插電式混動(dòng)核心技術(shù)解析

插電式混合動(dòng)力汽車(chē)（PHEV）綜合了純電動(dòng)汽車(chē)（EV）和混合動(dòng)力汽車(chē)（HEV）的優(yōu)點(diǎn)，既可實(shí)現純電動(dòng)零排放行駛，也能通過(guò)混動(dòng)模式增加車(chē)輛的續駛里程。在后補貼時(shí)期，政府補貼減少、消費者里程需求增加、電池成本降幅較小且車(chē)輛售價(jià)不能上漲，為PHEV提供了發(fā)展機遇?；靹?dòng)方案合理化、動(dòng)力系統集成化、核心部件專(zhuān)用化和控制策略創(chuàng )新性設計是提升PHEV性能的關(guān)鍵核心技術(shù)。

1.發(fā)展PHEV的原因

1.1 PHEV符合技術(shù)路線(xiàn)

節能和新能源汽車(chē)技術(shù)路線(xiàn)圖中規定，至2020年、乘用車(chē)新車(chē)平均油耗5L/100km，至2025年、乘用車(chē)新車(chē)平均油耗4 L/100km。

圖1為傳統車(chē)、HEV和PHEV油耗隨質(zhì)量的變化趨勢，隨著(zhù)整備質(zhì)量增加，各車(chē)型的油耗均正比例上升。由圖1可知，整備質(zhì)量較大的B級車(chē)必須依靠PHEV技術(shù)才能將油耗控制在5或4L/100km以?xún)?，與“以緊湊型及以上車(chē)型規?；l(fā)展插電式混合動(dòng)力乘用車(chē)為主”技術(shù)路線(xiàn)保持一致。

圖1 車(chē)輛油耗與整車(chē)質(zhì)量變化關(guān)系

1.2兩級補貼大幅退坡

按照既定的退坡方案，250公里以上車(chē)型兩級補貼在北京和天津分別下降2.2和2.75萬(wàn)。從整車(chē)成本方面考慮，零部件成本下降是解決補貼退坡最直接途徑，但難度較大。

表1 補貼退坡統計

1.3零部件價(jià)格無(wú)大幅下降可能

理論上零部件價(jià)格下降可減少補貼退坡的壓力。但近期由于銅材等價(jià)格上揚，零部件價(jià)格在2017年上半年只能維持現有狀態(tài)、小幅波動(dòng)，無(wú)大幅下降可能。因此，近期通過(guò)零部件降本平衡補貼退坡可能性不大。

1.4續駛里程持續增加

表3為熱銷(xiāo)車(chē)型續駛里程的統計情況，續駛里程需求持續增加。里程增加，除了輕量化和再生制動(dòng)優(yōu)化外，最直接方式就是增大電池容量，電量增加導致整車(chē)成本上升。

表3 熱銷(xiāo)車(chē)型續駛里程統計

1.5 PHEV可平衡各種制約因素

PHEV可平衡補貼退坡、零部件價(jià)格和里程增加之間的矛盾。 PHEV的混動(dòng)模式可解決純電動(dòng)里程問(wèn)題；電池電量小，批量后可解決電量增加的成本問(wèn)題；電池成本所占比例減少，對電池成本的敏感度降低。

表4 PHEV綜合優(yōu)勢

PHEV在國內推廣阻力之一，就是認為在不充電的情況下、即進(jìn)入能量維持CS階段后，此時(shí)車(chē)輛與傳統車(chē)無(wú)異，給出了“95%以上的車(chē)主都在以傳統汽油車(chē)的模式運行插電混動(dòng)車(chē)，建議取消插電混動(dòng)的特定補貼”的建議，作者發(fā)表了“插電式混合動(dòng)力＝純電動(dòng)＋強混≠純電動(dòng)+傳統車(chē)”，解釋了不充電情況下PHEV仍省油的原理。不充電情況下，PHEV比同等重量燃油車(chē)省油30%，這是獲得兩級補貼最基本條件，性能較好的PHEV在CS階段可節油40%。

2.PHEV關(guān)鍵核心技術(shù)

