新能源插電式混合動力汽車饋電時控制邏輯的分析與駕駛體驗優化

陳新騰

摘 要：時代的發展使得環境污染問題愈發嚴重，機動車成為排放污染物的重要貢獻者。因此，發展新能源汽車具有很強的戰略性必要性。常見的混合動力汽車可粗略分為兩大類：HEV 普通型混合動力汽車;PHEV 插電式混合動力汽車。前者的代表性車型為：豐田普銳斯、一汽豐田卡羅拉雙擎。后者的代表車型為：比亞迪秦、榮威Ei6等國產車型。特殊車型為傳祺GA5插電增程式電動車。本文重點介紹PHEV插電式混合動力汽車根據不同混動架構，在饋電時對駕駛質感以及能耗的影響做出分析、以及探討可采取對應結構的改進方法及手段的可行性分析。PHEV插電式混合動力汽車饋電駕駛質感以及能耗的改變最終通過P0位置加裝BSG電機或者P1位置加裝ISG電機（適用于P3結構混合動力車型、代表車型比亞迪秦）、采用能量分流的混動架構（例如一汽豐田卡羅拉雙擎）以及雙電機增程式架構（例如傳祺GS4 GA5新能源 前軸發動機帶動發電機發電 輸出動力的任務完全交給大功率的獨立電機）等。通過該方式使得在饋電狀態時，發動機與傳動系脫藕，于最佳經濟轉速只用于發電。從而使能量得到最合理的利用、實現饋電油耗低、以及饋電行駛質感提升的目的。

關鍵詞：插電式混合動力 PHEV 新能源 混合動力架構 HEV 機動車污染

Analysis of Control Logic and Optimization of Driving Experience when New Energy Plug-in Hybrid Electric Vehicles are Fed

——Analysis of the Relationship between Different Hybrid Architectures and Driving Experience and Energy Consumption

Chen Xinteng

Abstract：The development of the times has made environmental pollution more serious， and motor vehicles have become an important contributor to pollutants emission. Therefore， the development of new energy vehicles has a strong strategic necessity. Common hybrid vehicles can be roughly divided into two categories： HEV ordinary hybrid vehicles; PHEV plug-in hybrid vehicles. Representative models of the former are： Toyota Prius， FAW Toyota Corolla Double Engine. The latter's representative models are： BYD Qin， Roewe Ei6 and other domestic models. The special model is Trumpchi GA5 plug-in extended-range electric vehicle. This article focuses on analyzing the impact of PHEV plug-in hybrid electric vehicle on driving texture and energy consumption during power feeding according to different hybrid architectures， and discussing the feasibility analysis of corresponding structural improvement methods and means. PHEV plug-in hybrid electric vehicle feed driving texture and changes in energy consumption will finally be installed at P0 position with BSG motor or P1 position with ISG motor （applicable to P3 hybrid models， representative models of BYD Qin）， and the use of energy split Hybrid architecture （such as FAW Toyota Corolla dual engine） and dual-motor extended-range architecture （such as Trumpchi GS4 GA5 new energy front axle engine to drive the generator to generate power and output power is completely assigned to the high-power independent motor）. In this way， in the feed state， the engine and the drive train are decoupled， and the optimal economic speed is only used for power generation so as to make the most reasonable use of energy， realize the purpose of low fuel consumption of power feed and improvement of power feed driving texture.

Key words：plug-in hybrid， PHEV， new energy， hybrid architecture， HEV， motor vehicle pollution

1 引言

目前隨著時代快速發展的大環境下，工業科技迅速發展以及人口爆發式增長、生活節奏的加快導致環境污染愈發嚴重。機動車已經成為了環境污染物排放的一個重要貢獻者。按照統計，根據目前公安部交通管理局發布的數據，截至6月底，全國機動車保有量達3.19億輛。根據數據顯示，2018年上半年新注冊登記機動車達1636萬輛。新能源汽車保有量達199萬輛，私家車保有量達1.8億輛，2018年以來保有量月均增加166萬輛，保持持續快速增長。如此龐大的機動車保有量產生的廢氣污染是首當其沖必須解決的重點問題。因此，在國家的決策方針上已經將發展新能源汽車列為新時代發展的重要戰略方向。目前在政策上給予的鼓勵較多，例如在各大城市（北京除外）直接上專用的新能源牌照且無數量限制（綠色專用牌照，除了代表行政區域的第一位字母、純電動車牌照開頭為D、混合動力汽車牌照開頭為F）。普通車藍牌需要搖號或競拍，幾率很小或成本很高且有上牌數量限制。發展新能源純電動汽車受制條件較多，例如：充電樁數量、充電場地建設、電池續航、電池循環壽命、充電速度、高速行駛續航里程衰減較快等目前存在的難題制約著純電動汽車的發展。而在目前上述問題得到解決之前，發展插電式混合動力汽車則很好的避免了此類問題。混合動力汽車通過對燃油效率的高效利用，避開傳統純燃油發動機的致命缺點（低轉速區間效率過低）。通過在車輛低速行駛的狀態對發動機與傳動系進行解耦的設計（發動機不會受到汽車行駛工況的干擾，只在高效率轉速區間發電）以及制動能量回收的設計（剎車能量不浪費）等各方面措施，使得車輛的整體燃油經濟性提高40%左右。

