混合動力汽車架構規(guī)劃

張晶

摘 要：本文介紹了PHEV混合動力汽車的架構，主要包括動力架構、高壓架構、熱管理架構、發(fā)動機啟停架構的規(guī)劃。

關鍵詞：PHEV;動力;高壓;熱管理;發(fā)動機啟停;架構

1 引言

相對與傳統(tǒng)燃油車或純電動汽車，PHEV插電式混合動力汽車是綜合了兩種能源的新能源汽車，當整車在行駛工況下，能量來源發(fā)動機或高壓電池或同時來自于發(fā)動機和高壓電池，整車控制器根據(jù)相應的行駛工況優(yōu)化分配整車動力來源，從而將能量轉(zhuǎn)化效率控制在較高水平，故能實現(xiàn)低能耗，另外當整車高壓電池或發(fā)動機其一不能正常工作時，整車仍可以按一定的策略行駛，故提高了整車可靠性。因PHEV融合了純電動汽車和傳統(tǒng)燃油車的技術，故整車控制復雜，本文以某PHEV混合動力車型為例，從動力架構、高壓架構、熱管理架構、發(fā)動機啟停架構幾方面進行介紹，對從事混動汽車相關工作的人員有一定的參考借鑒意義。

2 PHEV插電式混合動力汽車動力架構

2.1 動力系統(tǒng)組成

PHEV是Plug-in Hybrid Electric Vehicle的縮寫，即插電式混合動力汽車。PHEV可以使用電力網(wǎng)（包括家用電源插座）對動力電池充電，其次發(fā)動機也是動力源之一，同時可以將發(fā)動機的動能轉(zhuǎn)化高壓電池電能，動力系統(tǒng)主要結構見圖1。

動力系統(tǒng)—電傳動動力系統(tǒng)。主要包括：高壓電池、高壓電池控制器（BMS）、P2電機、P2電機控制器（PEU1）、P4電機、P4電機控制器（PEU2）、DC/DC（直流變壓器）、車載充電機（OBC）、電源分配單元（PDU）、變速箱、K1離合器。

動力系統(tǒng)—發(fā)動機動力系統(tǒng)。主要包括：發(fā)動機、K0離合器、變速箱、K1離合器。

其中K0離合器位于發(fā)動機和P2電機之間，用于控制發(fā)動機飛輪和P2電機輪端的結合與斷開，K1位于P2和變速箱之間，K1離合器控制P2與變速箱之間的結合與斷開。P2電機由電驅(qū)動所輸出扭矩和發(fā)動機輸出扭矩在P2動力輸出軸進行疊加。其中發(fā)動機、K0離合器、P2電機、K1離合器、變速器位于前軸，P4電機位于后軸。

2.2 整車駕駛模式

EV NORMAL：純電-標準模式。P2電機驅(qū)動車輛，K0離合器分離，發(fā)動機未啟動。行駛時K1閉合，在換擋過程中K1斷開， P4電機補償換擋期間駕駛員對扭矩的需求。

EV ECO：純電-經(jīng)濟模式。P2電機驅(qū)動車輛，K0離合器分離，發(fā)動機未啟動。行駛時K1閉合，在換擋過程中K1斷開，P4電機補償換擋期間駕駛員對扭矩的需求。

EV AWD：純電-四驅(qū)模式。K0離合器分離，發(fā)動機未啟動。P2、P4共同驅(qū)動車輛，行駛時K1閉合，在換擋過程中K1斷開。

HEV NORMAL：混動-標準模式。發(fā)動機和P2電機一同驅(qū)動車輛，但發(fā)動機不一定一直運行。當需要發(fā)動機介入驅(qū)動或利用P2電機將發(fā)動機動力轉(zhuǎn)化為電能給高壓電池充電時，K0離合器結合，行駛時K1閉合，在換擋過程中K1斷開，P4電機補償換擋期間駕駛員對扭矩的需求。