2.1 混動(dòng)方案合理化設計

表5為國內外各主流混動(dòng)方案的對比分析， EDU代表上汽的雙電機、雙離合器、兩擋AMT的集成方案；PGS為行星排耦合方案；P系列根據電機位置進(jìn)行定義，P0和P1分別表示BSG和ISG方案，這兩種方案不能實(shí)現純電動(dòng)模式，不能用于PHEV；P2和P3分別表示電機集成于變速器的輸入和輸出端，P4表示電機集成于后橋的ERAD結構，P04表示前軸為P0方案、后軸為P4結構。三菱歐藍德更加復雜，前軸為P12、后軸為P4，組成了P124混動(dòng)架構。

由表5可知，可作為PHEV結構的各種方案均可實(shí)現30%以上的節油效果，相對于其他方案，電機與有級式自動(dòng)變速器方案比較適合于自主品牌，P2和P3方案更適用于自主品牌新能源轎車(chē)，P04可實(shí)現電子全時(shí)四驅功能、適用于SUV。

表5 各種混動(dòng)方案對比

2.2動(dòng)力系統集成化設計

前艙的總布置是乘用車(chē)混動(dòng)系統的難題之一，由于發(fā)動(dòng)機、離合器和變速器均集成于此，橫向尺寸非常吃緊、總布置上為ISG電機留出50mm的空間也比較難，所以很多方案放棄了效率較高的ISG方案，采用BSG方案解決總布置問(wèn)題。廣汽的GA5增程式混動(dòng)更是采用發(fā)動(dòng)機縱置方案，這種方案布置相對容易、但對于發(fā)動(dòng)機工作時(shí)NVH優(yōu)化提出了很大挑戰。對于發(fā)動(dòng)機頻繁啟停的插電式混動(dòng)而言、發(fā)動(dòng)機縱置可行性不大。

造成總布置困難的主要原因，就是總布置時(shí)采用簡(jiǎn)單的迭代累加方案，零部件越多、橫向尺寸越長(cháng)。

豐田等在集成化設計方向取得較大進(jìn)展，作為全球銷(xiāo)量即將邁入千萬(wàn)銷(xiāo)量的THS系統、仍在不斷探索混動(dòng)系統優(yōu)化設計問(wèn)題。最新的第四代THS驅動(dòng)電機MG2不再同軸，通過(guò)一個(gè)反轉從動(dòng)齒輪減速，并與行星齒輪組的齒圈結合?；谛碌凝X輪傳動(dòng)、新的電機和雙電機平行布置，結構更緊湊，重量更輕，而扭矩相差不大?？傞L(cháng)度比第三代縮小了47mm，零件數量和總重量分別降低20%和6.3%。

2.3 核心部件專(zhuān)用化設計

對于常用的P2或P3結構而言，可將減震系統或離合器集成到電機轉子內，縮短橫向尺寸。格特拉克等企業(yè)也在試驗將電機集成于DCT中的結構方式，根本上解決前艙總布置的空間尺寸難題。

近幾年純電動(dòng)汽車(chē)發(fā)展帶動(dòng)電驅動(dòng)技術(shù)的迅速提升，規模較大的主機廠(chǎng)均已掌握整車(chē)電控技術(shù)、已經(jīng)有廠(chǎng)家通過(guò)ISO26262的嚴格認證。電機和控制器技術(shù)可比肩世界先進(jìn)水平，配電箱和充電機等附件技術(shù)也取得較快發(fā)展。針對PHEV而言，發(fā)動(dòng)機和自動(dòng)變速器技術(shù)仍需加強，尤其是阿特金森循環(huán)發(fā)動(dòng)機和帶電動(dòng)油泵的自動(dòng)變速器。

2.3.1專(zhuān)用發(fā)動(dòng)機

與增程式混動(dòng)動(dòng)力相比，PHEV發(fā)動(dòng)機工作比較頻繁，在能量維持CS階段的啟停、助力、行車(chē)發(fā)電和串聯(lián)模式中，都需要發(fā)動(dòng)機參與驅動(dòng)、使電池 SOC維持在恒定值（例如20%）附近。即使在能量消耗CD階段，在油門(mén)踏板開(kāi)度較大的加速模式中，為了滿(mǎn)足車(chē)輛加速需求，仍需要發(fā)動(dòng)機助力驅動(dòng)，例如沃藍達在踏板開(kāi)度較大時(shí)，即使電池SOC較高，發(fā)動(dòng)機仍會(huì )立即參與驅動(dòng)。

