新能源插电式混合动力汽车馈电时控制逻辑的分析与驾驶体验优化

陈新腾

摘 要：時代的发展使得环境污染问题愈发严重，机动车成为排放污染物的重要贡献者。因此，发展新能源汽车具有很强的战略性必要性。常见的混合动力汽车可粗略分为两大类：HEV 普通型混合动力汽车;PHEV 插电式混合动力汽车。前者的代表性车型为：丰田普锐斯、一汽丰田卡罗拉双擎。后者的代表车型为：比亚迪秦、荣威Ei6等国产车型。特殊车型为传祺GA5插电增程式电动车。本文重点介绍PHEV插电式混合动力汽车根据不同混动架构，在馈电时对驾驶质感以及能耗的影响做出分析、以及探讨可采取对应结构的改进方法及手段的可行性分析。PHEV插电式混合动力汽车馈电驾驶质感以及能耗的改变最终通过P0位置加装BSG电机或者P1位置加装ISG电机（适用于P3结构混合动力车型、代表车型比亚迪秦）、采用能量分流的混动架构（例如一汽丰田卡罗拉双擎）以及双电机增程式架构（例如传祺GS4 GA5新能源 前轴发动机带动发电机发电 输出动力的任务完全交给大功率的独立电机）等。通过该方式使得在馈电状态时，发动机与传动系脱藕，于最佳经济转速只用于发电。从而使能量得到最合理的利用、实现馈电油耗低、以及馈电行驶质感提升的目的。

关键词：插电式混合动力 PHEV 新能源 混合动力架构 HEV 机动车污染

Analysis of Control Logic and Optimization of Driving Experience when New Energy Plug-in Hybrid Electric Vehicles are Fed

——Analysis of the Relationship between Different Hybrid Architectures and Driving Experience and Energy Consumption

Chen Xinteng

Abstract：The development of the times has made environmental pollution more serious， and motor vehicles have become an important contributor to pollutants emission. Therefore， the development of new energy vehicles has a strong strategic necessity. Common hybrid vehicles can be roughly divided into two categories： HEV ordinary hybrid vehicles; PHEV plug-in hybrid vehicles. Representative models of the former are： Toyota Prius， FAW Toyota Corolla Double Engine. The latter's representative models are： BYD Qin， Roewe Ei6 and other domestic models. The special model is Trumpchi GA5 plug-in extended-range electric vehicle. This article focuses on analyzing the impact of PHEV plug-in hybrid electric vehicle on driving texture and energy consumption during power feeding according to different hybrid architectures， and discussing the feasibility analysis of corresponding structural improvement methods and means. PHEV plug-in hybrid electric vehicle feed driving texture and changes in energy consumption will finally be installed at P0 position with BSG motor or P1 position with ISG motor （applicable to P3 hybrid models， representative models of BYD Qin）， and the use of energy split Hybrid architecture （such as FAW Toyota Corolla dual engine） and dual-motor extended-range architecture （such as Trumpchi GS4 GA5 new energy front axle engine to drive the generator to generate power and output power is completely assigned to the high-power independent motor）. In this way， in the feed state， the engine and the drive train are decoupled， and the optimal economic speed is only used for power generation so as to make the most reasonable use of energy， realize the purpose of low fuel consumption of power feed and improvement of power feed driving texture.

Key words：plug-in hybrid， PHEV， new energy， hybrid architecture， HEV， motor vehicle pollution

1 引言

目前随着时代快速发展的大环境下，工业科技迅速发展以及人口爆发式增长、生活节奏的加快导致环境污染愈发严重。机动车已经成为了环境污染物排放的一个重要贡献者。按照统计，根据目前公安部交通管理局发布的数据，截至6月底，全国机动车保有量达3.19亿辆。根据数据显示，2018年上半年新注册登记机动车达1636万辆。新能源汽车保有量达199万辆，私家车保有量达1.8亿辆，2018年以来保有量月均增加166万辆，保持持续快速增长。如此庞大的机动车保有量产生的废气污染是首当其冲必须解决的重点问题。因此，在国家的决策方针上已经将发展新能源汽车列为新时代发展的重要战略方向。目前在政策上给予的鼓励较多，例如在各大城市（北京除外）直接上专用的新能源牌照且无数量限制（绿色专用牌照，除了代表行政区域的第一位字母、纯电动车牌照开头为D、混合动力汽车牌照开头为F）。普通车蓝牌需要摇号或竞拍，几率很小或成本很高且有上牌数量限制。发展新能源纯电动汽车受制条件较多，例如：充电桩数量、充电场地建设、电池续航、电池循环寿命、充电速度、高速行驶续航里程衰减较快等目前存在的难题制约着纯电动汽车的发展。而在目前上述问题得到解决之前，发展插电式混合动力汽车则很好的避免了此类问题。混合动力汽车通过对燃油效率的高效利用，避开传统纯燃油发动机的致命缺点（低转速区间效率过低）。通过在车辆低速行驶的状态对发动机与传动系进行解耦的设计（发动机不会受到汽车行驶工况的干扰，只在高效率转速区间发电）以及制动能量回收的设计（刹车能量不浪费）等各方面措施，使得车辆的整体燃油经济性提高40%左右。