HEV ECO：混動-經(jīng)濟模式。發(fā)動機和P2電機一同驅(qū)動車輛，但發(fā)動機不一定一直運行。當需要發(fā)動機介入驅(qū)動利用P2電機將發(fā)動機動力轉(zhuǎn)化為電能給高壓電池充電時，K0離合器結合。行駛時K1閉合，在換擋過程中K1斷開，P4電機補償駕駛員對扭矩的需求。

HEV AWD：混動-四驅(qū)模式。發(fā)動機、P2、P4一同驅(qū)動車輛。但發(fā)動機不一定一直運行。行駛時K0、K1閉合，在換擋過程中K1斷開，K0結合。

HEV SPORT：混動-運動模式。發(fā)動機、P2、P4一同驅(qū)動車輛。發(fā)動機一直運行。行駛時K0、K1閉合，在換擋過程中K1斷開，K0結合。相比較HEV AWD模式，SPORT模式動力響應更快更強。

HEV SAVE：混動-保電模式。發(fā)動機和P2電機一同驅(qū)動車輛，但發(fā)動機不一定一直運行。當需要發(fā)動機介入驅(qū)動或利用P2電機將發(fā)動機動力轉(zhuǎn)化為電能給高壓電池充電時，K0離合器結合。行駛時K1閉合，在換擋過程中K1斷開，P4電機補償駕駛員對扭矩的需求。高壓電池電量按駕駛員設定的目標SOC進行充電，通常目標SOC可選范圍設計在50%以上。

以上所有模式都是用各自對應的pedal map和gear shift map進行整車的駕駛扭矩需求響應，正是因為每種駕駛模式下系統(tǒng)設定了不同pedal map和gear shift map，動力響應及燃油經(jīng)濟性才會有所不同，駕駛員才會有不同的駕駛體驗。EV NORMAL、EV ECO、EV AWD模式下，當動力電池SOC低于標定值時，整車控制器會控制發(fā)動機強制啟動，整車駕駛模式會跳轉(zhuǎn)到相應的HEV NORMAL、HEV ECO、HEV AWD模式。

市面上的混合動力汽車有的會配置雪地、泥地、沙漠、山地、EV SPORT模式等等，具體可根據(jù)整車實際情況及定位用戶需求進行設計，各個主機廠的設計都不盡相同。駕駛模式一般是在車機端虛擬按鍵、中控按鈕、換擋桿上進行切換選擇。

2.3 能量回收

混合動力汽車需進行要能量回收設計，在汽車制動過程中或掛檔（D檔或R檔）滑行時進行能量回收。一般能量回收可分為“低”、“中”、“高”三個等級，有的廠家會分兩個等級如“標準”、“較大”?；厥盏燃壙稍O計成由用戶自定義，即在每種駕駛模式下，用戶都可以根據(jù)自己的喜好去選擇相應的回收等級，此設計更多體現(xiàn)用戶選擇最大化。回收等級也可以設計成和駕駛模式關聯(lián)的回收等級，如在雪地模式設計成默認低回收等級，以達到盡量避免車輪出現(xiàn)抱死的現(xiàn)象，山地模式設計成默認高回收等級，以達到在不影響駕駛性前提下，盡量多的回收能量，此設計更多體現(xiàn)在保證汽車的最佳性能及在條件允許情況下更多的進行能量回收。每個廠家的側重點不盡相同。

能量回收功能一般由整車控制器來控制，同時需要和車身穩(wěn)定系統(tǒng)（ESC）進行協(xié)調(diào)控制，以達到在車身穩(wěn)定的前提下最大程度的進行能量回收。當涉及到車身穩(wěn)定系統(tǒng)的某些功能激活時（如ABS功能），能量回收功能是需要被抑制的，以免能量回收功能影響行車安全。

