雙電機純電動模式在不同混合動力車型的應用分析

魏丹，朱永明，趙江靈，周文太，李瑤瑤

廣州汽車集團股份有限公司汽車工程研究院，廣東廣州 511434

0 引言

隨著混動化的深入，越來越多的公司大力開發混合動力機電耦合系統，且幾乎都朝著串并聯混動技術路線靠攏，如長城的檸檬混動系統、比亞迪的EHS混動系統、奇瑞的鯤鵬混動系統、吉利的DHT系統等都屬于串并聯混動系統。隨著對節油率越來越高的追求，一個擋位的串并聯混動系統已經不能滿足企業的需求，一些企業已經在開發多擋的串并聯混動系統，如長城檸檬混動開發的是兩擋系統，奇瑞鯤鵬混動開發的是三擋系統，吉利DHT系統開發的是三擋系統等，現在大多數企業正在開發的大多數都是串并聯兩擋或三擋的混動系統[1-2]。

機電耦合系統是混合動力汽車的重要組成部分，對混合動力整車的性能起著至關重要的作用。混合動力汽車包括發動機、電機等多個動力源，又包括多個離合器的模式或擋位執行元件。硬件拓撲的靈活性在帶來效率和工作方式優越性的同時，往往也增加了軟件控制上的難度。混合動力系統多動力部件和操縱元件的協同控制是混動系統發揮優越性能的關鍵。

針對離合器的升降擋控制[3-6]以及混動系統方案尋優[7]，前期已經做了很多研究。本文基于串并聯兩擋的混動系統，探討了雙電機的必要性，分析兩種不同的系統方案在模式切換、低溫動力性、對零部件要求等方面的差異。通過本文的分析，可以為行業在混合動力機電耦合系統方案選型設計時提供參考。

1 機電耦合系統方案

經濟性、動力性、成本是混合動力機電耦合系統最重要的3個因素。對于串并聯混動系統的百公里加速性能，可以有3種實現方式[8-9]：①百公里加速時，全程采用串聯增程模式，此方案對驅動電機的扭矩和功率需求均較大；②百公里加速時，低速下先采用串聯增程模式，高速下再切換至混動1擋，此方案對驅動電機的扭矩需求較大；③百公里加速時，低速下先采用雙電機純電動模式，高速下再切換至混動1擋，此方案對電機的扭矩和功率需求較小。

考慮到電機及控制器占混合動力機電耦合系統成本的50%以上，為了降低系統成本，越來越多的公司開發的混動系統增加了雙電機純電動模式。這樣利用雙電機純電動模式可以滿足整車動力性的同時，還可以降低兩個電機的功率和扭矩的需求，從而降低電機系統的成本。

圖1為一個串并聯式的混合動力機電耦合系統，采用定軸齒輪和濕式多片離合器實現兩擋方案。該系統可實現發動機、發電機、驅動電機動力耦合的功能，同時可以實現單電機純電動模式、雙電機純電動模式、串聯增程模式、混合驅動模式、駐車發電模式和制動回收模式，系統可實現的工作模式見表1。

圖1 串并聯式的混合動力機電耦合系統

表1 系統可實現的工作模式

2 擋位切換控制策略

2.1 百公里加速策略

圖2為不同模式下的輪端扭矩特性曲線。在百公里加速時可以采用雙電機純電動模式切換混動1擋的策略。

圖2 不同模式下的輪端扭矩特性曲線

2.2 模式切換難題及策略

針對具有雙電機純電動模式的混合動力機電耦合系統，在日常駕駛中，某些工況需要進行混動1擋和2擋的切換，雖然可以利用串聯增程模式進行扭矩補償，但是由于驅動電機匹配較小，增程模式的輪端輸出扭矩小于混動1擋的輸出扭矩。模式切換容易出現較大的扭矩波動，造成頓挫。為保證整車的動力性及平順性，需要做離合器同步滑摩控制。

當車輛檢測到需要從1擋切換至2擋時，兩個離合器按充油(Fill)階段—力矩交換(Torque Phase)階段—調速(Speed Phase)階段—微調(Lockup1)階段—鎖止(Lockup2)階段5個過程進行動作控制。在此過程中，發動機、發電機及兩個離合器協調配合，盡量減小整車加速度變化，從而實現平穩、快速地換擋。