2 正文

现各大汽车主机厂商的插电式混合动力车型PHEV，设计思路如下：一般都是拥有一台发动机、外加P0-P4等各个位置（根据设计理念）设计不同数量的电机，根据作用及分类功率有大有小。

而在非插电式混合动力系统中，轻型混合动力系统（俗称轻混）一般来说只有一台BSG电机（P0位置）或ISG电机配合发动机组成的低压混合动力系統。由于该电机功率较小，通常只用于辅助发动机加速以及启停。

结构如下：

通过结构图可以看到，P0位置的电机（BSG）取代了传统的发电机，增加了DC/DC模块以及48V电池（容量一般在0.15-0.2Whr左右），并保留传统12V蓄电池。启停的时候，BSG电机可以越过发动机抖动的转速区间，瞬间拉升到稳定转速，实现舒适启停。同时，在起步阶段辅助发动机进行加速。当车辆减速的时候;若发动机未与变速箱脱藕，这个时候还可以将多余的动力转换为电力储存在48v蓄电池以便再次利用，并通过DC/DC模块转换为12v电压，供给传统的车载电器使用。通过以上方案，可以实现6%-15%的燃油经济性且成本低。以上轻混结构由于功率小、电池容量小，所以不需要考虑外接充电，也不存在馈电的问题。直接通过高效的利用发动机的能量实现燃油经济性，现已被广大汽车主机厂商所采用。

第二种是以丰田为代表性的混联式普通混合动力架构（HEV），其动力结构如下：

可以看到，丰田的混联式混合动力结构也是对发动机燃油效率的高效利用，采用一台阿特金森循环发动机、并外加两台电机。这种非插电式的混联式结构可以采用小容量动力电池（1-1.5Whr）且浅充浅放，不需要外接充电。由于对燃油依赖性高，虽然有电力驱动系统，但不能归类于新能源车型。

在我国，政策上对新能源插电式混合动力车型的定义如下：

1.可外接充电

2.纯电续航里程≥50KM

3.拥有电力驱动系统和燃油驱动系统，并且可互相转换驱动。

主机厂的产品需满足以上所有条件，才可获得补贴并且车辆可上新能源专属绿牌。故现在的汽车主机厂家都大力响应政策的号召，重点研发并联、串联、混联等各类驱动结构的新能源混合动力汽车。由于PHEV插电式混合动力汽车的设计思路不同于传统的HEV普通混合动力汽车。在插电式混合动力汽车里，重点是以纯电动行驶为主，燃油发动机只是作为备用。这一点设计理念和HEV普通混合动力汽车的差别很大。前者是满足短途通勤（即白天短途通勤，晚上充电）可以实现零排放的需求，后者是在全工况的条件下都可以实现燃油高效率利用。所以早期众多新能源插电式混合动力汽车车型上都没有过多的全方位考虑现实的使用情况（目前充电桩的数量过少，而且混合动力汽车一般不能采用快速充电）以至于绝大部分用户实际上会将插电式混合动力汽车作为HEV混合动力汽车使用，即不充电只加油。对于以上的使用情景而言，PHEV插电式混合动力汽车的设计思路就显得有些不足。特别是对于并联型的插电式混合动力汽车，代表车型比亚迪秦。我们接下来看一下比亚迪秦的混合动力驱动结构：

如上图所示，我们可以看到：电机-DCT-发动机-驱动轮的动力输出都在一条线上，由齿轮直连，不存在行星齿轮动力分配机构。

这样以来，电机的转速与输出轴恒定。车辆大于40km/h的时候，输出轴的转速足以驱动电机以较大效率的转速发电。但是一旦遇到纯市区工况（车速长时间低于40km/h）的情况下，发电工况变得恶劣，转换效率低下、发电机不能与输出轴脱藕进行高转速发电。于是车辆进入馈电状态，由发动机全程驱动。这时候，混合动力的节能优势全无。这个时候，发动机处于低转速的低效率直驱状态，长时间在此工况，油耗可达到12L/100km。解决该馈电问题的思路是让发动机保持高转速的高效率区间进行充电。

由此一来，解决问题的方法浮出了水面。如下图。

我们可以在P0位置，增加一台BSG电机，功率大约在25kw左右。由于BSG和发动机直接相连，且DCT可切断发动机与输出轴的动力连接。

再由配套软件的控制，在车辆低速状态的时候，DCT离合器脱藕，发动机不再直驱驱动轴，而是直接将转速拉升至1450r/min左右的较高效率转速（兼顾NVH）带动BSG发电机进行发电进入增程式工况。并由主电机进行驱动，最终使得燃油效率达到5L/100km左右的高效率水平。既保证了该结构的动力性能，又兼顾了馈电工况的油耗。仅增加了BSG电机的成本，又无需在动力结构上做较大的改动。在成本、使用舒适性、与节能方面取得一个良好的平衡点。

参考文献：

[1]2018年中国汽车保有量及市场规模将持续增长[OL]中国产业信息网[引用日期2020-7-05].

[2]比亚迪秦 2017款官方维修指导手册[DB]比亚迪汽车（BYD AUTO）[引用日期2020-7-10].

[3]博格华纳：混合动力构型繁多 P2大有可为[OL]AI《汽车制造业》.