    2、按照工程化理论，研究系统总成(驱动电机、APU、整车控制器、动力电池等)与车型平台的匹配集成、安装结构、安全防护及技术要求等。 

    3、研究辅助系统零部件(转向油泵、电动空压机、电动空调、整车仪表及电器组件等)与系统和车型平台的匹配集成、安装结构、安全防护及技术要求。 

    4、研究车型匹配集成后的总布置方案、载荷及轴荷分布和车身轻量化技术。一是根据串联混合动力客车技术的特点重新调定车身参数，将APU后横置安装，在不影响驾乘空间和操纵方便性的前提下，调整车身参数，使车身更紧凑；二是利用美国MSC．Nastran有限元分析软件对客车车身进行动态过滤、点云模拟，分析车身在不同工况下的强度和刚度，完成复杂结构的动力学分析，对整车骨架进行结构优化，降低骨架重量；三是在结构布置上，充分考虑零部件集成、安装支架与整车骨架的整体设计，减少承载梁，使其满足安装强度，降低整车重量；四是在材料使用上，大胆使用新型材料，两侧舱门与轮罩均采用铝材或玻璃钢材质，整车骨架采用高强度铝镁合金，既保证车身强度，又大大降低了整车重量。通过一系列轻量化技术，形成了鲜明的串联混合动力客车专有技术。 

    5、开展工程化设计，进行样车试制、试验、优化改进及定型公告，研究混合动力客车型式认证和实验技术。 

    生产工艺及质量控制措施 

    为快速实现混合动力客车产业化，必须充分发挥客车企业在客车生产制造上的专业优势，依托大学和研究院所在基础平台和检测设备上的优势，研究开发满足电动客车生产制造的新工艺和检测技术。 

    1、系统总成特殊安装、调试工艺、检测技术及质量标准。包括驱动电机及其控制器；APU系统；多能源控制器；动力电池及其管理系统。 

    2、辅助动力系统及其总成安装调试、工艺规范、检测技术及质量标准。包括转向油泵及电动空压机；APU散热器和电机散热器；高、低压线缆装配及其防护规范。 

    3、电机及其散热器，APU及其散热器，辅助电机振动源及噪声控制工艺规范。 

    4、试制及批量生产专用模具、工装设备及生产适应性研究。 

    5、满足生产纲领的生产工艺改造。 

    6、整车检测线对新型混合动力客车的适应性升级改造。 

    7、小批量中试及批量化生产配套体系建设研究。 

    市场推广应用

    1、必须从系统零部件、原材料、生产工艺、管理技术等诸方面研究降低产品成本的有效措施，与配套协作单位建立合作伙伴关系，共同完成降本目标。 

    2、开展混合动力客车使用维护、配套设施建设技术研究，为运营商提供系统应用服务。 

    3、进行配套政策及市场推广应用模式研究，为政府主管部门提供良好服务。 

    4、研究批量化推广的客户对象、市场渠道及服务网络。 

    技术难点 

    1、APu系统。APU系统是串联混合动力系统的核心部件，是实现节油和排放指标的关键。其核心是开发或改造适配的专用发动机(含CNG发动机)，并进行一系列的台架试验与标定匹配；开发适配的高效发电机(或ISG~)，并进行一系列的台架试验与标定匹配；开发适配的散热系统并进行一体化设计；发动机与发电机一体化控制等需要经过大量的试验、标定与匹配，方能形成车用APU系统。针对带外充电和不带外充电的APU系统，开发或改造适配的APU系统发动机(含CNG发动机)和发电机(或ISG)是主要难点。APU系统的一体化控制是实现动力性和经济性指标的关键。 

    2、控制策略。串联混合动力客车动力总成较多，包含不带外充电和带外充电的两种APU系统；工况复杂，车辆运行工况对APU跟随控制影响较大，平衡动力性和经济性是控制策略中的一大难题；动力源间的能量分配，制动能量回馈，发动机和电动机动态特性的不同造成对目标转矩突变响应情况的不同，引发动态协调控制难题。 

    3、安全防护。串联混合动力系统电压等级高，线缆复杂、各种控制信号交错，易发生漏电、短路和信号干扰等现象，易给驾乘人员造成安全隐患；电机及其控制器、高压线缆等强电设备容易干扰网络控制信号。 

    4、可靠性、行驶安全性。串联混合动力系统零部件多，适配资源少，工作环境恶劣，电磁环境与系统复杂，制动能量回馈控制对制动性能和操稳性能具有一定的影响因素；整车协调控制复杂等。 

