插电式混动核心技术解析:可平衡补贴退坡、零部件价格和里程需求增加之矛盾

老杨

插电式混合动力汽车(PHEV)综合了纯电动汽车(EV)和混合动力汽车(HEV)的优点,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。在后补贴时期,政府补贴减少、消费者里程需求增加、电池成本降幅较小且车辆售价不能上涨,为PHEV提供了发展机遇。混动方案合理化、动力系统集成化、核心部件专用化和控制策略创新性设计是提升PHEV性能的关键核心技术。

1.发展PHEV的原因

1.1 PHEV符合技术路线

节能和新能源汽车技术路线图中规定,至2020年、乘用车新车平均油耗5L/100km,至2025年、乘用车新车平均油耗4 L/100km。

图1为传统车、HEV和PHEV油耗随质量的变化趋势,随着整备质量增加,各车型的油耗均正比例上升。由图1可知,整备质量较大的B级车必须依靠PHEV技术才能将油耗控制在5或4L/100km以内,与“以紧凑型及以上车型规模化发展插电式混合动力乘用车为主”技术路线保持一致。

插电式混动核心技术解析:可平衡补贴退坡、零部件价格和里程需求增加之矛盾


图1 车辆油耗与整车质量变化关系

1.2两级补贴大幅退坡

按照既定的退坡方案,250公里以上车型两级补贴在北京和天津分别下降2.2和2.75万。从整车成本方面考虑,零部件成本下降是解决补贴退坡最直接途径,但难度较大。

表1 补贴退坡统计

退坡价格

纯电动

插电混动

100~150km

150~250km

250km以上

50km以上

国补退坡(万元)

0.5

0.9

1.1

0.6

北京退坡

(万元)

0.5

0.9

1.1

0.6

天津退坡

(万元)

0.75

1.35

1.65

0.9

1.3零部件价格无大幅下降可能

理论上零部件价格下降可减少补贴退坡的压力。但近期由于铜材等价格上扬,零部件价格在2017年上半年只能维持现有状态、小幅波动,无大幅下降可能。因此,近期通过零部件降本平衡补贴退坡可能性不大。

第一电动网新闻图片

1.4续驶里程持续增加

表3为热销车型续驶里程的统计情况,续驶里程需求持续增加。里程增加,除了轻量化和再生制动优化外,最直接方式就是增大电池容量,电量增加导致整车成本上升。

表3 热销车型续驶里程统计

热销车型

北汽EU260

帝豪EV

比亚迪EV300

华泰XEV260

260km

253km

300km

266km

1.5 PHEV可平衡各种制约因素

PHEV可平衡补贴退坡、零部件价格和里程增加之间的矛盾。 PHEV的混动模式可解决纯电动里程问题;电池电量小,批量后可解决电量增加的成本问题;电池成本所占比例减少,对电池成本的敏感度降低。

表4 PHEV综合优势

轿车

SUV

电池9~16kWh

电池13~18kWh

PHEV的混动模式可解决纯电动里程问题

电池电量小,批量后可解决电量增加的成本问题

电池成本所占比例减少,对电池成本的敏感度降低

PHEV可规避纯电动“怕热怕冷”环境适应性问题

PHEV在国内推广阻力之一,就是认为在不充电的情况下、即进入能量维持CS阶段后,此时车辆与传统车无异,给出了“95%以上的车主都在以传统汽油车的模式运行插电混动车,建议取消插电混动的特定补贴”的建议,作者发表了“插电式混合动力=纯电动+强混≠纯电动+传统车”,解释了不充电情况下PHEV仍省油的原理。不充电情况下,PHEV比同等重量燃油车省油30%,这是获得两级补贴最基本条件,性能较好的PHEV在CS阶段可节油40%。

2.PHEV关键核心技术

2.1 混动方案合理化设计

表5为国内外各主流混动方案的对比分析, EDU代表上汽的双电机、双离合器、两挡AMT的集成方案;PGS为行星排耦合方案;P系列根据电机位置进行定义,P0和P1分别表示BSG和ISG方案,这两种方案不能实现纯电动模式,不能用于PHEV;P2和P3分别表示电机集成于变速器的输入和输出端,P4表示电机集成于后桥的ERAD结构,P04表示前轴为P0方案、后轴为P4结构。三菱欧蓝德更加复杂,前轴为P12、后轴为P4,组成了P124混动架构。