由此可見(jiàn)，發(fā)動(dòng)機性能對插電式混合動(dòng)力性能影響較大，尤其是發(fā)動(dòng)機的熱效率直接影響著(zhù)CS階段和綜合油耗。

表6為當前市場(chǎng)上幾款代表性PHEV的發(fā)動(dòng)機，由表中可以看出，日美代表性車(chē)輛均裝配阿特金森循環(huán)特性的發(fā)動(dòng)機、重視車(chē)輛油耗，歐洲沿用了傳統汽車(chē)渦輪增壓方式、突出動(dòng)力性能。國內比亞迪秦和上汽榮威950與歐洲類(lèi)似，采用增壓發(fā)動(dòng)機。

表7為三款典型阿特金森循環(huán)發(fā)動(dòng)機的特性，熱效率均大于38%、甚至達到40%，比油耗小于等于220g/kWh；而渦輪增壓發(fā)動(dòng)機比油耗最小一般在240 g/kWh，從油耗角度性能不及阿特金森循環(huán)發(fā)動(dòng)機。

表7 阿特金森發(fā)動(dòng)機特性

田雅閣雙電機混動(dòng)車(chē)輛，重量達1.723噸，SOC平衡階段、即不充電情況下油耗僅為5.1L/100km；1.435噸的第三代普銳斯，油耗僅為4.7L/100km，第四代系統油耗更低；卡羅拉和雷凌普通混動(dòng)車(chē)輛油耗僅為4.2L/100km；取得如此低的油耗，熱效率高、比油耗低的阿特金森發(fā)動(dòng)機是主要原因之一。

國內宣傳綜合油耗為1.6L/100km的PHEV，按照GB/T 19753折算后，CS階段油耗在6.1L/100km以上，與國外差距較大。

因此，國內PHEV也應嘗試采用阿特金森循環(huán)發(fā)動(dòng)機，降低CS階段油耗，這樣即使不充電、也能達到節能降耗的目標。國內有些車(chē)企在2009年成功開(kāi)發(fā)了阿特金森循環(huán)發(fā)動(dòng)機，可見(jiàn)具備這方面研發(fā)能力，后續應加大該類(lèi)型發(fā)動(dòng)機的匹配和裝車(chē)力度。

2.3.2自動(dòng)變速器

國內自動(dòng)變速器技術(shù)發(fā)展嚴重滯后于整車(chē)技術(shù)的發(fā)展，即使是傳統車(chē)，除了奇瑞CVT和比亞迪DCT技術(shù)初具規模外，上汽DCT、青山DCT、北汽引進(jìn)CVT、容大CVT、盛瑞8AT、吉利前期引進(jìn)DSI的AT和華泰6AT技術(shù)取得了一定發(fā)展，但與國外先進(jìn)自動(dòng)變速技術(shù)相比差距很大，始終突破不了自動(dòng)變速器特有的機電液綜合難點(diǎn)技術(shù)。

插電式混合動(dòng)力由于具有純電動(dòng)等運行模式，對變速箱提出特殊要求、應做專(zhuān)用化設計，主要如表8中以下四點(diǎn)所示。

表8 PHEV變速器的專(zhuān)用設計

國內外主流PHEV采用的變速器類(lèi)型如下表所示，由此可知，各種變速器均有各自?xún)?yōu)點(diǎn)、都進(jìn)入了PHEV應用范疇，主機廠(chǎng)應根據在動(dòng)力系統方面的研發(fā)積累，選擇適用于自己PHEV的動(dòng)力系統。

表9 PHEV變速器類(lèi)型分析

自動(dòng)變速器是PHEV中動(dòng)力耦合和傳遞的重要一環(huán)，隨著(zhù)對PHEV的重視的大量研發(fā)投入，PHEV反過(guò)來(lái)會(huì )促進(jìn)自主自動(dòng)變速技術(shù)的發(fā)展。

2.4控制策略創(chuàng )新性設計

控制策略對PHEV在CS階段的油耗影響較大，控制目標就是在滿(mǎn)足動(dòng)力性需求前提下，使發(fā)動(dòng)機工作于高效區、同時(shí)盡量減少能量轉換次數，綜合降低油耗。

