常見混合動力關鍵系統架構分析

高祖成， 莫季才， 黃祖朋， 李 堅

（上汽通用五菱汽車股份有限公司技術中心， 廣西 柳州 545007）

引言

“雙積分”政策已進入強制考核階段，混合動力汽車是節能減排、實現“碳中和”的關鍵路徑之一。該汽車融合了傳統燃油汽車和電動汽車的優點，是當前最具有市場價值的低排放和低油耗汽車。當前國家鼓勵多元化發展，市面上存在多種不同模式的混動汽車，各有千秋，百花爭鳴。本文主要以某HEV 混動動力車型為例，重點從混動系統動力架構組成特點、關鍵點解析、能量回收系統、熱管理架構、發動機啟停、關鍵系統故障后處理等方面進行闡述，對從事混動汽車開發工作有一定的借鑒意義。

1 混合動力的系統構架

混動系統架構根據電機在動力傳輸的不同位置及組合，構成了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力架構[1]。如圖1 所示。

P0 為電動機位于發動機皮帶位置，功能特點是電機實現發動機啟停。P1 為在第一個離合器之前，電機與發動機不可分離，特點是電機實現發動機啟停及發電。P2 為在第一個離合器之后，變速器輸出軸之前，電機和發動機可以分離，特點是電機實現發動機啟停、發電、純電行駛。P3 為在變速器輸出軸上，在主減速器之前，特點是電機實現發電、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，特點是通常說的后驅或者四驅車型。

2 混合動力關鍵點分析

2.1 高效的發動機

混動動力減少了發動機低轉速/低扭矩的需求，需求專用發動機經濟區擴大，發動機熱效率提高。故熱效率是考核混動發動機的關鍵要素，如日系豐田/本田常用的1.8&2.0&2.5 阿特金森/米勒循環發動機熱效率43%，長安藍鯨IDD 混動（增加可變氣門升程、可變截面電子渦輪增壓）總體效率45%、長城的檸檬混動發動機（1.5L 阿特金森）（1.5T 米勒循環）等。

2.2 高效率的變速箱&動力耦合機構

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）。傳統效率越高，損失的能量越低。

例如某P1+P3 架構，如圖2 所示，混動系統為2.0阿特金森發動機+DHT（混動變速箱），其中DHT（混動變速箱）由P1 發動機、P3 驅動電機、離合器、耦合器共同組成，整個系統的傳動效率可達到97%。

此結構支持多種模式：可EV 行駛、混聯驅動、串聯驅動、能量回收、怠速停機等，通過智能切換實現各種駕駛場景下動力與油耗的完美平衡：低速行駛，EV和串聯模式之間智能切換，使發動機工作在最優經濟區域，油耗最低；急加速大負荷工況發動機、驅動電機共同全負荷輸出，提供最佳動力；中速運行（大于某車速kph 以上，與速比相關），發動機可實現直驅，能量效率較串聯提升5%～7%；高速巡航工況，發動機直驅，油耗較串聯優8%～15%。

2.3 整車動力系統機電耦合匹配經驗/能力

混動技術的研發核心在于掌握混動系統的能力，系統會進行多種工作模式的相互切換，形成許多對單個動力源而言的非連續瞬態過程。確保發動機能在較短時間內平穩起動；能有效控制驅動前的轉速與離合器結合過程；能協調控制發動機與電機轉矩，響應因狀態切換而形成的發動機需求轉矩變化；確保在汽車總需求轉矩較大波動時，能有效協調控制電機與發動機的轉矩。

這些是通過不斷地標定、根據動力系統架構進化來的。從豐田打開混動專利來看，他們并不擔心學習借鑒者，因為這套系統最核心的是匹配能力，這些是需要時間和經驗的沉淀，從物理表現是吃不透的。

3 能量回收系統

混合動力汽車在D/R/S 滑行或制動時進行能量回收。能量回收可設置成“低”“中”“高”或者“低”“標準”，由客戶根據不同的喜好選擇不同的回收等級。不同的回收等級對應不同的減速感，在不影響駕駛感受及車身穩定的情況下，盡量把能量回收強度做大。不同構型的動力系統，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 架構為例，因P3 電機與車輪端為長耦合，P1 電機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 發電至電池完成。

4 熱管理系統架構

高溫冷卻回路（發動機端）與現有非常成熟的傳統燃油高溫回路類似，而低溫回路則不同。本文側重介紹低溫冷卻回路，其主要由低溫散熱器、電子水泵、發電機（P1）、驅動電機（P3）、DCDC 變換器、MCU（雙電機）、高壓電池共同組成，由電子水泵帶動冷卻水循環進行冷卻。

舉某P1+P3 混動為例（此構型電池為風冷、電機/電控均為水冷），如圖3 所示。

其控制工作原理：熱管理系統由整車控制器HCU、發動機控制器ECM、低溫散熱器、電子水泵、發電機（P1）、驅動電機（P3）、DCDC 變換器、MCU（雙電機控制器）、風扇、AC 空調控制器、水溫傳感器等部件組成。整車控制器系統根據AC 控制器需求、部件水溫（P1、P3、DCDC、MCU）、發動機水溫，綜合車速進行：電子水泵的轉速控制、高低風扇開啟及轉速控制。

5 發動機啟停架構及策略

混動車型發動機的平穩啟停關系到駕駛的平穩性，非常重要。舉某P1+P3 混動為例（此構型電池為風冷）。

1）混動系統根據下述需求進行發動機啟動：高壓電池SOC 小于目標SOC；電池溫度過低或過高，退出需設置溫度遲滯；“駕駛員原始需求的驅動功率≥驅動電機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）；當電池實時最大可用放電功率小于等于一定值；電子真空泵故障。整車有發動機抽真空及電子真空泵，純電模式是采用電子真空泵，當電子真空泵故障時，會強制發動機啟動。

2）停機判斷：混動車型發動機啟動過程通常采用大電機拖動，當高壓電池能力受限（如極低溫、極高溫）。整車模式跳轉到EV 時，會停止發動機；上述啟動條件不滿足時，整車系統為達到最大經濟化，按需停機；發動機自身需求停機；電機故障；整車碰撞類需求停機。

6 混合動力關鍵系統故障后處理

混合動力汽車整車結構及控制邏輯上更為復雜。1 個小部件問題可以引起整個混動系統異常，同時多個部件的相互關系也會引起整車系統異常（如高壓電池異常、驅動電機異常等）。通過制定動力關鍵系統的故障等級定義，各零部件根據系統定義梳理部件故障種類及故障級別，并通過總線網絡發出。整車控制器則通過網絡收取部件的故障級別，并對整車故障級別進行分類/匯總。針對每一個故障整車系統都會相應的做出恰當的后處理。根據混動系統架構構型，整車制定《故障等級定義》及《動力源失效處理方式》；關聯部件根據上述文件，梳理故障類型、級別及后處理，故障級別通過網絡總線發出；整車控制器大腦HCU 梳理故障類型、級別及后處理，再結合各零部件的故障級別，制定整車動力系統處理方案。

7 結語

本文主要以某P1+P3 架構混合動力車型詳細描述了重點從混動系統動力架構組成特點、混合動力關鍵點解析、混合動力能量回收系統、混合動力熱管理架構、發動機啟停策略、混動關鍵系統故障后處理幾方面進行闡述，對從事混動汽車開發工作有一定的借鑒意義。隨著混合動力汽車技術的不斷成熟及進步，以及國家鼓勵的多元化發展，未來混合動力汽車必將在汽車歷史長河上占有無比輕重的地位，也會越來越深受人民大眾的喜愛。