由表5可知,可作为PHEV结构的各种方案均可实现30%以上的节油效果,相对于其他方案,电机与有级式自动变速器方案比较适合于自主品牌,P2和P3方案更适用于自主品牌新能源轿车,P04可实现电子全时四驱功能、适用于SUV。

表5 各种混动方案对比

插电式混动核心技术解析:可平衡补贴退坡、零部件价格和里程需求增加之矛盾

2.2动力系统集成化设计

前舱的总布置是乘用车混动系统的难题之一,由于发动机、离合器和变速器均集成于此,横向尺寸非常吃紧、总布置上为ISG电机留出50mm的空间也比较难,所以很多方案放弃了效率较高的ISG方案,采用BSG方案解决总布置问题。广汽的GA5增程式混动更是采用发动机纵置方案,这种方案布置相对容易、但对于发动机工作时NVH优化提出了很大挑战。对于发动机频繁启停的插电式混动而言、发动机纵置可行性不大。

造成总布置困难的主要原因,就是总布置时采用简单的迭代累加方案,零部件越多、横向尺寸越长。

丰田等在集成化设计方向取得较大进展,作为全球销量即将迈入千万销量的THS系统、仍在不断探索混动系统优化设计问题。最新的第四代THS驱动电机MG2不再同轴,通过一个反转从动齿轮减速,并与行星齿轮组的齿圈结合。基于新的齿轮传动、新的电机和双电机平行布置,结构更紧凑,重量更轻,而扭矩相差不大。总长度比第三代缩小了47mm,零件数量和总重量分别降低20%和6.3%。

插电式混动核心技术解析:可平衡补贴退坡、零部件价格和里程需求增加之矛盾

对于常用的P2或P3结构而言,可将减震系统或离合器集成到电机转子内,缩短横向尺寸。格特拉克等企业也在试验将电机集成于DCT中的结构方式,根本上解决前舱总布置的空间尺寸难题。

2.3 核心部件专用化设计

近几年纯电动汽车发展带动电驱动技术的迅速提升,规模较大的主机厂均已掌握整车电控技术、已经有厂家通过ISO26262的严格认证。电机和控制器技术可比肩世界先进水平,配电箱和充电机等附件技术也取得较快发展。针对PHEV而言,发动机和自动变速器技术仍需加强,尤其是阿特金森循环发动机和带电动油泵的自动变速器。

2.3.1专用发动机

与增程式混动动力相比,PHEV发动机工作比较频繁,在能量维持CS阶段的启停、助力、行车发电和串联模式中,都需要发动机参与驱动、使电池SOC维持在恒定值(例如20%)附近。即使在能量消耗CD阶段,在油门踏板开度较大的加速模式中,为了满足车辆加速需求,仍需要发动机助力驱动,例如沃蓝达在踏板开度较大时,即使电池SOC较高,发动机仍会立即参与驱动。

由此可见,发动机性能对插电式混合动力性能影响较大,尤其是发动机的热效率直接影响着CS阶段和综合油耗。

表6为当前市场上几款代表性PHEV的发动机,由表中可以看出,日美代表性车辆均装配阿特金森循环特性的发动机、重视车辆油耗,欧洲沿用了传统汽车涡轮增压方式、突出动力性能。国内比亚迪秦和上汽荣威950与欧洲类似,采用增压发动机。

第一电动网新闻图片

表7为三款典型阿特金森循环发动机的特性,热效率均大于38%、甚至达到40%,比油耗小于等于220g/kWh;而涡轮增压发动机比油耗最小一般在240 g/kWh,从油耗角度性能不及阿特金森循环发动机。

