常見混合動(dòng)力關(guān)鍵系統(tǒng)架構(gòu)分析

高祖成， 莫季才， 黃祖朋， 李 堅(jiān)

（上汽通用五菱汽車股份有限公司技術(shù)中心， 廣西 柳州 545007）

引言

“雙積分”政策已進(jìn)入強(qiáng)制考核階段，混合動(dòng)力汽車是節(jié)能減排、實(shí)現(xiàn)“碳中和”的關(guān)鍵路徑之一。該汽車融合了傳統(tǒng)燃油汽車和電動(dòng)汽車的優(yōu)點(diǎn)，是當(dāng)前最具有市場(chǎng)價(jià)值的低排放和低油耗汽車。當(dāng)前國(guó)家鼓勵(lì)多元化發(fā)展，市面上存在多種不同模式的混動(dòng)汽車，各有千秋，百花爭(zhēng)鳴。本文主要以某HEV 混動(dòng)動(dòng)力車型為例，重點(diǎn)從混動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)力架構(gòu)組成特點(diǎn)、關(guān)鍵點(diǎn)解析、能量回收系統(tǒng)、熱管理架構(gòu)、發(fā)動(dòng)機(jī)啟停、關(guān)鍵系統(tǒng)故障后處理等方面進(jìn)行闡述，對(duì)從事混動(dòng)汽車開發(fā)工作有一定的借鑒意義。

1 混合動(dòng)力的系統(tǒng)構(gòu)架

混動(dòng)系統(tǒng)架構(gòu)根據(jù)電機(jī)在動(dòng)力傳輸?shù)牟煌恢眉敖M合，構(gòu)成了P0、P1、P2、P3、P0+P2、P0+P3、P0+P4、P1+P3、P1+P4、P2+P4、P3+P4 等不同類型的混合動(dòng)力架構(gòu)[1]。如圖1 所示。

P0 為電動(dòng)機(jī)位于發(fā)動(dòng)機(jī)皮帶位置，功能特點(diǎn)是電機(jī)實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)啟停。P1 為在第一個(gè)離合器之前，電機(jī)與發(fā)動(dòng)機(jī)不可分離，特點(diǎn)是電機(jī)實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)啟停及發(fā)電。P2 為在第一個(gè)離合器之后，變速器輸出軸之前，電機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)可以分離，特點(diǎn)是電機(jī)實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)啟停、發(fā)電、純電行駛。P3 為在變速器輸出軸上，在主減速器之前，特點(diǎn)是電機(jī)實(shí)現(xiàn)發(fā)電、純電行駛且輸出的扭矩大小不受變速箱的限制。P4 為在主減速器和輪胎之前，特點(diǎn)是通常說的后驅(qū)或者四驅(qū)車型。

2 混合動(dòng)力關(guān)鍵點(diǎn)分析

2.1 高效的發(fā)動(dòng)機(jī)

混動(dòng)動(dòng)力減少了發(fā)動(dòng)機(jī)低轉(zhuǎn)速/低扭矩的需求，需求專用發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)濟(jì)區(qū)擴(kuò)大，發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率提高。故熱效率是考核混動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵要素，如日系豐田/本田常用的1.8&2.0&2.5 阿特金森/米勒循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率43%，長(zhǎng)安藍(lán)鯨IDD 混動(dòng)（增加可變氣門升程、可變截面電子渦輪增壓）總體效率45%、長(zhǎng)城的檸檬混動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)（1.5L 阿特金森）（1.5T 米勒循環(huán)）等。

2.2 高效率的變速箱&動(dòng)力耦合機(jī)構(gòu)

如市面常見豐田行星齒輪E-CVT、本田的IMDD、比亞迪的二代（DCT+P3）三代（DMi）、長(zhǎng)城檸檬DHT（2 擋DHT）、奇瑞鯤鵬DHT（3 擋DHT）、吉利第一代P2.5（DCT）、吉利二代雷神（3 擋DHT）、上汽EDU、韓系P2 DCT（基于DCT）、大眾P2 DCT（基于DCT）。傳統(tǒng)效率越高，損失的能量越低。

例如某P1+P3 架構(gòu)，如圖2 所示，混動(dòng)系統(tǒng)為2.0阿特金森發(fā)動(dòng)機(jī)+DHT（混動(dòng)變速箱），其中DHT（混動(dòng)變速箱）由P1 發(fā)動(dòng)機(jī)、P3 驅(qū)動(dòng)電機(jī)、離合器、耦合器共同組成，整個(gè)系統(tǒng)的傳動(dòng)效率可達(dá)到97%。

