某PHEV 車(chē)型動(dòng)力總成的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)

許永紅， 章國(guó)光， 潘奕然， 吳肇蘇

（東風(fēng)汽車(chē)公司技術(shù)中心， 湖北 武漢 430058）

1 引言

汽車(chē)工業(yè)的發(fā)展、汽車(chē)保有量的增加，以及石油資源的枯竭和環(huán)境的污染，對(duì)傳統(tǒng)汽車(chē)工業(yè)提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，遵循能源發(fā)展形勢(shì)及能源發(fā)展戰(zhàn)略，研發(fā)和使用節(jié)能減排的新能源汽車(chē)已經(jīng)成為解決能源和環(huán)境問(wèn)題的必由之路。插電式混合動(dòng)力汽車(chē)（Plug-in hybrid electric vehicle，簡(jiǎn)稱PHEV），是介于純電動(dòng)汽車(chē)與燃油汽車(chē)兩者之間的一種新能源汽車(chē)，兼顧了純電動(dòng)車(chē)和燃油車(chē)的優(yōu)勢(shì)，既可實(shí)現(xiàn)純電動(dòng)零排放行駛，也能通過(guò)混動(dòng)模式增加車(chē)輛的續(xù)駛里程，是解決排放問(wèn)題的一個(gè)重要手段。

目前已量產(chǎn)的插電式混合動(dòng)力汽車(chē)有豐田PRIUS PHEV、通用VOLT、三菱歐藍(lán)德PHEV、比亞迪唐等。東風(fēng)也開(kāi)發(fā)了插電式SUV車(chē)型。本文對(duì)東風(fēng)某插電式SUV車(chē)型混合動(dòng)力總成結(jié)構(gòu)、控制策略等進(jìn)行分析討論。

2 東風(fēng)PHEV混合動(dòng)力系統(tǒng)構(gòu)成

混合動(dòng)力系統(tǒng)將發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力和電機(jī)動(dòng)力通過(guò)電氣線路和耦合器耦合，并向車(chē)輪傳遞，是PHEV車(chē)型核心的關(guān)鍵技術(shù)［1］。

東風(fēng)某插電式SUV車(chē)型配置的HP2多?；旌蟿?dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，由電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、高壓供電系統(tǒng)兩部分構(gòu)成。電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由驅(qū)動(dòng)電機(jī)、發(fā)電機(jī)、雙電機(jī)控制器、集成的DCDC、多模變速箱構(gòu)成。高壓供電系統(tǒng)由動(dòng)力電池包構(gòu)成。其中，發(fā)動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)、驅(qū)動(dòng)電機(jī)分別與減速箱的3個(gè)輸入軸連接。在不同工況下，發(fā)動(dòng)機(jī)、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、電動(dòng)機(jī)的動(dòng)力在減速箱耦合后，輸出到差速器，驅(qū)動(dòng)車(chē)輪。

HP2多?；旌蟿?dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，擯棄了結(jié)構(gòu)復(fù)雜的動(dòng)力分配裝置及機(jī)電耦合系統(tǒng)，采用兩個(gè)小型電機(jī)分別驅(qū)動(dòng)，可有效減少單電機(jī)驅(qū)動(dòng)時(shí)電機(jī)功率及電機(jī)體積，占用空間小，傳動(dòng)效率高。

圖1 多模混合動(dòng)力系統(tǒng)

2.1 電機(jī)系統(tǒng)

電機(jī)系統(tǒng)包括驅(qū)動(dòng)電機(jī)總成、發(fā)電機(jī)總成、集成DCDC的雙電機(jī)控制器總成。

驅(qū)動(dòng)電機(jī)總成和發(fā)電機(jī)總成均采用永磁同步電機(jī)方案，雙電機(jī)控制器可以同時(shí)控制發(fā)電機(jī)、驅(qū)動(dòng)電機(jī)按整車(chē)策略工作，滿足整車(chē)驅(qū)動(dòng)與發(fā)電功能需求。東風(fēng)某插電式SUV發(fā)動(dòng)機(jī)取消了啟動(dòng)機(jī)配置，車(chē)輛啟動(dòng)時(shí)，發(fā)電機(jī)通過(guò)減速箱里的齒輪副，帶動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)飛輪旋轉(zhuǎn)，啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)啟停功能。在車(chē)輛電池電量低于某值時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，給驅(qū)動(dòng)電機(jī)及動(dòng)力電池供電，實(shí)現(xiàn)發(fā)電及串聯(lián)驅(qū)動(dòng)功能。表1列出了電機(jī)總成主要性能參數(shù)。