3 PHEV插電式混合動力汽車高壓架構

3.1 高壓系統(tǒng)組成

高壓系統(tǒng)主要構成有，高壓電池、主正繼電器、主負繼電器、預充電阻、預充繼電器、P2電機控制器、P2電機、P4電機控制器、P4電機、DC/DC（直流變壓器）、PDU（動力分配單元）、OBC（充電系統(tǒng)）、PTC（加熱器）、電動空調(diào)壓縮機。其中DC/DC是連接高壓系統(tǒng)與低壓系統(tǒng)的接口，DC/DC負責將高壓直流電轉(zhuǎn)化為低壓直流電，當動力電池溫度低時，PTC負責加熱電池，各部件的高壓工作范圍總體在240v～430v之內(nèi)。高壓架構可以根據(jù)具體車型進行調(diào)整，如可將DC/DC、OBC、PDU進行集成在一起或?qū)C/DC集成在PEU1里，具體可根據(jù)整車控制需求及總體布置進行靈活調(diào)整，見圖2。

4 PHEV插電式混合動力汽車熱管理架構

4.1 熱管理架構組成

4.1.1 高溫冷卻循環(huán)

高溫冷卻循環(huán)示意圖如圖3所示。與傳統(tǒng)燃油車相同，高溫冷卻循環(huán)負責發(fā)動機冷卻和乘員艙加熱功能。高溫冷卻循環(huán)部件包括：儲液壺、高溫散熱器、高溫散熱器冷卻液溫度、發(fā)動機、節(jié)溫器、冷凝器、熱核。當無空調(diào)制熱需求時，高溫冷卻循環(huán)走小循環(huán)。循環(huán)路線：高溫散熱器→發(fā)動機→高溫散熱器。當有空調(diào)制熱需求時，高溫冷卻循環(huán)走大循環(huán)。

4.1.2 低溫冷卻循

中/低溫冷卻循環(huán)圖如圖4所示，中/低溫冷卻循環(huán)負責高壓電池、PEU、MCU、P2、P4和CDU（OBC和PDU的總稱）的冷卻。低溫冷卻循環(huán)部件包括：儲液壺、電池水泵、MCU水泵、CDU水泵、三通閥、電池冷卻膨脹閥、電池冷卻液溫度傳感器、低溫散熱器冷卻液溫度傳感器、電池加熱用的電子加熱裝置PTC、高壓電池、PEU、MCU、P2、P4和CDU。

1、當BMS無制冷或制熱請求時，低溫冷卻循環(huán)走大循環(huán)。循環(huán)路線：低溫散熱器→CDU水泵→CDU→PEU→P2→MCU水泵→P4→電池水泵→高壓電池→三通閥→低溫散熱器。

2、當BMS有制冷請求時，低溫冷卻循環(huán)走小循環(huán)。循環(huán)路線：低溫散熱器→CDU水泵→CDU→PEU→P2→MCU水泵→P4→低溫散熱器;電池水泵→電池冷卻器→高壓電池→三通閥→低溫散熱器。

3、當BMS有制熱請求時，低溫冷卻循環(huán)走小循環(huán)。循環(huán)路線：低溫散熱器→CDU水泵→CDU→PEU→P2→MCU水泵→P4→低溫散熱器;電池水泵→高壓水加熱器PTC→高壓電池→三通閥→低溫散熱器。

何時開啟低溫冷卻循環(huán)的小循環(huán)、小循環(huán)運行時間、空調(diào)運行的功率由整車控制器根據(jù)各個高壓部件的正常工作溫度范圍及及空調(diào)所能達到的制冷功率進行綜合的控制。冷卻循環(huán)路線需根據(jù)具體實車測試結果進行調(diào)整，當零件出現(xiàn)溫度過高時，適當?shù)恼{(diào)整循環(huán)路線及控制方式，以達到最佳工作效果。

5 PHEV插電式混合動力汽車發(fā)動機啟停架構

5.1 發(fā)動機啟動方式

發(fā)動機啟動方式：1、P2電機通過K0離合器滑摩啟動發(fā)動機;2、跟傳統(tǒng)燃油車一樣，通過起動機啟動發(fā)動機。通常情況下是利用P2轉(zhuǎn)動和K0離合器滑摩來啟動發(fā)動機，當存在以下任意條件時，通過起動機來啟動發(fā)動機，大致情況如下：