表7 阿特金森发动机特性

发动机厂商

发动机热效率

比油耗

本田i-MMD混系统

38.9%

小于等于220g/kWh

丰田普锐斯第四代

40%

丰田普锐斯第三代

38.5%

田雅阁双电机混动车辆,重量达1.723吨,SOC平衡阶段、即不充电情况下油耗仅为5.1L/100km;1.435吨的第三代普锐斯,油耗仅为4.7L/100km,第四代系统油耗更低;卡罗拉和雷凌普通混动车辆油耗仅为4.2L/100km;取得如此低的油耗,热效率高、比油耗低的阿特金森发动机是主要原因之一。

国内宣传综合油耗为1.6L/100km的PHEV,按照GB/T 19753折算后,CS阶段油耗在6.1L/100km以上,与国外差距较大。

因此,国内PHEV也应尝试采用阿特金森循环发动机,降低CS阶段油耗,这样即使不充电、也能达到节能降耗的目标。国内有些车企在2009年成功开发了阿特金森循环发动机,可见具备这方面研发能力,后续应加大该类型发动机的匹配和装车力度,

2.3.2自动变速器

国内自动变速器技术发展严重滞后于整车技术的发展,即使是传统车,除了奇瑞CVT和比亚迪DCT技术初具规模外,上汽DCT、青山DCT、北汽引进CVT、容大CVT、盛瑞8AT、吉利前期引进DSI的AT和华泰6AT技术取得了一定发展,但与国外先进自动变速技术相比差距很大,始终突破不了自动变速器特有的机电液综合难点技术。

插电式混合动力由于具有纯电动等运行模式,对变速箱提出特殊要求、应做专用化设计,主要如表8中以下四点所示。

表8 PHEV变速器的专用设计

功能

功能解释

支持纯电动功能

变速箱需要匹配电动油泵,确保纯电动模式下润滑和冷却;如果没有电动油泵,只能控制发动机保持怠速、为变速器提供润滑和散热的动力,但会导致油耗和排放增加。

支持启停功能

有启停电机装置,变速箱端通过离合器或空挡设置,保持发动机与动力系统分离、快速启停;无启停装置,通过离合器滑磨、利用惯性启动发动机的车辆,离合器需做强化设计,确保寿命。

换挡器解耦

换档器与实际挡位输入解耦,变速器杆位和挡位,需经整车控制器根据车速、实际挡位输入及发动机转速等条件,综合判别后确定。

输入扭矩增加

电机置于变速器输入端的结构,由于电机和发动机扭矩叠加增大,变速器轴承等部件需要强化设计;承受扭矩较小时,可将电机置于变速器输出端,电机动力与变速器输出动力进行耦合。

国内外主流PHEV采用的变速器类型如下表所示,由此可知,各种变速器均有各自优点、都进入了PHEV应用范畴,主机厂应根据在动力系统方面的研发积累,选择适用于自己PHEV的动力系统。

表9 PHEV变速器类型分析

变速器

厂商

备注

DCT

比亚迪秦

6

长城

2017年上市

大众高尔夫GTE

6

CVT

奇瑞艾瑞泽7

自主开发

AMT

PSA3008

6挡,PHEV2019年上市

上汽

2

AT

沃尔沃S60

8

宝马X1

6

行星排

丰田普锐斯

单行星轮系

通用沃蓝达

单行星轮系

吉利CHS

双行星轮系

离合器耦合

本田i-MMD

双电机

三菱欧蓝德

四驱结构

自动变速器是PHEV中动力耦合和传递的重要一环,随着对PHEV的重视的大量研发投入,PHEV反过来会促进自主自动变速技术的发展。

2.4控制策略创新性设计

控制策略对PHEV在CS阶段的油耗影响较大,控制目标就是在满足动力性需求前提下,使发动机工作于高效区、同时尽量减少能量转换次数,综合降低油耗。

匹配DCT、AMT和AT等有级式自动变速器的混动系统是国内PHEV的主流,针对此类控制系统,两参数或三参数换挡规律,以及三线四区扭矩分配方法是当前主要采用的控制方法。相关控制方法的缺点是,两参数或三参数换挡规律不适用于多动力源的PHEV系统;在扭矩分配方面,通过电机助力或行车发电作用,使发动机工作于最佳燃油经济性曲线或高效区,尽管提高了发动机工作效率,但由于助力或发电时电能和机械能的连续转换、导致电耗增加,车辆的综合油耗没有达到最优、考虑并不全面。

