混合動力汽車架構規劃

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、發動機啟停架構的規劃。

關鍵詞：PHEV;動力;高壓;熱管理;發動機啟停;架構

1 引言

相對與傳統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，能量來源發動機或高壓電池或同時來自于發動機和高壓電池，整車控制器根據相應的行駛工況優化分配整車動力來源，從而將能量轉化效率控制在較高水平，故能實現低能耗，另外當整車高壓電池或發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（包括家用電源插座）對動力電池充電，其次發動機也是動力源之一，同時可以將發動機的動能轉化高壓電池電能，動力系統主要結構見圖1。

動力系統—電傳動動力系統。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—發動機動力系統。主要包括：發動機、K0離合器、變速箱、K1離合器。

其中K0離合器位于發動機和P2電機之間，用于控制發動機飛輪和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電機由電驅動所輸出扭矩和發動機輸出扭矩在P2動力輸出軸進行疊加。其中發動機、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電機驅動車輛，K0離合器分離，發動機未啟動。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-經濟模式。P2電機驅動車輛，K0離合器分離，發動機未啟動。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-四驅模式。K0離合器分離，發動機未啟動。P2、P4共同驅動車輛，行駛時K1閉合，在換擋過程中K1斷開。

HEV NORMAL：混動-標準模式。發動機和P2電機一同驅動車輛，但發動機不一定一直運行。當需要發動機介入驅動或利用P2電機將發動機動力轉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-經濟模式。發動機和P2電機一同驅動車輛，但發動機不一定一直運行。當需要發動機介入驅動利用P2電機將發動機動力轉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-四驅模式。發動機、P2、P4一同驅動車輛。但發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。發動機、P2、P4一同驅動車輛。發動機一直運行。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。發動機和P2電機一同驅動車輛，但發動機不一定一直運行。當需要發動機介入驅動或利用P2電機將發動機動力轉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設定了不同pedal map和gear shift map，動力響應及燃油經濟性才會有所不同，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動機強制啟動，整車駕駛模式會跳轉到相應的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”。回收等級可設計成由用戶自定義，即在每種駕駛模式下，用戶都可以根據自己的喜好去選擇相應的回收等級，此設計更多體現用戶選擇最大化。回收等級也可以設計成和駕駛模式關聯的回收等級，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抱死的現象，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，同時需要和車身穩定系統（ESC）進行協調控制，以達到在車身穩定的前提下最大程度的進行能量回收。當涉及到車身穩定系統的某些功能激活時（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 高壓系統組成

高壓系統主要構成有，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）、PTC（加熱器）、電動空調壓縮機。其中DC/DC是連接高壓系統與低壓系統的接口，DC/DC負責將高壓直流電轉化為低壓直流電，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。高壓架構可以根據具體車型進行調整，如可將DC/DC、OBC、PDU進行集成在一起或將DC/DC集成在PEU1里，具體可根據整車控制需求及總體布置進行靈活調整，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

高溫冷卻循環示意圖如圖3所示。與傳統燃油車相同，高溫冷卻循環負責發動機冷卻和乘員艙加熱功能。高溫冷卻循環部件包括：儲液壺、高溫散熱器、高溫散熱器冷卻液溫度、發動機、節溫器、冷凝器、熱核。當無空調制熱需求時，高溫冷卻循環走小循環。循環路線：高溫散熱器→發動機→高溫散熱器。當有空調制熱需求時，高溫冷卻循環走大循環。

4.1.2 低溫冷卻循

中/低溫冷卻循環圖如圖4所示，中/低溫冷卻循環負責高壓電池、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，低溫冷卻循環走大循環。循環路線：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，低溫冷卻循環走小循環。循環路線：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，低溫冷卻循環走小循環。循環路線：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的小循環、小循環運行時間、空調運行的功率由整車控制器根據各個高壓部件的正常工作溫度范圍及及空調所能達到的制冷功率進行綜合的控制。冷卻循環路線需根據具體實車測試結果進行調整，當零件出現溫度過高時，適當的調整循環路線及控制方式，以達到最佳工作效果。

5 PHEV插電式混合動力汽車發動機啟停架構

5.1 發動機啟動方式

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

1、環境溫度極低，因為在環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帶動發動機啟動所需的功率;

2、存在高壓系統失效，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動機

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

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

3、空調制熱需求。在任意駕駛模式下，當開啟空調制熱時，會啟動發動機，且驅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故障時，整車會控制發動機啟動在進氣歧管處產生真空，從而使機械真空泵起作用。

5.3 發動機停機。當滿足如下任意條件時會停止發動機

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

2、整車模式為HEV MORMAL/HEV ECO/HEV AWD/HEV SAVE時，根據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動機，當不需要發動機介入驅動或發電時，會停止發動機。

3、整車發生碰撞，會停止發動機。

4、發動機自身需停止發動機的故障。

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

應避免在起步或換擋的過程中進行發動機的啟停控制。

5.4 發動機啟停架構如圖5所示

6 總結

本文介紹了PHEV混合動力汽車的動力系統、高壓系統、熱管理系統、發動機啟停系統的架構，相對于傳統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，整車標定參數的選取很重要，如果標定參數不合理，可能會比傳統然后車更消耗能源，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：

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