    5、成本问题。串联混合动力系统适配资源少，车用APu配套体系还没有形成，电机、电池以及辅助动力系统成本较高，给整车成本控制带来较大困难。 

    6、驱动电机与驱动桥的匹配。受电机效率限制，较高的电机转速直接与车桥匹配较为困难，适合电机与驱动桥匹配的AMT或专用变速装置少。 

    技术可行性分析 

    串联混合技术平台 

    一是该平台技术通过理论研究、模拟分析、仿真计算，比较适用于城市客车工况特点，具有较大的节能和环保潜力；二是该方案在国外混合动力城市客车上已被广泛应用，在节能、环保指标上体现出较大的优势；三是该方案能够集成“十五”纯电动和燃料电池客车电机驱动和控制技术平台；四是该技术能够继承和拓展纯电动客车和燃料电池客车的辅助电动零部件、电池及管理系统、DC／DC、多能源控制系统等。 

    关键技术分析 

    1、热管理技术。混合动力客车发热单元众多，热管理系统复杂。由于发动机的工作状态与传统汽车差异很大，需要大量的对比实验数据设计合适的发动机散热器、中冷器和风扇；驱动电机和电机散热器匹配选型以及空间布置、动力电池分层布置、强制通风，解决其散热问题。我们将根据大量的实验数据确定热管理系统的冷却方式和关键参数，通过计算和多轮样车试制试验加以解决。 

    2、动力电池安全防护。一是对动力电池实行二次绝缘防护，每个单体电池与电池包之间使用耐酸绝缘橡胶板，实现第一次绝缘防护。将电池包与车身之间使用凸轮形螺栓绝缘垫和耐酸绝缘橡胶板，实现第二次绝缘；二是在车厢地板上增设多个与电池包相连的进风口，给电池包箱体注入清洁的循环空气，有效利用车内空调的冷暖空气对电池包内的单体电池进行冷却或加热；三是设计专用防水、排风口，保持电池箱空气流通和避免车外空气倒灌，并且每箱电池包内安装温控风扇，使每一个单体电池都能够工作在适宜的环境温度中，使其保持良好的充放电性能，延长其使用寿命。 

    3、高压线缆安全防护。合理安排高压电器件的布置，使高压线布置最短、最集中，用高压线外套波纹管加以防护，并使用绝缘夹子将高压线固定在底架上，使高压线与车身绝缘；采用专用高压漏电防护装置，一旦发现漏电，电池之间、电池和高压电器件之间自动切断，从而保证动力电池、电器件以及整车的安全性。 

    4、电磁兼容性技术。为提高电器部件的抗干扰性和降低电磁骚扰水平，优选国内外通过电磁兼容技术相关标准且质量可靠的电器件；合理布置高、低压电器部件，使对干扰敏感的部件尽量远离干扰源；对传输比较敏感的低压信号和传输干扰很强的高压信号均采用屏蔽线，将屏蔽层接地，有效避免磁场干扰，并使高、低压线束分开以避免低压信号受到干扰；对于易受干扰且关键的控制信号加装滤波系统。最后整车及相关零部件做电磁兼容性试验。 

    已形成的技术基础 

    1、驱动电机专用减速器。在已开展的研发中，通过计算和试验已开发出行星齿轮传动、内置油泵强制润滑、铸铝机壳的驱动电机专用减速器，解决了传统减速机斜齿齿轮传动装置出现的温升高、易漏油、噪声大等难题。 

    2、电传动线束快速识别技术。针对混合动力客车低压线束多、电传动线束相关信息量大，且高、低压线束并存的状况，为了使其在生产、使用和维护过程中具有条理性、规范性和便于快速识别、快速安装、快速维修，我们先将电传动线束线号转换为标准条形码，建立以条形码为索引的导线信息数据库，用读码器扫描，可在电脑上轻松获得任一根导线的相关信息，达到快速识别的目的。 

    3、电池快速更换技术。一是根据单体电池的尺寸规格，结合电池箱空间位置设计电池包尺寸和形状，方便电池包的防护与安装；二是将电池包与可以推拉的滑动托盘进行绝缘固定，从而实现电池的快速更换及其维护，也达到保护电池不受损坏的目的。 

    4、整车CAN网络通讯及电动仪表设计技术。 

    全车以CAN网络通讯协议为基础，实现全车数据和控制信号共享，减少整车电缆布线，同时车辆运行数据可与车辆故障诊断系统共享，实现故障自动诊断；开发新型电动客车专用仪表，通过两条不同的CAN总线把车辆常规信息和电传动信息显示在一块仪表上，使驾驶人员随时掌握车辆的各种信息，从而提高整车的安全性和可靠性。 

    内容选自产业研究报告网发布的《2012-2016年中国城市客车市场运营态势与投资趋势研究报告》