匹配DCT、AMT和AT等有級式自動(dòng)變速器的混動(dòng)系統是國內PHEV的主流，針對此類(lèi)控制系統，兩參數或三參數換擋規律，以及三線(xiàn)四區扭矩分配方法是當前主要采用的控制方法。相關(guān)控制方法的缺點(diǎn)是，兩參數或三參數換擋規律不適用于多動(dòng)力源的PHEV系統；在扭矩分配方面，通過(guò)電機助力或行車(chē)發(fā)電作用，使發(fā)動(dòng)機工作于最佳燃油經(jīng)濟性曲線(xiàn)或高效區，盡管提高了發(fā)動(dòng)機工作效率，但由于助力或發(fā)電時(shí)電能和機械能的連續轉換、導致電耗增加，車(chē)輛的綜合油耗沒(méi)有達到最優(yōu)、考慮并不全面。

作者自2001年開(kāi)始參與混合動(dòng)力科研項目，根據研究積累，分享基于電耗補償的換擋規律和扭矩分配策略。

2.4.1控制方法優(yōu)化

基于電耗補償的控制策略中，參考車(chē)速、需求扭矩和工作模式，確定出所有可能的擋位和扭矩分配組合，發(fā)動(dòng)機比油耗修正后最低組合對應的擋位和扭矩，即為發(fā)動(dòng)機和電機的控制指令。比油耗的修正是指根據電機功率大小，在發(fā)動(dòng)機比油耗數值基礎上疊加一個(gè)懲罰因子，體現出對電動(dòng)部件電耗的綜合考慮；同時(shí)該懲罰因子與發(fā)動(dòng)機輸出功率相關(guān)，電機功率一定的情況下，發(fā)動(dòng)機功率越小，懲罰因子越大，反之越小。圖3為換擋規律和扭矩分配控制流程框圖。

以7擋P2結構PHEV為例，對控制方法進(jìn)行舉例說(shuō)明。

圖4中曲線(xiàn)Ⅰ表示變速器處于1擋，發(fā)動(dòng)機運行于最佳燃油經(jīng)濟性曲線(xiàn)的轉速區間（800～6000 rpm）時(shí)，發(fā)動(dòng)機傳遞至車(chē)輪處的扭矩隨車(chē)速的變化關(guān)系。同理，曲線(xiàn)Ⅱ～Ⅶ分別表示2～7擋，發(fā)動(dòng)機傳遞至車(chē)輪的扭矩曲線(xiàn)。

假設車(chē)速為50km/h時(shí)，根據加速踏板和車(chē)速判斷，此時(shí)需求扭矩為2000Nm。由圖4可知， 2～6擋時(shí)、可使發(fā)動(dòng)機轉速處于800～6000 rpm之間，2～6擋時(shí)對應發(fā)動(dòng)機轉速為n2， n3， n4， n5和n6。n2～n6分別插值出在OEC曲線(xiàn)上對應扭矩，乘以各擋位速比、主減速器速比和傳動(dòng)效率，即可得到Te2， Te3， Te4， Te5和Te6，如圖中A， B， C， D和E所示。如果此時(shí)是行車(chē)助力模式， 由于A(yíng)點(diǎn)扭矩大于需求扭矩，此時(shí)電機輸出動(dòng)力時(shí)、發(fā)動(dòng)機工作點(diǎn)會(huì )遠離最佳經(jīng)濟性曲線(xiàn)，整車(chē)經(jīng)濟性反而不好，因此2擋時(shí)發(fā)動(dòng)機單獨提供需求扭矩、為 Te2，M輸出扭矩為0； 3～6擋發(fā)動(dòng)機最佳經(jīng)濟點(diǎn)扭矩小于需求扭矩，假如此時(shí)電池放電功率和電機輸出扭矩均可補償發(fā)動(dòng)機扭矩、使發(fā)動(dòng)機分別工作B～E點(diǎn)，計算出電機輸出扭矩 Tm3， Tm4， Tm5和Tm6。根據扭矩和轉速，可得到發(fā)動(dòng)機工作在B～E點(diǎn)時(shí)發(fā)動(dòng)機輸出功率Pe3， Pe4， Pe5和Pe6，以及電機輸出功率Pm3， Pm4， Pm5和Pm6。（n2， Te2）， （n3， Te3）， （n4， Te4）， （n5， Te5）和（n6， Te6）在發(fā)動(dòng)機萬(wàn)有特性對應比油耗分別為g2， g3， g4， g5和g6，發(fā)動(dòng)機萬(wàn)有特性數據應該考慮曲軸加速度、插值出的比油耗與實(shí)車(chē)一致。（Pe3， Pm3）， （Pe4， Pm4）， （Pe5， Pm5）和（Pe6， Pm6）插值出比油耗修正值△g3， △g4， △g5和△g6。油耗修正主要是考慮電耗的影響，在某一擋位時(shí)盡管發(fā)動(dòng)機比油耗最低，但此時(shí)如果電機輸出功率較大、導致電機和電池的損耗增加，從動(dòng)力系統角度未必是最優(yōu)經(jīng)濟性選擇。由于2擋時(shí)電機輸出功率為0、綜合比油耗為g2，3～6擋時(shí)綜合比油耗分別為g3+△g3， g4+△g4， g5+△g5和g6+△g6，綜合油耗最低擋位為確定的目標擋位，對應的發(fā)動(dòng)機和電機輸出扭矩是對應部件的目標扭矩。

