插電式混動核心技術(shù)解析

插電式混動核心技術(shù)解析2017-01-06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?；靹臃桨负侠砘恿ο到y(tǒng)集成化、核心部件專用化和控制策略創(chuàng)新性設(shè)計是提升PHEV性能的關(guān)鍵核心技術(shù)。1.發(fā)展PHEV的原因1.1PHEV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4L/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)模化發(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)計退坡價格純電動插電混動100~150km150~250km250km以上50km以上國補退坡（萬元）0.50.91.10.6北京退坡（萬元）0.50.91.10.6天津退坡（萬元）0.751.351.650.91.3零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(dǎo)致整車成本上升。表3熱銷車型續(xù)駛里程統(tǒng)計熱銷車型北汽EU260帝豪EV比亞迪EV300華泰XEV260260km253km300km266km1.5PHEV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4PHEV綜合優(yōu)勢轎車SUV電池9~16kWh電池13~18kWhPHEV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PHEV可規(guī)避純電動“怕熱怕冷”環(huán)境適應(yīng)性問題PHEV在國內(nèi)推廣阻力之一，就是認(rèn)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(shè)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(fù)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(shè)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(shè)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(shè)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?；谛碌凝X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。總長度比第三代縮小了47mm，零件數(shù)量和總重量分別降低20%和6.3%。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。2.3核心部件專用化設(shè)計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(yán)格認(rèn)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(dāng)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240g/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)動機特性發(fā)動機廠商發(fā)動機熱效率比油耗本田i-MMD混系統(tǒng)38.9%小于等于220g/kWh豐田普銳斯第四代40%豐田普銳斯第三代38.5%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/T19753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(yīng)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(biāo)。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(yīng)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(yán)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(yīng)做專用化設(shè)計，主要如表8中以下四點所示。表8PHEV變速器的專用設(shè)計功能功能解釋支持純電動功能變速箱需要匹配電動油泵，確保純電動模式下潤滑和冷卻；如果沒有電動油泵，只能控制發(fā)動機保持怠速、為變速器提供潤滑和散熱的動力，但會導(dǎo)致油耗和排放增加。支持啟停功能有啟停電機裝置，變速箱端通過離合器或空擋設(shè)置，保持發(fā)動機與動力系統(tǒng)分離、快速啟停；無啟停裝置，通過離合器滑磨、利用慣性啟動發(fā)動機的車輛，離合器需做強化設(shè)計，確保壽命。換擋器解耦換檔器與實際擋位輸入解耦，變速器桿位和擋位，需經(jīng)整車控制器根據(jù)車速、實際擋位輸入及發(fā)動機轉(zhuǎn)速等條件，綜合判別后確定。輸入扭矩增加電機置于變速器輸入端的結(jié)構(gòu)，由于電機和發(fā)動機扭矩疊加增大，變速器軸承等部件需要強化設(shè)計；承受扭矩較小時，可將電機置于變速器輸出端，電機動力與變速器輸出動力進行耦合。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(yīng)用范疇，主機廠應(yīng)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9PHEV變速器類型分析變速器廠商備注DCT比亞迪秦6擋長城2017年上市大眾高爾夫GTE6擋CVT奇瑞艾瑞澤7自主開發(fā)AMTPSA30086擋，PHEV2019年上市上汽2擋AT沃爾沃S608擋寶馬X16擋行星排豐田普銳斯單行星輪系通用沃藍達單行星輪系吉利CHS雙行星輪系離合器耦合本田i-MMD雙電機三菱歐藍德四驅(qū)結(jié)構(gòu)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(shè)計控制策略對PHEV在CS階段的油耗影響較大，控制目標(biāo)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(dāng)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(dǎo)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(yīng)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(chǔ)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（800～6000rpm）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(shè)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800～6000rpm之間，2～6擋時對應(yīng)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(yīng)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(yīng)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(yīng)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(dǎo)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(biāo)擋位，對應(yīng)的發(fā)動機和電機輸出扭矩是對應(yīng)部件的目標(biāo)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(yīng)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(biāo)擋位和目標(biāo)扭矩。控制指令仲裁和輸出時應(yīng)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(yīng)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