插電式混動核心技術(shù)解析

插電式混合動力汽車（PHEV）綜合了純電動汽車（EV）和混合動力汽車（HEV）的優(yōu)點，既可實現(xiàn)純電動零排放行駛，也能通過混動模式增加車輛的續(xù)駛里程。在后補貼時期，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輛售價不能上漲，為PHEV提供了發(fā)展機遇。混動方案合理化、動力系統(tǒng)集成化、核心部件專用化和控制策略創(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

節(jié)能和新能源汽車技術(shù)路線圖中規(guī)定，至2020年、乘用車新車平均油耗5L/100km，至2025年、乘用車新車平均油耗4 L/100km。

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

圖1 車輛油耗與整車質(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公里以上車型兩級補貼在北京和天津分別下降2.2和2.75萬。從整車成本方面考慮，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(tǒng)計

1.3零部件價格無大幅下降可能

理論上零部件價格下降可減少補貼退坡的壓力。但近期由于銅材等價格上揚，零部件價格在2017年上半年只能維持現(xiàn)有狀態(tài)、小幅波動，無大幅下降可能。因此，近期通過零部件降本平衡補貼退坡可能性不大。

1.4續(xù)駛里程持續(xù)增加

表3為熱銷車型續(xù)駛里程的統(tǒng)計情況，續(xù)駛里程需求持續(xù)增加。里程增加，除了輕量化和再生制動優(yōu)化外，最直接方式就是增大電池容量，電量增加導致整車成本上升。

表3 熱銷車型續(xù)駛里程統(tǒng)計

1.5 PHEV可平衡各種制約因素

PHEV可平衡補貼退坡、零部件價格和里程增加之間的矛盾。 PHEV的混動模式可解決純電動里程問題；電池電量小，批量后可解決電量增加的成本問題；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(nèi)推廣阻力之一，就是認為在不充電的情況下、即進入能量維持CS階段后，此時車輛與傳統(tǒng)車無異，給出了“95%以上的車主都在以傳統(tǒng)汽油車的模式運行插電混動車，建議取消插電混動的特定補貼”的建議，作者發(fā)表了“插電式混合動力＝純電動＋強混≠純電動+傳統(tǒng)車”，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(jié)油40%。

2.PHEV關(guān)鍵核心技術(shù)

2.1 混動方案合理化設計

表5為國內(nèi)外各主流混動方案的對比分析， 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(jù)電機位置進行定義，P0和P1分別表示BSG和ISG方案，這兩種方案不能實現(xiàn)純電動模式，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(jié)構(gòu)，P04表示前軸為P0方案、后軸為P4結(jié)構(gòu)。三菱歐藍德更加復雜，前軸為P12、后軸為P4，組成了P124混動架構(gòu)。

由表5可知，可作為PHEV結(jié)構(gòu)的各種方案均可實現(xiàn)30%以上的節(jié)油效果，相對于其他方案，電機與有級式自動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，P04可實現(xiàn)電子全時四驅(qū)功能、適用于SUV。

表5 各種混動方案對比

2.2動力系統(tǒng)集成化設計

前艙的總布置是乘用車混動系統(tǒng)的難題之一，由于發(fā)動機、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方案解決總布置問題。廣汽的GA5增程式混動更是采用發(fā)動機縱置方案，這種方案布置相對容易、但對于發(fā)動機工作時NVH優(yōu)化提出了很大挑戰(zhàn)。對于發(fā)動機頻繁啟停的插電式混動而言、發(fā)動機縱置可行性不大。

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

豐田等在集成化設計方向取得較大進展，作為全球銷量即將邁入千萬銷量的THS系統(tǒng)、仍在不斷探索混動系統(tǒng)優(yōu)化設計問題。最新的第四代THS驅(qū)動電機MG2不再同軸，通過一個反轉(zhuǎn)從動齒輪減速，并與行星齒輪組的齒圈結(jié)合。基于新的齒輪傳動、新的電機和雙電機平行布置，結(jié)構(gòu)更緊湊，重量更輕，而扭矩相差不大?？傞L度比第三代縮小了47mm，零件數(shù)量和總重量分別降低20%和6.3%。