如果此時(shí)是行車(chē)發(fā)電模式，2擋時(shí)發(fā)動(dòng)機工作在A(yíng)點(diǎn)對應扭矩、盈余動(dòng)力由電機發(fā)電給蓄電池充電；3～6擋時(shí)發(fā)動(dòng)機最佳扭矩小于需求扭矩，如果發(fā)動(dòng)機單獨驅動(dòng)滿(mǎn)足需求、純發(fā)動(dòng)機工況經(jīng)濟性較好；參考行車(chē)助力模式的判定步驟，即可確定出目標擋位和目標扭矩。

控制指令仲裁和輸出時(shí)應避免頻繁換擋，限定兩次相鄰換擋的最短時(shí)間（例如5s），輸出最終的擋位和扭矩指令。

其余工況與以上控制過(guò)程類(lèi)同。

2.4.2 分析結果驗證

以?xún)煞N典型的客車(chē)SUV為例，對各種策略性能進(jìn)行了分析計算，客車(chē)和SUV整備質(zhì)量分別為12噸和1.9噸。

在扭矩分配方面，三線(xiàn)四區和五線(xiàn)六區法得到廣泛應用，三線(xiàn)四區是指發(fā)動(dòng)機萬(wàn)有特性圖形由外特性、最佳燃油經(jīng)濟性和最小工作扭矩曲線(xiàn)分成四個(gè)工作區域；在最佳燃油經(jīng)濟性曲線(xiàn)上下各添加一條曲線(xiàn)，兩條曲線(xiàn)之間為純發(fā)動(dòng)機工作區域、稱(chēng)之為五線(xiàn)六區；

各種策略性能對比如表10所示，前面兩種是工程實(shí)際中最常用的“兩參數+三線(xiàn)四區”和“兩參數+五線(xiàn)六區”；第三和第四為基于功耗補償的控制方法，第三種方法表示懲罰因子均為0，第四種方法中懲罰因子按照實(shí)際參數設定。

表10 整車(chē)燃油經(jīng)濟性

第三和第四與第一和第二兩種方法相比，燃油經(jīng)濟性均得到了較大提高，證明從多種擋位和扭矩分配組合中選擇較好組合的合理性。第四種方法優(yōu)于第三種，證明利用懲罰因子修正發(fā)動(dòng)機比油耗的必要性?？傊?，與常用的第一和第二兩種方法相比，基于電耗補償的第四種方法在SUV上分別提高 6.60%和4.60%，客車(chē)上分別提高9.72%和9.32%，證明了新型控制方法的優(yōu)點(diǎn)。

3.總結

插電式混合動(dòng)力汽車(chē)可平衡補貼退坡、零部件價(jià)格和里程需求增加之間的矛盾，符合國家電動(dòng)化發(fā)展戰略需求，是對純電動(dòng)平臺技術(shù)的有益補充?；靹?dòng)方案合理化設計、動(dòng)力系統集成化設計、核心部件專(zhuān)用化設計和控制策略創(chuàng )新性設計是PHEV的關(guān)鍵核心技術(shù)，國內外在核心技術(shù)方面均處于發(fā)展探索階段，車(chē)企尤其自主品牌應加大核心技術(shù)研發(fā)投入，推動(dòng)PHEV核心技術(shù)快速發(fā)展。