此結(jié)構(gòu)支持多種模式：可EV 行駛、混聯(lián)驅(qū)動(dòng)、串聯(lián)驅(qū)動(dòng)、能量回收、怠速停機(jī)等，通過智能切換實(shí)現(xiàn)各種駕駛場(chǎng)景下動(dòng)力與油耗的完美平衡：低速行駛，EV和串聯(lián)模式之間智能切換，使發(fā)動(dòng)機(jī)工作在最優(yōu)經(jīng)濟(jì)區(qū)域，油耗最低；急加速大負(fù)荷工況發(fā)動(dòng)機(jī)、驅(qū)動(dòng)電機(jī)共同全負(fù)荷輸出，提供最佳動(dòng)力；中速運(yùn)行（大于某車速kph 以上，與速比相關(guān)），發(fā)動(dòng)機(jī)可實(shí)現(xiàn)直驅(qū)，能量效率較串聯(lián)提升5%～7%；高速巡航工況，發(fā)動(dòng)機(jī)直驅(qū)，油耗較串聯(lián)優(yōu)8%～15%。

2.3 整車動(dòng)力系統(tǒng)機(jī)電耦合匹配經(jīng)驗(yàn)/能力

混動(dòng)技術(shù)的研發(fā)核心在于掌握混動(dòng)系統(tǒng)的能力，系統(tǒng)會(huì)進(jìn)行多種工作模式的相互切換，形成許多對(duì)單個(gè)動(dòng)力源而言的非連續(xù)瞬態(tài)過程。確保發(fā)動(dòng)機(jī)能在較短時(shí)間內(nèi)平穩(wěn)起動(dòng)；能有效控制驅(qū)動(dòng)前的轉(zhuǎn)速與離合器結(jié)合過程；能協(xié)調(diào)控制發(fā)動(dòng)機(jī)與電機(jī)轉(zhuǎn)矩，響應(yīng)因狀態(tài)切換而形成的發(fā)動(dòng)機(jī)需求轉(zhuǎn)矩變化；確保在汽車總需求轉(zhuǎn)矩較大波動(dòng)時(shí)，能有效協(xié)調(diào)控制電機(jī)與發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩。

這些是通過不斷地標(biāo)定、根據(jù)動(dòng)力系統(tǒng)架構(gòu)進(jìn)化來的。從豐田打開混動(dòng)專利來看，他們并不擔(dān)心學(xué)習(xí)借鑒者，因?yàn)檫@套系統(tǒng)最核心的是匹配能力，這些是需要時(shí)間和經(jīng)驗(yàn)的沉淀，從物理表現(xiàn)是吃不透的。

3 能量回收系統(tǒng)

混合動(dòng)力汽車在D/R/S 滑行或制動(dòng)時(shí)進(jìn)行能量回收。能量回收可設(shè)置成“低”“中”“高”或者“低”“標(biāo)準(zhǔn)”，由客戶根據(jù)不同的喜好選擇不同的回收等級(jí)。不同的回收等級(jí)對(duì)應(yīng)不同的減速感，在不影響駕駛感受及車身穩(wěn)定的情況下，盡量把能量回收強(qiáng)度做大。不同構(gòu)型的動(dòng)力系統(tǒng)，采取的能量回收方案略有差異。舉以上頁圖2 所示的某P1+P3 架構(gòu)為例，因P3 電機(jī)與車輪端為長(zhǎng)耦合，P1 電機(jī)通過離合器按需與車輪端耦合，必然存在P1 和車輪脫開的情況，故能量回收由P3 發(fā)電至電池完成。

4 熱管理系統(tǒng)架構(gòu)

高溫冷卻回路（發(fā)動(dòng)機(jī)端）與現(xiàn)有非常成熟的傳統(tǒng)燃油高溫回路類似，而低溫回路則不同。本文側(cè)重介紹低溫冷卻回路，其主要由低溫散熱器、電子水泵、發(fā)電機(jī)（P1）、驅(qū)動(dòng)電機(jī)（P3）、DCDC 變換器、MCU（雙電機(jī)）、高壓電池共同組成，由電子水泵帶動(dòng)冷卻水循環(huán)進(jìn)行冷卻。

舉某P1+P3 混動(dòng)為例（此構(gòu)型電池為風(fēng)冷、電機(jī)/電控均為水冷），如圖3 所示。

其控制工作原理：熱管理系統(tǒng)由整車控制器HCU、發(fā)動(dòng)機(jī)控制器ECM、低溫散熱器、電子水泵、發(fā)電機(jī)（P1）、驅(qū)動(dòng)電機(jī)（P3）、DCDC 變換器、MCU（雙電機(jī)控制器）、風(fēng)扇、AC 空調(diào)控制器、水溫傳感器等部件組成。整車控制器系統(tǒng)根據(jù)AC 控制器需求、部件水溫（P1、P3、DCDC、MCU）、發(fā)動(dòng)機(jī)水溫，綜合車速進(jìn)行：電子水泵的轉(zhuǎn)速控制、高低風(fēng)扇開啟及轉(zhuǎn)速控制。