(1)Fill階段。分離離合器C1先降油壓到滑摩點附近，并等待跳入下一階段，同時結合離合器C2先充油至半結合點(kiss point,KP)，待油壓穩定后進入下一階段。

(2)Torque Phase階段。通過開環控制兩離合器油壓實現同步滑摩控制，力矩從分離離合器C1轉移到結合離合器C2上，離合器C1油壓按照一定斜率從上一階段的終點下降到點KP附近，離合器C2從上一階段的點KP附近按照設定曲線上升到目標油壓，待條件滿足后跳入下一階段。

(3)Speed Phase階段。通過發動機、發電機和兩離合器的協調控制，實現輸入軸轉速從1擋轉速降到2擋轉速，在即將進入此階段之前，發動機快速降扭，進入此階段之后，離合器C2油壓保持不變，發電機EM1進行PID調速，并且發動機扭矩逐漸恢復到上一階段的扭矩，待條件滿足后，進入下一階段。

(4)Lockup1階段。進一步微小調速，輸入軸轉速與目標轉速形成較小的穩定偏差。

(5)Lockup2階段。快速升高結合離合器C2油壓并鎖止，完成換擋。

通過離合器的滑摩控制，可以有效解決驅動電機較小帶來的模式切換頓挫問題。

動力升擋控制流程如圖3所示。

圖3 動力升擋控制流程

3 低溫動力性開發需求

3.1 低溫加速性能開發需求

插電式混合動力車型(plug-in hybrid electric vehicle,PHEV)性能版較傳統車型，百公里加速時間提升40%～50%，進入“4S”時代；混合動力車型(hybird electric vehicle,HEV)性能版較傳統車型，百公里加速時間提升10%～20%，進入“7S”時代；HEV基礎版較傳統車型，百公里加速時間提升0～10%，進入“8S”時代。混合動力車型的動力性是其重要的亮點。

同時，低溫動力性也是一項很重要的指標。根據歷史氣象數據，北方主要城市冬季平均最低氣溫為-5～-25 ℃，極端最低溫度可達-30 ℃或以下，這樣對混合動力車型的低溫動力性提出了較高要求。根據經驗，低溫動力性(-30 ℃)較常溫衰減比例不超過40%。

3.2 混動車型低溫加速性能對標

目前國標GB/T 28958—2012關于低溫動力性尚未明確相關試驗方法，且相關標準最新版本發布日期較早。參照國標GB/T 28958—2012、企標等相關試驗條件的規定，制定低溫動力性試驗方法初案如下：

(1)更換適合試驗用的品牌、型號的機油、冷卻液、汽油以及輪胎(雪地胎)，使之符合設計要求。

(2)浸車前應確保蓄電池電量處于充滿狀態或接近充滿狀態，確保車輛用電器全部處于關閉狀態。車輛應選擇戶外無遮擋處靜置，盡量選擇傍晚開始浸車，浸車時間12～36 h。

(3)試驗道路盡量選擇無積雪或結冰的混凝土或瀝青道路，允許雙向行駛，盡量平直，坡道不大于1%。

(4)試驗開始前運用拖車將試驗車輛拖運至試驗道路。

(5)車輛上電啟動后，空調設置最高溫度、最大風量、外循環吹腳模式、除霧除霜，溫度穩定后調節至25 ℃。

(6)車輛啟動后，原地暖機3 min，然后進行全油門0～100 km/h加速試驗，記錄0～100 km/h加速時間，往返一次作為一組，取平均值作為試驗結果。

(7)以40 km/h車速勻速行駛5 min繼續熱車，然后開展第二組全油門0～100 km/h加速試驗，循環進行上述步驟。

(8)當0～100 km/h加速時間達到常溫測試結果或者趨于穩定，則試驗結束。

按照以上測試方法，得到部分HEV車型的低溫動力性對標結果，如圖4所示。

圖4 HEV車型的低溫動力性對標結果

通過圖4的對標結果可以發現，在極低溫情況下，第一腳滿油門的加速時間基本在12～16 s，與常溫相比，衰減了40%～70%；到第10腳滿油門時，動力性有所改善，百公里加速時間約為10 s，與常溫相比，衰減10%左右。

