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1、插电式混动核心技术解析2017-01-06插电式混合动力汽车（PHEV）综合了纯电动汽车（EV）和混合动力汽车（HEV）的优点，既可实现纯电动零排放行驶，也能通过混动模式增加车辆的续驶里程。在后补贴时期，政府补贴减少、消费者里程需求增加、电池成本降幅较小且车辆售价不能上涨，为 PHEV 提供了发展机遇。混动方案合理化、动力系统集成化、核心部件专用化和控制策略创新性设计是提升 PHEV 性能的关键核心技术。1.发展 PHEV 的原因1.1 PHEV 符合技术路线节能和新能源汽车技术路线图中规定，至 2020 年、乘用车新车平均油耗 5L/100km，至2025 年、乘用车新车平均油耗 4 L/1
2、00km。图 1 为传统车、HEV 和 PHEV 油耗随质量的变化趋势，随着整备质量增加，各车型的油耗均正比例上升。由图 1 可知，整备质量较大的 B 级车必须依靠 PHEV 技术才能将油耗控制在 5 或4L/100km 以内，与“以紧凑型及以上车型规模化发展插电式混合动力乘用车为主”技术路线保持一致。图 1 车辆油耗与整车质量变化关系1.2 两级补贴大幅退坡按照既定的退坡方案，250 公里以上车型两级补贴在北京和天津分别下降 2.2 和 2.75 万。从整车成本方面考虑，零部件成本下降是解决补贴退坡最直接途径，但难度较大。表 1 补贴退坡统计纯电动插电混动退坡价格100150km150250
3、km250km 以上50km 以上国补退坡（万元）0.50.91.10.6北京退坡（万元）0.50.91.10.6天津退坡（万元）0.751.351.650.91.3 零部件价格无大幅下降可能理论上零部件价格下降可减少补贴退坡的压力。但近期由于铜材等价格上扬，零部件价格在2017 年上半年只能维持现有状态、小幅波动，无大幅下降可能。因此，近期通过零部件降本平衡补贴退坡可能性不大。1.4 续驶里程持续增加表 3 为热销车型续驶里程的统计情况，续驶里程需求持续增加。里程增加，除了轻量化和再生制动优化外，最直接方式就是增大电池容量，电量增加导致整车成本上升。表 3 热销车型续驶里程统计热销车型北汽
4、EU260帝豪 EV比亚迪 EV300华泰 XEV260260km253km300km266km1.5 PHEV 可平衡各种制约因素PHEV 可平衡补贴退坡、零部件价格和里程增加之间的矛盾。 PHEV 的混动模式可解决纯电动里程问题；电池电量小，批量后可解决电量增加的成本问题；电池成本所占比例减少，对电池成本的敏感度降低。表 4 PHEV 综合优势轿车SUV电池 916kWh电池 1318kWhPHEV 的混动模式可解决纯电动里程问题电池电量小，批量后可解决电量增加的成本问题电池成本所占比例减少，对电池成本的敏感度降低PHEV 可规避纯电动“怕热怕冷”环境适应性问题PHEV 在国内推广阻力之一
5、，就是认为在不充电的情况下、即进入能量维持 CS 阶段后，此时车辆与传统车无异，给出了“95%以上的车主都在以传统汽油车的模式运行插电混动车，建议取消插电混动的特定补贴”的建议，作者发表了“插电式混合动力纯电动强混纯电动+传统车”，解释了不充电情况下 PHEV 仍省油的原理。不充电情况下，PHEV 比同等重量燃油车省油 30%，这是获得两级补贴最基本条件，性能较好的 PHEV 在 CS 阶段可节油 40%。2.PHEV 关键核心技术2.1 混动方案合理化设计表 5 为国内外各主流混动方案的对比分析， EDU 代表上汽的双电机、双离合器、两挡 AMT的集成方案；PGS 为行星排耦合方案；P 系列
