东风PHEV混合动力系统的构成和控制策略

作者：许永红， 章国光

1 前言  

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。

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（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。

审核编辑：汤梓红