作者自2001年开始参与混合动力科研项目,根据研究积累,分享基于电耗补偿的换挡规律和扭矩分配策略。

2.4.1控制方法优化

基于电耗补偿的控制策略中,参考车速、需求扭矩和工作模式,确定出所有可能的挡位和扭矩分配组合,发动机比油耗修正后最低组合对应的挡位和扭矩,即为发动机和电机的控制指令。比油耗的修正是指根据电机功率大小,在发动机比油耗数值基础上叠加一个惩罚因子,体现出对电动部件电耗的综合考虑;同时该惩罚因子与发动机输出功率相关,电机功率一定的情况下,发动机功率越小,惩罚因子越大,反之越小。图3为换挡规律和扭矩分配控制流程框图。

插电式混动核心技术解析:可平衡补贴退坡、零部件价格和里程需求增加之矛盾

以7挡P2结构PHEV为例,对控制方法进行举例说明。

插电式混动核心技术解析:可平衡补贴退坡、零部件价格和里程需求增加之矛盾

图4中曲线Ⅰ表示变速器处于1挡,发动机运行于最佳燃油经济性曲线的转速区间(800~6000 rpm)时,发动机传递至车轮处的扭矩随车速的变化关系。同理,曲线Ⅱ~Ⅶ分别表示2~7挡,发动机传递至车轮的扭矩曲线。

假设车速为50km/h时,根据加速踏板和车速判断,此时需求扭矩为2000Nm。由图4可知, 2~6挡时、可使发动机转速处于800~6000 rpm之间,2~6挡时对应发动机转速为n2, n3, n4, n5和n6。n2~n6分别插值出在OEC曲线上对应扭矩,乘以各挡位速比、主减速器速比和传动效率,即可得到Te2, Te3, Te4, Te5和Te6,如图中A, B, C, D和E所示。如果此时是行车助力模式, 由于A点扭矩大于需求扭矩,此时电机输出动力时、发动机工作点会远离最佳经济性曲线,整车经济性反而不好,因此2挡时发动机单独提供需求扭矩、为Te2,M输出扭矩为0; 3~6挡发动机最佳经济点扭矩小于需求扭矩,假如此时电池放电功率和电机输出扭矩均可补偿发动机扭矩、使发动机分别工作B~E点,计算出电机输出扭矩Tm3, Tm4, Tm5和Tm6。根据扭矩和转速,可得到发动机工作在B~E点时发动机输出功率Pe3, Pe4, Pe5和Pe6,以及电机输出功率Pm3, Pm4, Pm5和Pm6。(n2, Te2), (n3, Te3), (n4, Te4), (n5, Te5)和(n6, Te6)在发动机万有特性对应比油耗分别为g2, g3, g4, g5和g6,发动机万有特性数据应该考虑曲轴加速度、插值出的比油耗与实车一致。(Pe3, Pm3), (Pe4, Pm4), (Pe5, Pm5)和(Pe6, Pm6)插值出比油耗修正值△g3, △g4, △g5和△g6。油耗修正主要是考虑电耗的影响,在某一挡位时尽管发动机比油耗最低,但此时如果电机输出功率较大、导致电机和电池的损耗增加,从动力系统角度未必是最优经济性选择。由于2挡时电机输出功率为0、综合比油耗为g2,3~6挡时综合比油耗分别为g3+△g3, g4+△g4, g5+△g5和g6+△g6,综合油耗最低挡位为确定的目标挡位,对应的发动机和电机输出扭矩是对应部件的目标扭矩。

如果此时是行车发电模式,2挡时发动机工作在A点对应扭矩、盈余动力由电机发电给蓄电池充电;3~6挡时发动机最佳扭矩小于需求扭矩,如果发动机单独驱动满足需求、纯发动机工况经济性较好;参考行车助力模式的判定步骤,即可确定出目标挡位和目标扭矩。