5 發(fā)動(dòng)機(jī)啟停架構(gòu)及策略

混動(dòng)車型發(fā)動(dòng)機(jī)的平穩(wěn)啟停關(guān)系到駕駛的平穩(wěn)性，非常重要。舉某P1+P3 混動(dòng)為例（此構(gòu)型電池為風(fēng)冷）。

1）混動(dòng)系統(tǒng)根據(jù)下述需求進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)：高壓電池SOC 小于目標(biāo)SOC；電池溫度過低或過高，退出需設(shè)置溫度遲滯；“駕駛員原始需求的驅(qū)動(dòng)功率≥驅(qū)動(dòng)電機(jī)可用功率減去一定偏移量（偏移量與車速和加速踏板開度相關(guān)）；當(dāng)電池實(shí)時(shí)最大可用放電功率小于等于一定值；電子真空泵故障。整車有發(fā)動(dòng)機(jī)抽真空及電子真空泵，純電模式是采用電子真空泵，當(dāng)電子真空泵故障時(shí)，會(huì)強(qiáng)制發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)。

2）停機(jī)判斷：混動(dòng)車型發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)過程通常采用大電機(jī)拖動(dòng)，當(dāng)高壓電池能力受限（如極低溫、極高溫）。整車模式跳轉(zhuǎn)到EV 時(shí)，會(huì)停止發(fā)動(dòng)機(jī)；上述啟動(dòng)條件不滿足時(shí)，整車系統(tǒng)為達(dá)到最大經(jīng)濟(jì)化，按需停機(jī)；發(fā)動(dòng)機(jī)自身需求停機(jī)；電機(jī)故障；整車碰撞類需求停機(jī)。

6 混合動(dòng)力關(guān)鍵系統(tǒng)故障后處理

混合動(dòng)力汽車整車結(jié)構(gòu)及控制邏輯上更為復(fù)雜。1 個(gè)小部件問題可以引起整個(gè)混動(dòng)系統(tǒng)異常，同時(shí)多個(gè)部件的相互關(guān)系也會(huì)引起整車系統(tǒng)異常（如高壓電池異常、驅(qū)動(dòng)電機(jī)異常等）。通過制定動(dòng)力關(guān)鍵系統(tǒng)的故障等級(jí)定義，各零部件根據(jù)系統(tǒng)定義梳理部件故障種類及故障級(jí)別，并通過總線網(wǎng)絡(luò)發(fā)出。整車控制器則通過網(wǎng)絡(luò)收取部件的故障級(jí)別，并對(duì)整車故障級(jí)別進(jìn)行分類/匯總。針對(duì)每一個(gè)故障整車系統(tǒng)都會(huì)相應(yīng)的做出恰當(dāng)?shù)暮筇幚?。根?jù)混動(dòng)系統(tǒng)架構(gòu)構(gòu)型，整車制定《故障等級(jí)定義》及《動(dòng)力源失效處理方式》；關(guān)聯(lián)部件根據(jù)上述文件，梳理故障類型、級(jí)別及后處理，故障級(jí)別通過網(wǎng)絡(luò)總線發(fā)出；整車控制器大腦HCU 梳理故障類型、級(jí)別及后處理，再結(jié)合各零部件的故障級(jí)別，制定整車動(dòng)力系統(tǒng)處理方案。

7 結(jié)語

本文主要以某P1+P3 架構(gòu)混合動(dòng)力車型詳細(xì)描述了重點(diǎn)從混動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)力架構(gòu)組成特點(diǎn)、混合動(dòng)力關(guān)鍵點(diǎn)解析、混合動(dòng)力能量回收系統(tǒng)、混合動(dòng)力熱管理架構(gòu)、發(fā)動(dòng)機(jī)啟停策略、混動(dòng)關(guān)鍵系統(tǒng)故障后處理幾方面進(jìn)行闡述，對(duì)從事混動(dòng)汽車開發(fā)工作有一定的借鑒意義。隨著混合動(dòng)力汽車技術(shù)的不斷成熟及進(jìn)步，以及國(guó)家鼓勵(lì)的多元化發(fā)展，未來混合動(dòng)力汽車必將在汽車歷史長(zhǎng)河上占有無比輕重的地位，也會(huì)越來越深受人民大眾的喜愛。