插电式混动核心技术解析：零部件价格和里程需求增加之矛盾

　　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/100km。

　　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

　　

　　1.3零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

　　

　　1.5 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

　　

　　PHEV在国内推广阻力之一，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%。

　　

　　2.3 核心部件专用化设计

　　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。

　　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

　　

　　本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

　　

　　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

　　

　　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Ⅰ表示变速器处于1挡，发动机运行于最佳燃油经济性曲线的转速区间（800～6000 rpm）时，发动机传递至车轮处的扭矩随车速的变化关系。同理，曲线Ⅱ～Ⅶ分别表示2～7挡，发动机传递至车轮的扭矩曲线。

　　假设车速为50km/h时，根据加速踏板和车速判断，此时需求扭矩为2000Nm。由图4可知， 2～6挡时、可使发动机转速处于800～6000 rpm之间，2～6挡时对应发动机转速为n2， n3， n4， n5和n6。n2～n6分别插值出在OEC曲线上对应扭矩，乘以各挡位速比、主减速器速比和传动效率，即可得到Te2， Te3， Te4， Te5和Te6，如图中A， B， C， D和E所示。如果此时是行车助力模式， 由于A点扭矩大于需求扭矩，此时电机输出动力时、发动机工作点会远离最佳经济性曲线，整车经济性反而不好，因此2挡时发动机单独提供需求扭矩、为Te2，M输出扭矩为0； 3～6挡发动机最佳经济点扭矩小于需求扭矩，假如此时电池放电功率和电机输出扭矩均可补偿发动机扭矩、使发动机分别工作B～E点，计算出电机输出扭矩Tm3， Tm4， Tm5和Tm6。根据扭矩和转速，可得到发动机工作在B～E点时发动机输出功率Pe3， Pe4， Pe5和Pe6，以及电机输出功率Pm3， Pm4， Pm5和Pm6。（n2， Te2）， （n3， Te3）， （n4， Te4）， （n5， Te5）和（n6， Te6）在发动机万有特性对应比油耗分别为g2， g3， g4， g5和g6，发动机万有特性数据应该考虑曲轴加速度、插值出的比油耗与实车一致。（Pe3， Pm3）， （Pe4， Pm4）， （Pe5， Pm5）和（Pe6， Pm6）插值出比油耗修正值△g3， △g4， △g5和△g6。油耗修正主要是考虑电耗的影响，在某一挡位时尽管发动机比油耗最低，但此时如果电机输出功率较大、导致电机和电池的损耗增加，从动力系统角度未必是最优经济性选择。由于2挡时电机输出功率为0、综合比油耗为g2，3～6挡时综合比油耗分别为g3+△g3， g4+△g4， g5+△g5和g6+△g6，综合油耗最低挡位为确定的目标挡位，对应的发动机和电机输出扭矩是对应部件的目标扭矩。

　　如果此时是行车发电模式，2挡时发动机工作在A点对应扭矩、盈余动力由电机发电给蓄电池充电；3～6挡时发动机最佳扭矩小于需求扭矩，如果发动机单独驱动满足需求、纯发动机工况经济性较好；参考行车助力模式的判定步骤，即可确定出目标挡位和目标扭矩。

　　控制指令仲裁和输出时应避免频繁换挡，限定两次相邻换挡的最短时间（例如5s），输出最终的挡位和扭矩指令。

　　其余工况与以上控制过程类同。

　　2.4.2 分析结果验证

　　以两种典型的客车SUV为例，对各种策略性能进行了分析计算，客车和SUV整备质量分别为12吨和1.9吨。

　　在扭矩分配方面，三线四区和五线六区法得到广泛应用，三线四区是指发动机万有特性图形由外特性、最佳燃油经济性和最小工作扭矩曲线分成四个工作区域；在最佳燃油经济性曲线上下各添加一条曲线，两条曲线之间为纯发动机工作区域、称之为五线六区；

　　各种策略性能对比如表10所示，前面两种是工程实际中最常用的“两参数+三线四区”和“两参数+五线六区”；第三和第四为基于功耗补偿的控制方法，第三种方法表示惩罚因子均为0，第四种方法中惩罚因子按照实际参数设定。

　　表10 整车燃油经济性

　　

　　第三和第四与第一和第二两种方法相比，燃油经济性均得到了较大提高，证明从多种挡位和扭矩分配组合中选择较好组合的合理性。第四种方法优于第三种，证明利用惩罚因子修正发动机比油耗的必要性。总之，与常用的第一和第二两种方法相比，基于电耗补偿的第四种方法在SUV上分别提高6.60%和4.60%，客车上分别提高9.72%和9.32%，证明了新型控制方法的优点。

　　3.总结

　　插电式混合动力汽车可平衡补贴退坡、零部件价格和里程需求增加之间的矛盾，符合国家电动化发展战略需求，是对纯电动平台技术的有益补充。混动方案合理化设计、动力系统集成化设计、核心部件专用化设计和控制策略创新性设计是PHEV的关键核心技术，国内外在核心技术方面均处于发展探索阶段，车企尤其自主品牌应加大核心技术研发投入，推动PHEV核心技术快速发展。