插電式混合動力汽車（PHEV）綜合了純電動汽車（EV）和混合動力汽車（HEV）的優點，既可實現純電動零排放行駛，也能通過混動模式增加車輛的續駛里程。在后補貼時期，政府補貼減少、消費者里程需求增加、電池成本降幅較小且車輛售價不能上漲，為PHEV提供了發展機遇。混動方案合理化、動力系統集成化、核心部件專用化和控制策略創新性設計是提升PHEV性能的關鍵核心技術。

　　1.發展PHEV的原因

　　1.1 PHEV符合技術路線

　　節能和新能源汽車技術路線圖中規定，至2020年、乘用車新車平均油耗5L/100km，至2025年、乘用車新車平均油耗4 L/100km。

　　圖1為傳統車、HEV和PHEV油耗隨質量的變化趨勢，隨著整備質量增加，各車型的油耗均正比例上升。由圖1可知，整備質量較大的B級車必須依靠PHEV技術才能將油耗控制在5或4L/100km以內，與“以緊湊型及以上車型規模化發展插電式混合動力乘用車為主”技術路線保持一致。

　　圖1 車輛油耗與整車質量變化關系

　　1.2兩級補貼大幅退坡

　　按照既定的退坡方案，250公里以上車型兩級補貼在北京和天津分別下降2.2和2.75萬。從整車成本方面考慮，零部件成本下降是解決補貼退坡最直接途徑，但難度較大。

　　表1 補貼退坡統計

　　退坡價格

　　純電動

　　插電混動

　　100~150km

　　150~250km

　　250km以上

　　50km以上

　　國補退坡（萬元）

　　0.5

　　0.9

　　1.1

　　0.6

　　北京退坡

　　（萬元）

　　0.5

　　0.9

　　1.1

　　0.6

　　天津退坡

　　（萬元）

　　0.75

　　1.35

　　1.65

　　0.9

　　1.3零部件價格無大幅下降可能

　　理論上零部件價格下降可減少補貼退坡的壓力。但近期由于銅材等價格上揚，零部件價格在2017年上半年只能維持現有狀態、小幅波動，無大幅下降可能。因此，近期通過零部件降本平衡補貼退坡可能性不大。

　　1.4續駛里程持續增加

　　表3為熱銷車型續駛里程的統計情況，續駛里程需求持續增加。里程增加，除了輕量化和再生制動優化外，最直接方式就是增大電池容量，電量增加導致整車成本上升。

　　表3 熱銷車型續駛里程統計

　　熱銷車型

　　北汽EU260

　　帝豪EV

　　比亞迪EV300

　　華泰XEV260

　　260km

　　253km

　　300km

　　266km

　　1.5 PHEV可平衡各種制約因素

　　PHEV可平衡補貼退坡、零部件價格和里程增加之間的矛盾。 PHEV的混動模式可解決純電動里程問題；電池電量小，批量后可解決電量增加的成本問題；電池成本所占比例減少，對電池成本的敏感度降低。

　　表4 PHEV綜合優勢

　　轎車

　　SUV

　　電池9~16kWh

　　電池13~18kWh

　　PHEV的混動模式可解決純電動里程問題

　　電池電量小，批量后可解決電量增加的成本問題

　　電池成本所占比例減少，對電池成本的敏感度降低

　　PHEV可規避穿電動“怕熱怕冷”環境適應性問題

　　PHEV在國內推廣阻力之一，就是認為在不充電的情況下、即進入能量維持CS階段后，此時車輛與傳統車無異，給出了“95%以上的車主都在以傳統汽油車的模式運行插電混動車，建議取消插電混動的特定補貼”的建議，作者發表了“插電式混合動力＝純電動＋強混≠純電動+傳統車”，解釋了不充電情況下PHEV仍省油的原理。不充電情況下，PHEV比同等重量燃油車省油30%，這是獲得兩級補貼最基本條件，性能較好的PHEV在CS階段可節油40%。