表1 電機(jī)總成技術(shù)參數(shù)

DCDC總成集成在控制器中，替代了發(fā)動(dòng)機(jī)上的發(fā)電機(jī)功能，將動(dòng)力電池350V高壓電轉(zhuǎn)化為12V低壓電，保證整車(chē)儀表、燈具、各類控制器等低壓用電設(shè)備正常工作。表2列出了電機(jī)控制器及DCDC總成主要技術(shù)參數(shù)。

表2 電機(jī)控制器集成DCDC總成技術(shù)參數(shù)

2.2 機(jī)電耦合系統(tǒng)

HP2多模混合動(dòng)力系統(tǒng)機(jī)電耦合器采用了固定速比式多模變速器方案，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成熟可靠。圖2展示了多模變速器工作原理。在整車(chē)中低速運(yùn)行時(shí)，變速器內(nèi)部離合器分離，整車(chē)進(jìn)入EV模式（電池電量充足，由驅(qū)動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)車(chē)輛）、RE-EV模式（電池電量不足，發(fā)動(dòng)機(jī)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，由驅(qū)動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)車(chē)輛）；在整車(chē)高速運(yùn)行時(shí)，變速器內(nèi)部離合器結(jié)合，整車(chē)進(jìn)入HEV模式（發(fā)動(dòng)機(jī)、驅(qū)動(dòng)電機(jī)可同時(shí)驅(qū)動(dòng)車(chē)輛）。多模變速器技術(shù)參數(shù)表見(jiàn)表3。

圖2 多模變速器工作原理

表3 多模變速器主要技術(shù)參數(shù)

2.3 動(dòng)力電池

圖3所示為HP2多模動(dòng)力系統(tǒng)動(dòng)力電池包，采用三元?jiǎng)恿﹄姵亟M，電池組與電池管理系統(tǒng)、檢修開(kāi)關(guān)、快速連接器集成、高壓配電系統(tǒng)、電池箱體設(shè)計(jì)為一體，通過(guò)箱體6個(gè)懸置點(diǎn)安裝固定在車(chē)身地板下方?？梢詽M足電機(jī)峰值工作充、放電性能要求、充電時(shí)間要求，及強(qiáng)電安全、整車(chē)碰撞安全要求。動(dòng)力電池包技術(shù)參數(shù)表見(jiàn)表4。

3 多?；旌蟿?dòng)力系統(tǒng)控制策略

3.1 多模混合動(dòng)力系統(tǒng)功能

通過(guò)離合器的結(jié)合和分離，HP2多模混合動(dòng)力系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)純電驅(qū)動(dòng)模式、串聯(lián)驅(qū)動(dòng)模式、并聯(lián)驅(qū)動(dòng)模式、發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)模式、行車(chē)發(fā)電模式、駐車(chē)發(fā)電模式、制動(dòng)能量回收模式、混聯(lián)驅(qū)動(dòng)8種行駛模式。圖4展示了并聯(lián)驅(qū)動(dòng)模式下能量流示意，發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力和驅(qū)動(dòng)電機(jī)動(dòng)力，在多模減速箱內(nèi)耦合，通過(guò)差速器傳遞到驅(qū)動(dòng)輪。

不同行駛模式時(shí)，各部件工作狀態(tài)見(jiàn)表5。

3.2 多?；旌蟿?dòng)力系統(tǒng)控制策略

3.2.1 驅(qū)動(dòng)力分配與能量管理原則

PHEV多?；靹?dòng)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)力分配，需要綜合考慮整車(chē)動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性的要求［2］（表6）。

圖3 PHEV動(dòng)力電池包

表4 PHEV動(dòng)力電池包技術(shù)參數(shù)

圖4 并聯(lián)驅(qū)動(dòng)能量流示意圖

表5 不同驅(qū)動(dòng)模式下驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)部件工作狀態(tài)

表6 PHEV動(dòng)力總成參數(shù)匹配影響要素

通過(guò)分析整車(chē)性能需求，同時(shí)兼顧整車(chē)性能和電池壽命，確定了不同車(chē)速/電量下驅(qū)動(dòng)力分配原則：純電動(dòng)行駛應(yīng)能提供日常使用，混合動(dòng)力使用時(shí)較好動(dòng)力性。具體方案如下。