1、環(huán)境溫度極低，因為在環(huán)境溫度及低的情況下，高壓電池可輸出功率及低、不能滿足P2帶動發(fā)動機啟動所需的功率;

2、存在高壓系統(tǒng)失效，比如電機失效或動力電池失效，此時P2電機無法正常工作，故不可通過P2電機來啟動發(fā)動機。

3、動力電池電量過低，高壓電池可輸出功率及低，會使用12V啟動發(fā)動機。

5.2 在P2能正常工作的前提下，當滿足如下任意條件時會啟動發(fā)動機

1、能量管理關聯(lián)的發(fā)動機啟停。當高壓電池SOC低于標定值時，無論整車處于何種駕駛模式，會啟動發(fā)動機來給高壓電池充電或驅(qū)動車輛。

2、駕駛模式關聯(lián)的發(fā)動機啟停。在SPORT模式下發(fā)動機一定會啟動，以便及時響應駕駛員的扭矩需求。

3、空調(diào)制熱需求。在任意駕駛模式下，當開啟空調(diào)制熱時，會啟動發(fā)動機，且驅(qū)動模式會自動切換為相應的HEV模式。

4、電子制動真空泵壓力低。整車有一個電子制動真空泵和一個機械制動真空泵，通常情況下是使用電子制動真空泵，當電子制動真空泵出現(xiàn)故障時，整車會控制發(fā)動機啟動在進氣歧管處產(chǎn)生真空，從而使機械真空泵起作用。

5.3 發(fā)動機停機。當滿足如下任意條件時會停止發(fā)動機

1、整車模式為EV MORMAL/EV ECO/EV AWD時，會停止發(fā)動機。

2、整車模式為HEV MORMAL/HEV ECO/HEV AWD/HEV SAVE時，根據(jù)駕駛員扭矩需求和高壓電池是否需要充電來判斷是否啟動發(fā)動機，當不需要發(fā)動機介入驅(qū)動或發(fā)電時，會停止發(fā)動機。

3、整車發(fā)生碰撞，會停止發(fā)動機。

4、發(fā)動機自身需停止發(fā)動機的故障。

關于發(fā)動機啟停的策略，各主機廠的做法也不近相同。可以根據(jù)對整車特點進行具體的規(guī)劃，例如有乘員倉有PTC配置的汽車，就不需要制定空調(diào)制熱需要啟動發(fā)動的策略。

應避免在起步或換擋的過程中進行發(fā)動機的啟?？刂啤?/p>

5.4 發(fā)動機啟停架構如圖5所示

6 總結

本文介紹了PHEV混合動力汽車的動力系統(tǒng)、高壓系統(tǒng)、熱管理系統(tǒng)、發(fā)動機啟停系統(tǒng)的架構，相對于傳統(tǒng)燃油車或純電動汽車，PHEV混合動力汽車從車輛的控制角度講更加復雜，整車標定參數(shù)的選取很重要，如果標定參數(shù)不合理，可能會比傳統(tǒng)然后車更消耗能源，但隨著混合動力汽車技術不斷應用，整車控制策略的不斷完善，PHEV混合動力汽車技術會趨于成熟和穩(wěn)定。未來也將會有更多的混合動力汽車被用戶接受和喜愛。

參考文獻：

[1]Plug-in混合動力汽車能量管理策略全局優(yōu)化研究[J]. 張博，李君，高瑩，楊成宏，尹雪峰. 中國機械工程.2010（06）.

[2]基于ADVISOR2002混合動力汽車控制策略模塊開發(fā)[J].曾小華，王慶年，李駿，王偉華，初亮.汽車工程.2004（04）.

[3]大客車插電式混合動力系統(tǒng)研究[D]. 張健.青島大學 2019程. 2004（04）.