　　2.PHEV關鍵核心技術

　　2.1 混動方案合理化設計

　　表5為國內外各主流混動方案的對比分析， EDU代表上汽的雙電機、雙離合器、兩擋AMT的集成方案；PGS為行星排耦合方案；P系列根據電機位置進行定義，P0和P1分別表示BSG和ISG方案，這兩種方案不能實現純電動模式，不能用于PHEV；P2和P3分別表示電機集成于變速器的輸入和輸出端，P4表示電機集成于后橋的ERAD結構，P04表示前軸為P0方案、后軸為P4結構。三菱歐藍德更加復雜，前軸為P12、后軸為P4，組成了P124混動架構。

　　由表5可知，可作為PHEV結構的各種方案均可實現30%以上的節油效果，相對于其他方案，電機與有級式自動變速器方案比較適合于自主品牌，P2和P3方案更適用于自主品牌新能源轎車，P04可實現電子全時四驅功能、適用于SUV。

　　表5 各種混動方案對比

　　2.2動力系統集成化設計

　　前艙的總布置是乘用車混動系統的難題之一，由于發動機、離合器和變速器均集成于此，橫向尺寸非常吃緊、總布置上為ISG電機留出50mm的空間也比較難，所以很多方案放棄了效率較高的ISG方案，采用BSG方案解決總布置問題。廣汽的GA5增程式混動更是采用發動機縱置方案，這種方案布置相對容易、但對于發動機工作時NVH優化提出了很大挑戰。對于發動機頻繁啟停的插電式混動而言、發動機縱置可行性不大。

　　造成總布置困難的主要原因，就是總布置時采用簡單的迭代累加方案，零部件越多、橫向尺寸越長。

　　豐田等在集成化設計方向取得較大進展，作為全球銷量即將邁入千萬銷量的THS系統、仍在不斷探索混動系統優化設計問題。最新的第四代THS驅動電機MG2不再同軸，通過一個反轉從動齒輪減速，并與行星齒輪組的齒圈結合。基于新的齒輪傳動、新的電機和雙電機平行布置，結構更緊湊，重量更輕，而扭矩相差不大。總長度比第三代縮小了47mm，零件數量和總重量分別降低20%和6.3%。

　　2.3 核心部件專用化設計

　　對于常用的P2或P3結構而言，可將減震系統或離合器集成到電機轉子內，縮短橫向尺寸。格特拉克等企業也在試驗將電機集成于DCT中的結構方式，根本上解決前艙總布置的空間尺寸難題。

　　近幾年純電動汽車發展帶動電驅動技術的迅速提升，規模較大的主機廠均已掌握整車電控技術、已經有廠家通過ISO26262的嚴格認證。電機和控制器技術可比肩世界先進水平，配電箱和充電機等附件技術也取得較快發展。針對PHEV而言，發動機和自動變速器技術仍需加強，尤其是阿特金森循環發動機和帶電動油泵的自動變速器。

　　2.3.1專用發動機

　　與增程式混動動力相比，PHEV發動機工作比較頻繁，在能量維持CS階段的啟停、助力、行車發電和串聯模式中，都需要發動機參與驅動、使電池SOC維持在恒定值（例如20%）附近。即使在能量消耗CD階段，在油門踏板開度較大的加速模式中，為了滿足車輛加速需求，仍需要發動機助力驅動，例如沃藍達在踏板開度較大時，即使電池SOC較高，發動機仍會立即參與驅動。

　　由此可見，發動機性能對插電式混合動力性能影響較大，尤其是發動機的熱效率直接影響著CS階段和綜合油耗。

　　表6為當前市場上幾款代表性PHEV的發動機，由表中可以看出，日美代表性車輛均裝配阿特金森循環特性的發動機、重視車輛油耗，歐洲沿用了傳統汽車渦輪增壓方式、突出動力性能。國內比亞迪秦和上汽榮威950與歐洲類似，采用增壓發動機。

　　表7為三款典型阿特金森循環發動機的特性，熱效率均大于38%、甚至達到40%，比油耗小于等于220g/kWh；而渦輪增壓發動機比油耗最小一般在240 g/kWh，從油耗角度性能不及阿特金森循環發動機。