2.3 核心部件專用化設計

對于常用的P2或P3結(jié)構(gòu)而言，可將減震系統(tǒng)或離合器集成到電機轉(zhuǎn)子內(nèi)，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(jié)構(gòu)方式，根本上解決前艙總布置的空間尺寸難題。

近幾年純電動汽車發(fā)展帶動電驅(qū)動技術(shù)的迅速提升，規(guī)模較大的主機廠均已掌握整車電控技術(shù)、已經(jīng)有廠家通過ISO26262的嚴格認證。電機和控制器技術(shù)可比肩世界先進水平，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)動機和自動變速器技術(shù)仍需加強，尤其是阿特金森循環(huán)發(fā)動機和帶電動油泵的自動變速器。

2.3.1專用發(fā)動機

與增程式混動動力相比，PHEV發(fā)動機工作比較頻繁，在能量維持CS階段的啟停、助力、行車發(fā)電和串聯(lián)模式中，都需要發(fā)動機參與驅(qū)動、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，在油門踏板開度較大的加速模式中，為了滿足車輛加速需求，仍需要發(fā)動機助力驅(qū)動，例如沃藍達在踏板開度較大時，即使電池SOC較高，發(fā)動機仍會立即參與驅(qū)動。

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

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

表7為三款典型阿特金森循環(huán)發(fā)動機的特性，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)動機。

表7 阿特金森發(fā)動機特性

田雅閣雙電機混動車輛，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(tǒng)油耗更低；卡羅拉和雷凌普通混動車輛油耗僅為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)動機是主要原因之一。

國內(nèi)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(nèi)PHEV也應嘗試采用阿特金森循環(huán)發(fā)動機，降低CS階段油耗，這樣即使不充電、也能達到節(jié)能降耗的目標。國內(nèi)有些車企在2009年成功開發(fā)了阿特金森循環(huán)發(fā)動機，可見具備這方面研發(fā)能力，后續(xù)應加大該類型發(fā)動機的匹配和裝車力度。

2.3.2自動變速器

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

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

表8 PHEV變速器的專用設計

國內(nèi)外主流PHEV采用的變速器類型如下表所示，由此可知，各種變速器均有各自優(yōu)點、都進入了PHEV應用范疇，主機廠應根據(jù)在動力系統(tǒng)方面的研發(fā)積累，選擇適用于自己PHEV的動力系統(tǒng)。

表9 PHEV變速器類型分析

自動變速器是PHEV中動力耦合和傳遞的重要一環(huán)，隨著對PHEV的重視的大量研發(fā)投入，PHEV反過來會促進自主自動變速技術(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，控制目標就是在滿足動力性需求前提下，使發(fā)動機工作于高效區(qū)、同時盡量減少能量轉(zhuǎn)換次數(shù)，綜合降低油耗。

匹配DCT、AMT和AT等有級式自動變速器的混動系統(tǒng)是國內(nèi)PHEV的主流，針對此類控制系統(tǒng)，兩參數(shù)或三參數(shù)換擋規(guī)律，以及三線四區(qū)扭矩分配方法是當前主要采用的控制方法。相關(guān)控制方法的缺點是，兩參數(shù)或三參數(shù)換擋規(guī)律不適用于多動力源的PHEV系統(tǒng)；在扭矩分配方面，通過電機助力或行車發(fā)電作用，使發(fā)動機工作于最佳燃油經(jīng)濟性曲線或高效區(qū)，盡管提高了發(fā)動機工作效率，但由于助力或發(fā)電時電能和機械能的連續(xù)轉(zhuǎn)換、導致電耗增加，車輛的綜合油耗沒有達到最優(yōu)、考慮并不全面。

作者自2001年開始參與混合動力科研項目，根據(jù)研究積累，分享基于電耗補償?shù)膿Q擋規(guī)律和扭矩分配策略。

2.4.1控制方法優(yōu)化

基于電耗補償?shù)目刂撇呗灾?，參考車速、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)動機比油耗修正后最低組合對應的擋位和扭矩，即為發(fā)動機和電機的控制指令。比油耗的修正是指根據(jù)電機功率大小，在發(fā)動機比油耗數(shù)值基礎上疊加一個懲罰因子，體現(xiàn)出對電動部件電耗的綜合考慮；同時該懲罰因子與發(fā)動機輸出功率相關(guān)，電機功率一定的情況下，發(fā)動機功率越小，懲罰因子越大，反之越小。圖3為換擋規(guī)律和扭矩分配控制流程框圖。