3.3 雙電機純電動系統的弊端

隨著溫度的降低，電池的放電功率也在同步降低。對于HEV車型，當環境溫度降低至-30 ℃時，電池的放電功率基本降為0 kW。

電池放電功率0 kW時不同模式的輪端扭矩特性曲線如圖5所示。由圖可以看出，在-30 ℃時，混動系統的雙電機純電動模式無法工作，系統只能切換到串聯增程模式下工作。

所以對于極寒情況下，百公里加速時，雙電機模式無法正常工作，系統只能切換到串聯模式，此時整車的動力性能會大幅降低，動力性能衰減嚴重。

由此可見，雙電機純電動模式，雖然可以降低系統成本，但是也有弊端。對于HEV車型，在-30 ℃時，電池放電功率基本為0 kW，無法使用雙電機純電動模式，動力性能衰減嚴重。所以雙電機純電動模式并不適用于HEV車型。對于PHEV車型，低溫情況下，電池還有一定的放電功率，影響相對小一些，基本可以滿足低溫動力性的要求。

4 適用于HEV車型的系統方案

4.1 HEV車型機電耦合系統方案優化

針對HEV車型，取消C0離合器和雙電機純電動模式，混動方案如圖6所示。

圖6 混動方案

為了解決HEV車型低溫動力性衰減嚴重的問題，可以將兩個電機的功率和扭矩性能提升，保證串聯增程模式下的動力性能與雙電機純電動模式下的性能相當，這樣才能保證低溫性能衰減在可接受范圍內。

4.2 擋位切換控制策略

如果發電機和驅動電機匹配較大，對于模式間的切換，無須做離合器滑摩控制，1擋與2擋的切換，可以利用增程模式進行過渡，在保證動力換擋的同時，還能降低對離合器的需求。混動系統方案的輪端扭矩特性曲線如圖7所示。

圖7 混動系統方案的輪端扭矩特性曲線

4.3 機電耦合系統方案對標

主流公司PHEV混動方案對比如圖8所示。由圖可以看出，豐田的THS系統與通用的Voltec系統，PHEV車型使用了單向離合器，具有雙電機純電動模式，系統使用雙電機純電動模式進行加速。

圖8 主流公司PHEV混動方案對比

主流公司HEV混動方案對比如圖9所示。由圖可以看到，對于HEV車型沒有單向離合器，豐田的THS系統與通用的Voltec系統均使用功率分流模式進行加速[10-15]。

圖9 主流公司HEV混動方案對比

根據以上分析，針對本田的i-MMD類型的串并聯混動系統，對于HEV車型，應該采用大電機的混動方案，這樣可以保證低溫的動力性；對于PHEV車型，可考慮增加雙電機純電動模式，這樣可以降低電機系統的功率和扭矩需求，降低混動系統的成本。

對于本田的i-MMD系統，HEV車型與PHEV車型，使用同一種構型，均未使用C0離合器，均無雙電機純電動模式，百公里加速時采用的是串聯增程模式，如圖8所示。所以即便是本田的i-MMD開發了三代，其電機的功率和扭矩一直較大，無法降低。

表2為兩種混動方案對比分析。對于HEV車型，應該采用大電機的混動方案，這樣可以保證低溫的動力性；對于PHEV車型，可考慮增加雙電機純電動模式。

表2 兩種混動方案對比分析

5 結論

(1)對于含雙電機純電動模式的混動方案，匹配的是小功率、小扭矩電機，擋位切換時，需要離合器的滑摩控制且難度大；對于只有單電機純電模式的混動方案，匹配的是大功率、大扭矩電機，擋位切換時，可以利用增程模式過渡，不需要離合器的滑摩控制，模式切換簡單。

(2)對于HEV車型，在低溫情況下，電池放電功率受限，無法使用雙電機純電動模式，只能使用增程模式加速。所以雙電機純電動模式并不適用于HEV車型。

(3)考慮低溫動力性，對于含雙電機純電動模式的混動方案，匹配的是小功率、小扭矩電機，適用于PHEV車型，可以利用PHEV電池包放電功率大，解決低溫動力性的問題；對于只有單電機純電模式的混動方案，匹配的是大功率、大扭矩電機，適用于HEV車型，可以利用大電機發電功率大，使用串聯增程模式解決低溫動力性的問題。