　　表7 阿特金森發動機特性

　　發動機廠商

　　發動機熱效率

　　比油耗

　　本田i-MMD混系統

　　38.9%

　　小于等于220g/kWh

　　豐田普銳斯第四代

　　40%

　　豐田普銳斯第三代

　　38.5%

　　田雅閣雙電機混動車輛，重量達1.723噸，SOC平衡階段、即不充電情況下油耗僅為5.1L/100km；1.435噸的第三代普銳斯，油耗僅為4.7L/100km，第四代系統油耗更低；卡羅拉和雷凌普通混動車輛油耗僅為4.2L/100km；取得如此低的油耗，熱效率高、比油耗低的阿特金森發動機是主要原因之一。

　　國內宣傳綜合油耗為1.6L/100km的PHEV，按照GB/T

　　19753折算后，CS階段油耗在6.1L/100km以上，與國外差距較大。

　　因此，國內PHEV也應嘗試采用阿特金森循環發動機，降低CS階段油耗，這樣即使不充電、也能達到節能降耗的目標。國內有些車企在2009年成功開發了阿特金森循環發動機，可見具備這方面研發能力，后續應加大該類型發動機的匹配和裝車力度，

　　2.3.2自動變速器

　　國內自動變速器技術發展嚴重滯后于整車技術的發展，即使是傳統車，除了奇瑞CVT和比亞迪DCT技術初具規模外，上汽DCT、青山DCT、北汽引進CVT、容大CVT、盛瑞8AT、吉利前期引進DSI的AT和華泰6AT技術取得了一定發展，但與國外先進自動變速技術相比差距很大，始終突破不了自動變速器特有的機電液綜合難點技術。

　　插電式混合動力由于具有純電動等運行模式，對變速箱提出特殊要求、應做專用化設計，主要如表8中以下四點所示。

　　表8 PHEV變速器的專用設計

　　功能

　　功能解釋

　　支持純電動功能

　　變速箱需要匹配電動油泵，確保純電動模式下潤滑和冷卻；如果沒有電動油泵，只能控制發動機保持怠速、為變速器提供潤滑和散熱的動力，但會導致油耗和排放增加。

　　支持啟停功能

　　有啟停電機裝置，變速箱端通過離合器或空擋設置，保持發動機與動力系統分離、快速啟停；無啟停裝置，通過離合器滑磨、利用慣性啟動發動機的車輛，離合器需做強化設計，確保壽命。

　　換擋器解耦

　　換檔器與實際擋位輸入解耦，變速器桿位和擋位，需經整車控制器根據車速、實際擋位輸入及發動機轉速等條件，綜合判別后確定。

　　輸入扭矩增加

　　電機置于變速器輸入端的結構，由于電機和發動機扭矩疊加增大，變速器軸承等部件需要強化設計；承受扭矩較小時，可將電機置于變速器輸出端，電機動力與變速器輸出動力進行耦合。<span background:yellow;"="" style="box-sizing: border-box;">

　　國內外主流PHEV采用的變速器類型如下表所示，由此可知，各種變速器均有各自優點、都進入了PHEV應用范疇，主機廠應根據在動力系統方面的研發積累，選擇適用于自己PHEV的動力系統。