1） 電量充足時(shí)，純電動(dòng)行駛優(yōu)先使用。

2） 電池消耗到一定時(shí)（SOC＜30%），作為混合動(dòng)力車(chē)使用。

3） 中低速或中低負(fù)荷，驅(qū)動(dòng)由電機(jī)完成，要保證日常純電動(dòng)。

4） 中高速或中高負(fù)荷，驅(qū)動(dòng)由發(fā)動(dòng)機(jī)單獨(dú)完成。

5） 急加速或超速時(shí)，電機(jī)跟進(jìn)助力，實(shí)現(xiàn)動(dòng)力從低速到高速有效過(guò)渡。

3.2.2 工作模式切換方案

依照上述能量管理原則，HP2多模動(dòng)力系統(tǒng)在行駛過(guò)程中可根據(jù)電池SOC、加速踏板深度和車(chē)速的變化，在不同的行駛模式間進(jìn)行切換。圖5展示了PHEV車(chē)型行駛模式切換方案。

當(dāng)SOC值較高時(shí)，車(chē)輛以EV模式起步，在較低的車(chē)速且較小的油門(mén)開(kāi)度條件下，車(chē)輛可保持在EV模式；當(dāng)加速踏板開(kāi)度加大時(shí)，車(chē)輛進(jìn)入并聯(lián)驅(qū)動(dòng)模式，發(fā)動(dòng)機(jī)與電機(jī)同時(shí)參與驅(qū)動(dòng)；隨著車(chē)速增高，車(chē)輛進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)模式，并能根據(jù)電池SOC狀態(tài)，對(duì)電池進(jìn)行行車(chē)發(fā)電。

如電池SOC值較低，車(chē)輛只能以串聯(lián)驅(qū)動(dòng)模式起步，并根據(jù)油門(mén)開(kāi)度的變化，在串聯(lián)驅(qū)動(dòng)-發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)模式間切換。

圖5 PHEV車(chē)型行駛模式切換方案

4 多模混合動(dòng)力模塊應(yīng)用

HP2多模動(dòng)力系統(tǒng)首款搭載車(chē)型為東風(fēng)某插電式SUV，已完成整車(chē)搭載試驗(yàn)。整車(chē)試驗(yàn)結(jié)果表明，對(duì)比搭載同型號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)的傳統(tǒng)車(chē)型，搭載HP2模塊時(shí)整車(chē)車(chē)重增加了約190kg，但整車(chē)總體性能明顯優(yōu)于基礎(chǔ)車(chē)型。

1） 整車(chē)百公里加速時(shí)間由12s提高到10.5s，提升率＞12%。

2） NEDC純電里程＞60km。

3） NEDC 綜 合 油 耗 由7.4L/100km 減 少 到5.5L/100km（HEV模式），HEV模式下節(jié)油率＞25%。

東風(fēng)某插電式SUV車(chē)通過(guò)以下方法達(dá)到了動(dòng)力性、燃油經(jīng)濟(jì)性的提升。

1） 整車(chē)及混合動(dòng)力系統(tǒng)控制：高效的能量分配管理；實(shí)現(xiàn)EV驅(qū)動(dòng)、外接充電、停車(chē)發(fā)電、串聯(lián)行駛、停車(chē)停機(jī)、滑行能量回收、制動(dòng)能量回收等多種工況；優(yōu)化的發(fā)動(dòng)機(jī)控制/標(biāo)定。

2） 動(dòng)力總成更改：發(fā)動(dòng)機(jī)輪系及進(jìn)排氣系統(tǒng)全新設(shè)計(jì)，滿足PHEV車(chē)型使用要求。

3） 基準(zhǔn)車(chē)輛參數(shù)控制：低滾阻輪胎、輕量化等。

5 結(jié)語(yǔ)

本文從關(guān)鍵部件方案、控制策略等方面對(duì)HP2多模混合動(dòng)力系統(tǒng)技術(shù)方案進(jìn)行分析。模塊搭載整車(chē)后，整車(chē)性能優(yōu)于對(duì)比車(chē)型，有較強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力。隨著HP2多?；旌蟿?dòng)力系統(tǒng)不斷完善和提高，最終可以以不同的混合動(dòng)力方案搭載在多個(gè)車(chē)型上，如HEV車(chē)型、RE-EV增程式混合動(dòng)力車(chē)型、PHEV插電式混合動(dòng)力車(chē)型。