控制指令仲裁和输出时应避免频繁换挡,限定两次相邻换挡的最短时间(例如5s),输出最终的挡位和扭矩指令。

其余工况与以上控制过程类同。

2.4.2 分析结果验证

以两种典型的客车SUV为例,对各种策略性能进行了分析计算,客车和SUV整备质量分别为12吨和1.9吨。

在扭矩分配方面,三线四区和五线六区法得到广泛应用,三线四区是指发动机万有特性图形由外特性、最佳燃油经济性和最小工作扭矩曲线分成四个工作区域;在最佳燃油经济性曲线上下各添加一条曲线,两条曲线之间为纯发动机工作区域、称之为五线六区;

各种策略性能对比如表10所示,前面两种是工程实际中最常用的“两参数+三线四区”和“两参数+五线六区”;第三和第四为基于功耗补偿的控制方法,第三种方法表示惩罚因子均为0,第四种方法中惩罚因子按照实际参数设定。

表10 整车燃油经济性

控制方法

客车/(L/100km)

SUV/ (L/100km)

两参数+三线四区

22.4

6.22

两参数+五线六区

22.3

6.09

电耗补偿(无惩罚因子)

20.85

5.92

电耗补偿(有惩罚因子)

20.22

5.81

第三和第四与第一和第二两种方法相比,燃油经济性均得到了较大提高,证明从多种挡位和扭矩分配组合中选择较好组合的合理性。第四种方法优于第三种,证明利用惩罚因子修正发动机比油耗的必要性。总之,与常用的第一和第二两种方法相比,基于电耗补偿的第四种方法在SUV上分别提高6.60%和4.60%,客车上分别提高9.72%和9.32%,证明了新型控制方法的优点。

3.总结

插电式混合动力汽车可平衡补贴退坡、零部件价格和里程需求增加之间的矛盾,符合国家电动化发展战略需求,是对纯电动平台技术的有益补充。混动方案合理化设计、动力系统集成化设计、核心部件专用化设计和控制策略创新性设计是PHEV的关键核心技术,国内外在核心技术方面均处于发展探索阶段,车企尤其自主品牌应加大核心技术研发投入,推动PHEV核心技术快速发展。

作者系华泰汽车新能源研究院院长、清华大学博士后、教授级高工

8
相关车型

想看更多 不感兴趣
重复、旧闻
内容质量差
确定
引领产业升级,北汽新能源领跑中国新能源汽车消费3.0时代
克莱斯勒Portal电动MPV有望2018年后投产
中兴2019年或推汽车电子产品,新能源商用车五年争前五
奇瑞“战略转型2.0元年”精彩收官,2017聚焦新能源
盘点2016中国汽车,新能源车企阵痛中布局
汽车ID权限可分享, 大众2020年将推出大众用户ID
四维图新:收到重大资产重组核准批文
中国规模最大直流快充站投入运行,一次充电仅需15至20分钟
亚马逊新专利:让无人驾驶汽车在可逆车道上行驶
日本电机企业向新一代汽车狂投资金
国内资金出境受限,腾讯与富士康并未注资新能源汽车FMC
我国新能源汽车产销量连续两年居世界第一
南昌发布2016年新能源汽车补贴方案,市级补贴与省级补贴1:1配套
我国“十三五”期间将建超800座城际快速充电站
三亚发布“十三五”新能源汽车推广方案,到2020年推广6000辆
长安逸动插电混动版实车曝光 油耗仅1.6升
Google提交自动驾驶新专利 车辆全自动接客
纯电动客车12月产3.5万辆刷新纪录
奇瑞未来纯电动新车计划曝光:EQ1、艾瑞泽5 EV
深圳拟加强大数据合作,网约车乘客行程可报备警方
下一篇

图集 | 欧陆陆虎微型电动车独家实拍 同级别车中的佼佼者

图集 | 欧陆陆虎微型电动车独家实拍 同级别车中的佼佼者


第三方登录
纯净阅读
意见反馈

反馈和建议 在线回复

第一电动网
Hello world!