6、根据电机位置进行定义，P0 和 P1 分别表示 BSG 和ISG 方案，这两种方案不能实现纯电动模式，不能用于 PHEV；P2 和 P3 分别表示电机集成于变速器的输入和输出端，P4 表示电机集成于后桥的 ERAD 结构，P04 表示前轴为 P0 方案、后轴为 P4结构。三菱欧蓝德更加复杂，前轴为 P12、后轴为 P4，组成了 P124 混动架构。由表 5 可知，可作为 PHEV 结构的各种方案均可实现 30%以上的节油效果，相对于其他方案，电机与有级式自动变速器方案比较适合于自主品牌，P2 和 P3 方案更适用于自主品牌新能源轿车，P04 可实现电子全时四驱功能、适用于 SUV。表 5 各种
7、混动方案对比2.2 动力系统集成化设计前舱的总布置是乘用车混动系统的难题之一，由于发动机、离合器和变速器均集成于此，横向尺寸非常吃紧、总布置上为 ISG 电机留出 50mm 的空间也比较难，所以很多方案放弃了效率较高的 ISG 方案，采用 BSG 方案解决总布置问题。广汽的 GA5 增程式混动更是采用发动机纵置方案，这种方案布置相对容易、但对于发动机工作时 NVH 优化提出了很大挑战。对于发动机频繁启停的插电式混动而言、发动机纵置可行性不大。造成总布置困难的主要原因，就是总布置时采用简单的迭代累加方案，零部件越多、横向尺寸越长。丰田等在集成化设计方向取得较大进展，作为全球销量即将迈入千万销量的
8、 THS 系统、仍在不断探索混动系统优化设计问题。最新的第四代 THS 驱动电机 MG2 不再同轴，通过一个反转从动齿轮减速，并与行星齿轮组的齿圈结合。基于新的齿轮传动、新的电机和双电机平行布置，结构更紧凑，重量更轻，而扭矩相差不大。总长度比第三代缩小了 47mm，零件数量和总重量分别降低 20%和 6.3%。对于常用的 P2 或 P3 结构而言，可将减震系统或离合器集成到电机转子内，缩短横向尺寸。格特拉克等企业也在试验将电机集成于 DCT 中的结构方式，根本上解决前舱总布置的空间尺寸难题。2.3 核心部件专用化设计近几年纯电动汽车发展带动电驱动技术的迅速提升，规模较大的主机厂均已掌握整车电控
9、技术、已经有厂家通过 ISO26262 的严格认证。电机和控制器技术可比肩世界先进水平，配电箱和充电机等附件技术也取得较快发展。针对 PHEV 而言，发动机和自动变速器技术仍需加强，尤其是阿特金森循环发动机和带电动油泵的自动变速器。2.3.1 专用发动机与增程式混动动力相比，PHEV 发动机工作比较频繁，在能量维持 CS 阶段的启停、助力、行车发电和串联模式中，都需要发动机参与驱动、使电池 SOC 维持在恒定值（例如 20%）附近。即使在能量消耗 CD 阶段，在油门踏板开度较大的加速模式中，为了满足车辆加速需求，仍需要发动机助力驱动，例如沃蓝达在踏板开度较大时，即使电池 SOC 较高，发动机仍
10、会立即参与驱动。由此可见，发动机性能对插电式混合动力性能影响较大，尤其是发动机的热效率直接影响着CS 阶段和综合油耗。表 6 为当前市场上几款代表性 PHEV 的发动机，由表中可以看出，日美代表性车辆均装配阿特金森循环特性的发动机、重视车辆油耗，欧洲沿用了传统汽车涡轮增压方式、突出动力性能。国内比亚迪秦和上汽荣威 950 与欧洲类似，采用增压发动机。表 7 为三款典型阿特金森循环发动机的特性，热效率均大于 38%、甚至达到 40%，比油耗小于等于 220g/kWh；而涡轮增压发动机比油耗最小一般在 240 g/kWh，从油耗角度性能不及阿特金森循环发动机。表 7 阿特金森发动机特性发动机厂商发
11、动机热效率比油耗本田 i-MMD 混系统38.9%丰田普锐斯第四代40%小于等于 220g/kWh丰田普锐斯第三代38.5%田雅阁双电机混动车辆，重量达 1.723 吨，SOC 平衡阶段、即不充电情况下油耗仅为5.1L/100km；1.435 吨的第三代普锐斯，油耗仅为 4.7L/100km，第四代系统油耗更低；卡罗拉和雷凌普通混动车辆油耗仅为 4.2L/100km；取得如此低的油耗，热效率高、比油耗低的阿特金森发动机是主要原因之一。国内宣传综合油耗为 1.6L/100km 的 PHEV，按照 GB/T 19753 折算后，CS 阶段油耗在6.1L/100km 以上，与国外差距较大。因此，国内