　　表9 PHEV變速器類型分析

　　變速器

　　廠商

　　備注

　　DCT

　　比亞迪秦

　　6擋

　　長城

　　2017年上市

　　大眾高爾夫GTE

　　6擋

　　CVT

　　奇瑞艾瑞澤7

　　自主開發

　　AMT

　　PSA3008

　　6擋，PHEV2019年上市

　　上汽

　　2擋

　　AT

　　沃爾沃S60

　　8擋

　　寶馬X1

　　6擋

　　行星排

　　豐田普銳斯

　　單行星輪系

　　通用沃藍達

　　單行星輪系

　　吉利CHS

　　雙行星輪系

　　離合器耦合

　　本田i-MMD

　　雙電機

　　三菱歐藍德

　　四驅結構

　　自動變速器是PHEV中動力耦合和傳遞的重要一環，隨著對PHEV的重視的大量研發投入，PHEV反過來會促進自主自動變速技術的發展。

　　2.4控制策略創新性設計

　　控制策略對PHEV在CS階段的油耗影響較大，控制目標就是在滿足動力性需求前提下，使發動機工作于高效區、同時盡量減少能量轉換次數，綜合降低油耗。

　　匹配DCT、AMT和AT等有級式自動變速器的混動系統是國內PHEV的主流，針對此類控制系統，兩參數或三參數換擋規律，以及三線四區扭矩分配方法是當前主要采用的控制方法。相關控制方法的缺點是，兩參數或三參數換擋規律不適用于多動力源的PHEV系統；在扭矩分配方面，通過電機助力或行車發電作用，使發動機工作于最佳燃油經濟性曲線或高效區，盡管提高了發動機工作效率，但由于助力或發電時電能和機械能的連續轉換、導致電耗增加，車輛的綜合油耗沒有達到最優、考慮并不全面。

　　作者自2001年開始參與混合動力科研項目，根據研究積累，分享基于電耗補償的換擋規律和扭矩分配策略。

　　2.4.1控制方法優化

　　基于電耗補償的控制策略中，參考車速、需求扭矩和工作模式，確定出所有可能的擋位和扭矩分配組合，發動機比油耗修正后最低組合對應的擋位和扭矩，即為發動機和電機的控制指令。比油耗的修正是指根據電機功率大小，在發動機比油耗數值基礎上疊加一個懲罰因子，體現出對電動部件電耗的綜合考慮；同時該懲罰因子與發動機輸出功率相關，電機功率一定的情況下，發動機功率越小，懲罰因子越大，反之越小。圖3為換擋規律和扭矩分配控制流程框圖。

