某PHEV 车型动力总成的设计开发

许永红， 章国光， 潘奕然， 吴肇苏

（东风汽车公司技术中心， 湖北 武汉 430058）

1 引言

汽车工业的发展、汽车保有量的增加，以及石油资源的枯竭和环境的污染，对传统汽车工业提出了严峻的挑战，遵循能源发展形势及能源发展战略，研发和使用节能减排的新能源汽车已经成为解决能源和环境问题的必由之路。插电式混合动力汽车（Plug-in hybrid electric vehicle，简称PHEV），是介于纯电动汽车与燃油汽车两者之间的一种新能源汽车，兼顾了纯电动车和燃油车的优势，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，是解决排放问题的一个重要手段。

目前已量产的插电式混合动力汽车有丰田PRIUS PHEV、通用VOLT、三菱欧蓝德PHEV、比亚迪唐等。东风也开发了插电式SUV车型。本文对东风某插电式SUV车型混合动力总成结构、控制策略等进行分析讨论。

2 东风PHEV混合动力系统构成

混合动力系统将发动机动力和电机动力通过电气线路和耦合器耦合，并向车轮传递，是PHEV车型核心的关键技术［1］。

东风某插电式SUV车型配置的HP2多模混合动力系统结构如图1所示，由电驱动系统、高压供电系统两部分构成。电驱动系统由驱动电机、发电机、双电机控制器、集成的DCDC、多模变速箱构成。高压供电系统由动力电池包构成。其中，发动机、发电机、驱动电机分别与减速箱的3个输入轴连接。在不同工况下，发动机、驱动电机、电动机的动力在减速箱耦合后，输出到差速器，驱动车轮。

HP2多模混合动力系统结构简单，摈弃了结构复杂的动力分配装置及机电耦合系统，采用两个小型电机分别驱动，可有效减少单电机驱动时电机功率及电机体积，占用空间小，传动效率高。

图1 多模混合动力系统

2.1 电机系统

电机系统包括驱动电机总成、发电机总成、集成DCDC的双电机控制器总成。

驱动电机总成和发电机总成均采用永磁同步电机方案，双电机控制器可以同时控制发电机、驱动电机按整车策略工作，满足整车驱动与发电功能需求。东风某插电式SUV发动机取消了启动机配置，车辆启动时，发电机通过减速箱里的齿轮副，带动发动机飞轮旋转，启动发动机，实现发动机启停功能。在车辆电池电量低于某值时，发动机带动发电机发电，给驱动电机及动力电池供电，实现发电及串联驱动功能。表1列出了电机总成主要性能参数。

表1 电机总成技术参数

DCDC总成集成在控制器中，替代了发动机上的发电机功能，将动力电池350V高压电转化为12V低压电，保证整车仪表、灯具、各类控制器等低压用电设备正常工作。表2列出了电机控制器及DCDC总成主要技术参数。

表2 电机控制器集成DCDC总成技术参数

2.2 机电耦合系统

HP2多模混合动力系统机电耦合器采用了固定速比式多模变速器方案，结构简单，成熟可靠。图2展示了多模变速器工作原理。在整车中低速运行时，变速器内部离合器分离，整车进入EV模式（电池电量充足，由驱动电机驱动车辆）、RE-EV模式（电池电量不足，发动机带动发电机发电，由驱动电机驱动车辆）；在整车高速运行时，变速器内部离合器结合，整车进入HEV模式（发动机、驱动电机可同时驱动车辆）。多模变速器技术参数表见表3。

图2 多模变速器工作原理

表3 多模变速器主要技术参数

2.3 动力电池

图3所示为HP2多模动力系统动力电池包，采用三元动力电池组，电池组与电池管理系统、检修开关、快速连接器集成、高压配电系统、电池箱体设计为一体，通过箱体6个悬置点安装固定在车身地板下方。可以满足电机峰值工作充、放电性能要求、充电时间要求，及强电安全、整车碰撞安全要求。动力电池包技术参数表见表4。

3 多模混合动力系统控制策略

3.1 多模混合动力系统功能

通过离合器的结合和分离，HP2多模混合动力系统可以实现纯电驱动模式、串联驱动模式、并联驱动模式、发动机驱动模式、行车发电模式、驻车发电模式、制动能量回收模式、混联驱动8种行驶模式。图4展示了并联驱动模式下能量流示意，发动机动力和驱动电机动力，在多模减速箱内耦合，通过差速器传递到驱动轮。

不同行驶模式时，各部件工作状态见表5。

3.2 多模混合动力系统控制策略

3.2.1 驱动力分配与能量管理原则

PHEV多模混动系统驱动力分配，需要综合考虑整车动力性和经济性的要求［2］（表6）。

图3 PHEV动力电池包

表4 PHEV动力电池包技术参数

图4 并联驱动能量流示意图

表5 不同驱动模式下驱动系统部件工作状态

表6 PHEV动力总成参数匹配影响要素

通过分析整车性能需求，同时兼顾整车性能和电池寿命，确定了不同车速/电量下驱动力分配原则：纯电动行驶应能提供日常使用，混合动力使用时较好动力性。具体方案如下。

1） 电量充足时，纯电动行驶优先使用。

2） 电池消耗到一定时（SOC＜30%），作为混合动力车使用。

3） 中低速或中低负荷，驱动由电机完成，要保证日常纯电动。

4） 中高速或中高负荷，驱动由发动机单独完成。

5） 急加速或超速时，电机跟进助力，实现动力从低速到高速有效过渡。

3.2.2 工作模式切换方案

依照上述能量管理原则，HP2多模动力系统在行驶过程中可根据电池SOC、加速踏板深度和车速的变化，在不同的行驶模式间进行切换。图5展示了PHEV车型行驶模式切换方案。

当SOC值较高时，车辆以EV模式起步，在较低的车速且较小的油门开度条件下，车辆可保持在EV模式；当加速踏板开度加大时，车辆进入并联驱动模式，发动机与电机同时参与驱动；随着车速增高，车辆进入发动机驱动模式，并能根据电池SOC状态，对电池进行行车发电。

如电池SOC值较低，车辆只能以串联驱动模式起步，并根据油门开度的变化，在串联驱动-发动机驱动模式间切换。

图5 PHEV车型行驶模式切换方案

4 多模混合动力模块应用

HP2多模动力系统首款搭载车型为东风某插电式SUV，已完成整车搭载试验。整车试验结果表明，对比搭载同型号发动机的传统车型，搭载HP2模块时整车车重增加了约190kg，但整车总体性能明显优于基础车型。

1） 整车百公里加速时间由12s提高到10.5s，提升率＞12%。

2） NEDC纯电里程＞60km。

3） NEDC 综 合 油 耗 由7.4L/100km 减 少 到5.5L/100km（HEV模式），HEV模式下节油率＞25%。

东风某插电式SUV车通过以下方法达到了动力性、燃油经济性的提升。

1） 整车及混合动力系统控制：高效的能量分配管理；实现EV驱动、外接充电、停车发电、串联行驶、停车停机、滑行能量回收、制动能量回收等多种工况；优化的发动机控制/标定。

2） 动力总成更改：发动机轮系及进排气系统全新设计，满足PHEV车型使用要求。

3） 基准车辆参数控制：低滚阻轮胎、轻量化等。

5 结语

本文从关键部件方案、控制策略等方面对HP2多模混合动力系统技术方案进行分析。模块搭载整车后，整车性能优于对比车型，有较强的竞争力。随着HP2多模混合动力系统不断完善和提高，最终可以以不同的混合动力方案搭载在多个车型上，如HEV车型、RE-EV增程式混合动力车型、PHEV插电式混合动力车型。