以7擋P2結(jié)構(gòu)PHEV為例，對控制方法進行舉例說明。

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

假設車速為50km/h時，根據(jù)加速踏板和車速判斷，此時需求扭矩為2000Nm。由圖4可知， 2～6擋時、可使發(fā)動機轉(zhuǎn)速處于800～6000 rpm之間，2～6擋時對應發(fā)動機轉(zhuǎn)速為n2， n3， n4， n5和n6。n2～n6分別插值出在OEC曲線上對應扭矩，乘以各擋位速比、主減速器速比和傳動效率，即可得到Te2， Te3， Te4， Te5和Te6，如圖中A， B， C， D和E所示。如果此時是行車助力模式， 由于A點扭矩大于需求扭矩，此時電機輸出動力時、發(fā)動機工作點會遠離最佳經(jīng)濟性曲線，整車經(jīng)濟性反而不好，因此2擋時發(fā)動機單獨提供需求扭矩、為 Te2，M輸出扭矩為0； 3～6擋發(fā)動機最佳經(jīng)濟點扭矩小于需求扭矩，假如此時電池放電功率和電機輸出扭矩均可補償發(fā)動機扭矩、使發(fā)動機分別工作B～E點，計算出電機輸出扭矩 Tm3， Tm4， Tm5和Tm6。根據(jù)扭矩和轉(zhuǎn)速，可得到發(fā)動機工作在B～E點時發(fā)動機輸出功率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)動機萬有特性對應比油耗分別為g2， g3， g4， g5和g6，發(fā)動機萬有特性數(shù)據(jù)應該考慮曲軸加速度、插值出的比油耗與實車一致。（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，在某一擋位時盡管發(fā)動機比油耗最低，但此時如果電機輸出功率較大、導致電機和電池的損耗增加，從動力系統(tǒng)角度未必是最優(yōu)經(jīng)濟性選擇。由于2擋時電機輸出功率為0、綜合比油耗為g2，3～6擋時綜合比油耗分別為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)動機和電機輸出扭矩是對應部件的目標扭矩。

如果此時是行車發(fā)電模式，2擋時發(fā)動機工作在A點對應扭矩、盈余動力由電機發(fā)電給蓄電池充電；3～6擋時發(fā)動機最佳扭矩小于需求扭矩，如果發(fā)動機單獨驅(qū)動滿足需求、純發(fā)動機工況經(jīng)濟性較好；參考行車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應避免頻繁換擋，限定兩次相鄰換擋的最短時間（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程類同。

2.4.2 分析結(jié)果驗證

以兩種典型的客車SUV為例，對各種策略性能進行了分析計算，客車和SUV整備質(zhì)量分別為12噸和1.9噸。

在扭矩分配方面，三線四區(qū)和五線六區(qū)法得到廣泛應用，三線四區(qū)是指發(fā)動機萬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分成四個工作區(qū)域；在最佳燃油經(jīng)濟性曲線上下各添加一條曲線，兩條曲線之間為純發(fā)動機工作區(qū)域、稱之為五線六區(qū)；

各種策略性能對比如表10所示，前面兩種是工程實際中最常用的“兩參數(shù)+三線四區(qū)”和“兩參數(shù)+五線六區(qū)”；第三和第四為基于功耗補償?shù)目刂品椒ǎ谌N方法表示懲罰因子均為0，第四種方法中懲罰因子按照實際參數(shù)設定。

表10 整車燃油經(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?shù)牡谒姆N方法在SUV上分別提高 6.60%和4.60%，客車上分別提高9.72%和9.32%，證明了新型控制方法的優(yōu)點。

3.總結(jié)

插電式混合動力汽車可平衡補貼退坡、零部件價格和里程需求增加之間的矛盾，符合國家電動化發(fā)展戰(zhàn)略需求，是對純電動平臺技術(shù)的有益補充?；靹臃桨负侠砘O計、動力系統(tǒng)集成化設計、核心部件專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(nèi)外在核心技術(shù)方面均處于發(fā)展探索階段，車企尤其自主品牌應加大核心技術(shù)研發(fā)投入，推動PHEV核心技術(shù)快速發(fā)展。