12、 PHEV 也应尝试采用阿特金森循环发动机，降低 CS 阶段油耗，这样即使不充电、也能达到节能降耗的目标。国内有些车企在 2009 年成功开发了阿特金森循环发动机，可见具备这方面研发能力，后续应加大该类型发动机的匹配和装车力度，2.3.2 自动变速器国内自动变速器技术发展严重滞后于整车技术的发展，即使是传统车，除了奇瑞 CVT 和比亚迪 DCT 技术初具规模外，上汽 DCT、青山 DCT、北汽引进 CVT、容大 CVT、盛瑞 8AT、吉利前期引进 DSI 的 AT 和华泰 6AT 技术取得了一定发展，但与国外先进自动变速技术相比差距很大，始终突破不了自动变速器特有的机电液综合难点技术。插电式混
13、合动力由于具有纯电动等运行模式，对变速箱提出特殊要求、应做专用化设计，主要如表 8 中以下四点所示。表 8 PHEV 变速器的专用设计功能功能解释支持纯电动功能变速箱需要匹配电动油泵，确保纯电动模式下润滑和冷却；如果没有电动油泵，只能控制发动机保持怠速、为变速器提供润滑和散热的动力，但会导致油耗和排放增加。支持启停功能有启停电机装置，变速箱端通过离合器或空挡设置，保持发动机与动力系统分离、快速启停；无启停装置，通过离合器滑磨、利用惯性启动发动机的车辆，离合器需做强化设计，确保寿命。换挡器解耦换档器与实际挡位输入解耦，变速器杆位和挡位，需经整车控制器根据车速、实际挡位输入及发动机转速等条件，综合
14、判别后确定。输入扭矩增加电机置于变速器输入端的结构，由于电机和发动机扭矩叠加增大，变速器轴承等部件需要强化设计；承受扭矩较小时，可将电机置于变速器输出端，电机动力与变速器输出动力进行耦合。国内外主流 PHEV 采用的变速器类型如下表所示，由此可知，各种变速器均有各自优点、都进入了 PHEV 应用范畴，主机厂应根据在动力系统方面的研发积累，选择适用于自己 PHEV 的动力系统。表 9 PHEV 变速器类型分析变速器厂商备注比亚迪秦6 挡DCT长城2017 年上市大众高尔夫 GTE6 挡CVT奇瑞艾瑞泽 7自主开发PSA30086 挡，PHEV2019 年上市AMT上汽2 挡沃尔沃 S608 挡A
15、T宝马 X16 挡丰田普锐斯单行星轮系通用沃蓝达单行星轮系行星排吉利 CHS双行星轮系本田 i-MMD双电机离合器耦合三菱欧蓝德四驱结构自动变速器是 PHEV 中动力耦合和传递的重要一环，随着对 PHEV 的重视的大量研发投入，PHEV 反过来会促进自主自动变速技术的发展。2.4 控制策略创新性设计控制策略对 PHEV 在 CS 阶段的油耗影响较大，控制目标就是在满足动力性需求前提下，使发动机工作于高效区、同时尽量减少能量转换次数，综合降低油耗。匹配 DCT、AMT 和 AT 等有级式自动变速器的混动系统是国内 PHEV 的主流，针对此类控制系统，两参数或三参数换挡规律，以及三线四区扭矩分配方
16、法是当前主要采用的控制方法。相关控制方法的缺点是，两参数或三参数换挡规律不适用于多动力源的 PHEV 系统；在扭矩分配方面，通过电机助力或行车发电作用，使发动机工作于最佳燃油经济性曲线或高效区，尽管提高了发动机工作效率，但由于助力或发电时电能和机械能的连续转换、导致电耗增加，车辆的综合油耗没有达到最优、考虑并不全面。作者自 2001 年开始参与混合动力科研项目，根据研究积累，分享基于电耗补偿的换挡规律和扭矩分配策略。2.4.1 控制方法优化基于电耗补偿的控制策略中，参考车速、需求扭矩和工作模式，确定出所有可能的挡位和扭矩分配组合，发动机比油耗修正后最低组合对应的挡位和扭矩，即为发动机和电机的控制指令。比油耗的修正是指根据电机功率大小，在发动机比油耗数值基础上叠加一个惩罚因子，体现出对电动部件电耗的综合考虑；同时该惩罚因子与发动机输出功率相关，电机功率一定的情况下，发动机功率越小，惩罚因子越大，反之越小。图 3 为换挡规律和扭矩分配控制流程框图。以 7 挡 P2 结构 PHEV 为例，对控制方法进行举例说明。图 4 中曲线表示变速器处于 1 挡，发动机运行于最佳燃油经济性