　　以7擋P2結構PHEV為例，對控制方法進行舉例說明。

　　圖4中曲線Ⅰ表示變速器處于1擋，發動機運行于最佳燃油經濟性曲線的轉速區間（800～6000

　　rpm）時，發動機傳遞至車輪處的扭矩隨車速的變化關系。同理，曲線Ⅱ～Ⅶ分別表示2～7擋，發動機傳遞至車輪的扭矩曲線。

　　假設車速為50km/h時，根據加速踏板和車速判斷，此時需求扭矩為2000Nm。由圖4可知，

　　2～6擋時、可使發動機轉速處于800～6000

　　rpm之間，2～6擋時對應發動機轉速為n2,

　　n3, n4, n5和n6。n2～n6分別插值出在OEC曲線上對應扭矩，乘以各擋位速比、主減速器速比和傳動效率，即可得到Te2,

　　Te3, Te4, Te5和Te6，如圖中A,

　　B, C, D和E所示。如果此時是行車助力模式，

　　由于A點扭矩大于需求扭矩，此時電機輸出動力時、發動機工作點會遠離最佳經濟性曲線，整車經濟性反而不好，因此2擋時發動機單獨提供需求扭矩、為Te2，M輸出扭矩為0；

　　3～6擋發動機最佳經濟點扭矩小于需求扭矩，假如此時電池放電功率和電機輸出扭矩均可補償發動機扭矩、使發動機分別工作B～E點，計算出電機輸出扭矩Tm3,

　　Tm4, Tm5和Tm6。根據扭矩和轉速，可得到發動機工作在B～E點時發動機輸出功率Pe3,

　　Pe4, Pe5和Pe6，以及電機輸出功率Pm3,

　　Pm4, Pm5和Pm6。（n2,

　　Te2）,

　　（n3,

　　Te3）,

　　（n4,

　　Te4）,

　　（n5,

　　Te5）和（n6,

　　Te6）在發動機萬有特性對應比油耗分別為g2,

　　g3, g4, g5和g6，發動機萬有特性數據應該考慮曲軸加速度、插值出的比油耗與實車一致。（Pe3,

　　Pm3）,

　　（Pe4,

　　Pm4）,

　　（Pe5,

　　Pm5）和（Pe6,

　　Pm6）插值出比油耗修正值△g3, △g4, △g5和△g6。油耗修正主要是考慮電耗的影響，在某一擋位時盡管發動機比油耗最低，但此時如果電機輸出功率較大、導致電機和電池的損耗增加，從動力系統角度未必是最優經濟性選擇。由于2擋時電機輸出功率為0、綜合比油耗為g2，3～6擋時綜合比油耗分別為g3+△g3, g4+△g4, g5+△g5和g6+△g6，綜合油耗最低擋位為確定的目標擋位，對應的發動機和電機輸出扭矩是對應部件的目標扭矩。

　　如果此時是行車發電模式，2擋時發動機工作在A點對應扭矩、盈余動力由電機發電給蓄電池充電；3～6擋時發動機最佳扭矩小于需求扭矩，如果發動機單獨驅動滿足需求、純發動機工況經濟性較好；參考行車助力模式的判定步驟，即可確定出目標擋位和目標扭矩。

　　控制指令仲裁和輸出時應避免頻繁換擋，限定兩次相鄰換擋的最短時間（例如5s），輸出最終的擋位和扭矩指令。

　　其余工況與以上控制過程類同。

　　2.4.2 分析結果驗證

　　以兩種典型的客車SUV為例，對各種策略性能進行了分析計算，客車和SUV整備質量分別為12噸和1.9噸。

　　在扭矩分配方面，三線四區和五線六區法得到廣泛應用，三線四區是指發動機萬有特性圖形由外特性、最佳燃油經濟性和最小工作扭矩曲線分成四個工作區域；在最佳燃油經濟性曲線上下各添加一條曲線，兩條曲線之間為純發動機工作區域、稱之為五線六區；

　　各種策略性能對比如表10所示，前面兩種是工程實際中最常用的“兩參數+三線四區”和“兩參數+五線六區”；第三和第四為基于功耗補償的控制方法，第三種方法表示懲罰因子均為0，第四種方法中懲罰因子按照實際參數設定。

　　表10 整車燃油經濟性

　　控制方法

　　客車/(L/100km)

　　SUV/(L/100km)

　　兩參數+三線四區

　　22.4

　　6.22

　　兩參數+五線六區

　　22.3

　　6.09

　　電耗補償(無懲罰因子)

　　20.85

　　5.92

　　電耗補償(有懲罰因子)

　　20.22

　　5.81

　　第三和第四與第一和第二兩種方法相比，燃油經濟性均得到了較大提高，證明從多種擋位和扭矩分配組合中選擇較好組合的合理性。第四種方法優于第三種，證明利用懲罰因子修正發動機比油耗的必要性。總之，與常用的第一和第二兩種方法相比，基于電耗補償的第四種方法在SUV上分別提高6.60%和4.60%，客車上分別提高9.72%和9.32%，證明了新型控制方法的優點。

　　3.總結

　　插電式混合動力汽車可平衡補貼退坡、零部件價格和里程需求增加之間的矛盾，符合國家電動化發展戰略需求，是對純電動平臺技術的有益補充。混動方案合理化設計、動力系統集成化設計、核心部件專用化設計和控制策略創新性設計是PHEV的關鍵核心技術，國內外在核心技術方面均處于發展探索階段，車企尤其自主品牌應加大核心技術研發投入，推動PHEV核心技術快速發展。

　　作者系華泰汽車新能源研究院院長、清華大學博士后、教授級高工

　　力朗電池專門為電動汽車動力電池研發高品質26650鋰電池、采用邦定焊接工藝的高安全性水冷電池模組、更可靠的BMS產品。擁有15年以上鋰電池研發、制造行業經驗的專家團隊和業內一流的BMS和PACK團隊，免費為您提供從設計、制造、售后為一體的全方位咨詢服務。如果您在電動汽車電池、設備配套電池、應用類消費電子產品電池應用或技術細節有任何疑問，請訪問力朗電池官網（www.plb.com.cn）或撥打全國免費服務熱線：400-816-6036