2 正文

現各大汽車主機廠商的插電式混合動力車型PHEV，設計思路如下：一般都是擁有一臺發動機、外加P0-P4等各個位置（根據設計理念）設計不同數量的電機，根據作用及分類功率有大有小。

而在非插電式混合動力系統中，輕型混合動力系統（俗稱輕混）一般來說只有一臺BSG電機（P0位置）或ISG電機配合發動機組成的低壓混合動力系統。由于該電機功率較小，通常只用于輔助發動機加速以及啟停。

結構如下：

通過結構圖可以看到，P0位置的電機（BSG）取代了傳統的發電機，增加了DC/DC模塊以及48V電池（容量一般在0.15-0.2Whr左右），并保留傳統12V蓄電池。啟停的時候，BSG電機可以越過發動機抖動的轉速區間，瞬間拉升到穩定轉速，實現舒適啟停。同時，在起步階段輔助發動機進行加速。當車輛減速的時候;若發動機未與變速箱脫藕，這個時候還可以將多余的動力轉換為電力儲存在48v蓄電池以便再次利用，并通過DC/DC模塊轉換為12v電壓，供給傳統的車載電器使用。通過以上方案，可以實現6%-15%的燃油經濟性且成本低。以上輕混結構由于功率小、電池容量小，所以不需要考慮外接充電，也不存在饋電的問題。直接通過高效的利用發動機的能量實現燃油經濟性，現已被廣大汽車主機廠商所采用。

第二種是以豐田為代表性的混聯式普通混合動力架構（HEV），其動力結構如下：

可以看到，豐田的混聯式混合動力結構也是對發動機燃油效率的高效利用，采用一臺阿特金森循環發動機、并外加兩臺電機。這種非插電式的混聯式結構可以采用小容量動力電池（1-1.5Whr）且淺充淺放，不需要外接充電。由于對燃油依賴性高，雖然有電力驅動系統，但不能歸類于新能源車型。

在我國，政策上對新能源插電式混合動力車型的定義如下：

1.可外接充電

2.純電續航里程≥50KM

3.擁有電力驅動系統和燃油驅動系統，并且可互相轉換驅動。

主機廠的產品需滿足以上所有條件，才可獲得補貼并且車輛可上新能源專屬綠牌。故現在的汽車主機廠家都大力響應政策的號召，重點研發并聯、串聯、混聯等各類驅動結構的新能源混合動力汽車。由于PHEV插電式混合動力汽車的設計思路不同于傳統的HEV普通混合動力汽車。在插電式混合動力汽車里，重點是以純電動行駛為主，燃油發動機只是作為備用。這一點設計理念和HEV普通混合動力汽車的差別很大。前者是滿足短途通勤（即白天短途通勤，晚上充電）可以實現零排放的需求，后者是在全工況的條件下都可以實現燃油高效率利用。所以早期眾多新能源插電式混合動力汽車車型上都沒有過多的全方位考慮現實的使用情況（目前充電樁的數量過少，而且混合動力汽車一般不能采用快速充電）以至于絕大部分用戶實際上會將插電式混合動力汽車作為HEV混合動力汽車使用，即不充電只加油。對于以上的使用情景而言，PHEV插電式混合動力汽車的設計思路就顯得有些不足。特別是對于并聯型的插電式混合動力汽車，代表車型比亞迪秦。我們接下來看一下比亞迪秦的混合動力驅動結構：

如上圖所示，我們可以看到：電機-DCT-發動機-驅動輪的動力輸出都在一條線上，由齒輪直連，不存在行星齒輪動力分配機構。

這樣以來，電機的轉速與輸出軸恒定。車輛大于40km/h的時候，輸出軸的轉速足以驅動電機以較大效率的轉速發電。但是一旦遇到純市區工況（車速長時間低于40km/h）的情況下，發電工況變得惡劣，轉換效率低下、發電機不能與輸出軸脫藕進行高轉速發電。于是車輛進入饋電狀態，由發動機全程驅動。這時候，混合動力的節能優勢全無。這個時候，發動機處于低轉速的低效率直驅狀態，長時間在此工況，油耗可達到12L/100km。解決該饋電問題的思路是讓發動機保持高轉速的高效率區間進行充電。

由此一來，解決問題的方法浮出了水面。如下圖。

我們可以在P0位置，增加一臺BSG電機，功率大約在25kw左右。由于BSG和發動機直接相連，且DCT可切斷發動機與輸出軸的動力連接。

再由配套軟件的控制，在車輛低速狀態的時候，DCT離合器脫藕，發動機不再直驅驅動軸，而是直接將轉速拉升至1450r/min左右的較高效率轉速（兼顧NVH）帶動BSG發電機進行發電進入增程式工況。并由主電機進行驅動，最終使得燃油效率達到5L/100km左右的高效率水平。既保證了該結構的動力性能，又兼顧了饋電工況的油耗。僅增加了BSG電機的成本，又無需在動力結構上做較大的改動。在成本、使用舒適性、與節能方面取得一個良好的平衡點。

參考文獻：

[1]2018年中國汽車保有量及市場規模將持續增長[OL]中國產業信息網[引用日期2020-7-05].

[2]比亞迪秦 2017款官方維修指導手冊[DB]比亞迪汽車（BYD AUTO）[引用日期2020-7-10].

[3]博格華納：混合動力構型繁多 P2大有可為[OL]AI《汽車制造業》.