规划丨PHEV汽车架构

文章来源:EDC电驱未来 发布时间:2020-11-17
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PHEV是Plug-in Hybrid Electric Vehicle的缩写,即插电式混合动力汽车。

1 引言

相对与传统燃油车或纯电动汽车,PHEV插电式混合动力汽车是综合了两种能源的新能源汽车,当整车在行驶工况下,能量来源发动机或高压电池或同时来自于发动机和高压电池,整车控制器根据相应的行驶工况优化分配整车动力来源,从而将能量转化效率控制在较高水平,故能实现低能耗,另外当整车高压电池或发动机其一不能正常工作时,整车仍可以按一定的策略行驶,故提高了整车可靠性。因PHEV融合了纯电动汽车和传统燃油车的技术,故整车控制复杂,本文以某PHEV混合动力车型为例,从动力架构、高压架构、热管理架构、发动机启停架构几方面进行介绍,对从事混动汽车相关工作的人员有一定的参考借鉴意义。



2 PHEV插电式混合动力汽车动力架构



2.1 动力系统组成



PHEV是Plug-in Hybrid Electric Vehicle的缩写,即插电式混合动力汽车。PHEV可以使用电力网(包括家用电源插座)对动力电池充电,其次发动机也是动力源之一,同时可以将发动机的动能转化高压电池电能,动力系统主要结构见图1。

动力系统—电传动动力系统。主要包括:高压电池、高压电池控制器(BMS)、P2电机、P2电机控制器(PEU1)、P4电机、P4电机控制器(PEU2)、DC/DC(直流变压器)、车载充电机(OBC)、电源分配单元(PDU)、变速箱、K1离合器。

动力系统—发动机动力系统。主要包括:发动机、K0离合器、变速箱、K1离合器。

其中K0离合器位于发动机和P2电机之间,用于控制发动机飞轮和P2电机轮端的结合与断开,K1位于P2和变速箱之间,K1离合器控制P2与变速箱之间的结合与断开。P2电机由电驱动所输出扭矩和发动机输出扭矩在P2动力输出轴进行叠加。其中发动机、K0离合器、P2电机、K1离合器、变速器位于前轴,P4电机位于后轴。

图1 某PHEV混合动力汽车动力系统组成(红色线代表电能量流,蓝色线代表发动机能量流。)




2.2 整车驾驶模式



EV NORMAL:纯 电-标 准 模 式。P2电机驱动车辆,K0离合器分离,发动机未启动。行驶时K1闭合,在换挡过程中K1断开,P4电机补偿换挡期间驾驶员对扭矩的需求。

EV ECO:纯电-经济模式。P2电机驱动车辆,K0离合器分离,发动机未启动。行驶时K1闭合,在换挡过程中K1断开,P4电机补偿换挡期间驾驶员对扭矩的需求。

EV AWD:纯电-四驱模式。K0离合器分离,发动机未启动。P2、P4共同驱动车辆,行驶时K1闭合,在换挡过程中K1断开。

HEV NORMAL:混动-标准模式。发动机和P2电机一同驱动车辆,但发动机不一定一直运行。当需要发动机介入驱动或利用P2电机将发动机动力转化为电能给高压电池充电时,K0离合器结合,行驶时K1闭合,在换挡过程中K1断开,P4电机补偿换挡期间驾驶员对扭矩的需求。

HEV ECO:混动-经济模式。发动机和P2电机一同驱动车辆,但发动机不一定一直运行。当需要发动机介入驱动利用P2电机将发动机动力转化为电能给高压电池充电时,K0离合器结合。行驶时K1闭合,在换挡过程中K1断开,P4电机补偿驾驶员对扭矩的需求。

HEV AWD:混动-四驱模式。发动机、P2、P4一同驱动车辆。但发动机不一定一直运行。行驶时K0、K1闭合,在换挡过程中K1断开,K0结合。

HEV SPORT:混动-运动模式。发动机、P2、P4一同驱动车辆。发动机一直运行。行驶时K0、K1闭合,在换挡过程中K1断开,K0结合。相比较HEV AWD模式,SPORT模式动力响应更快更强。

HEV SAVE:混动-保电模式。发动机和P2电机一同驱动车辆,但发动机不一定一直运行。当需要发动机介入驱动或利用P2电机将发动机动力转化为电能给高压电池充电时,K0离合器结合。行驶时K1闭合,在换挡过程中K1断开,P4电机补偿驾驶员对扭矩的需求。高压电池电量按驾驶员设定的目标SOC进行充电,通常目标SOC可选范围设计在50%以上。

以上所有模式都是用各自对应的pedal map和gear shift map进行整车的驾驶扭矩需求响应,正是因为每种驾驶模式下系统设定了不同pedal map和gear shift map,动力响应及燃油经济性才会有所不同,驾驶员才会有不同的驾驶体验。EV NORMAL、EV ECO、EV AWD模式下,当动力电池SOC低于标定值时,整车控制器会控制发动机强制启动,整车驾驶模式会跳转到相应的HEV NORMAL、HEV ECO、HEV AWD模式。

市面上的混合动力汽车有的会配置雪地、泥地、沙漠、山地、EV SPORT模式等等,具体可根据整车实际情况及定位用户需求进行设计,各个主机厂的设计都不尽相同。驾驶模式一般是在车机端虚拟按键、中控按钮、换挡杆上进行切换选择。




2.3 能量回收



混合动力汽车需进行要能量回收设计,在汽车制动过程中或挂档(D档或R档)滑行时进行能量回收。一般能量回收可分为“低”、“中”、“高”三个等级,有的厂家会分两个等级如“标准”、“较大”。回收等级可设计成由用户自定义,即在每种驾驶模式下,用户都可以根据自己的喜好去选择相应的回收等级,此设计更多体现用户选择最大化。回收等级也可以设计成和驾驶模式关联的回收等级,如在雪地模式设计成默认低回收等级,以达到尽量避免车轮出现抱死的现象,山地模式设计成默认高回收等级,以达到在不影响驾驶性前提下,尽量多的回收能量,此设计更多体现在保证汽车的最佳性能及在条件允许情况下更多的进行能量回收。每个厂家的侧重点不尽相同。

能量回收功能一般由整车控制器来控制,同时需要和车身稳定系统(ESC)进行协调控制,以达到在车身稳定的前提下最大程度的进行能量回收。当涉及到车身稳定系统的某些功能激活时(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响行车安全。




3 PHEV插电式混合动力汽车高压架构



3.1 高压系统组成



高压系统主要构成有,高压电池、主正继电器、主负继电器、预充电阻、预充继电器、P2电机控制器、P2电机、P4电机控制器、P4电机、DC/DC(直流变压器)、PDU(动力分配单元)、OBC(充电系统)、PTC(加热器)、电动空调压缩机。其中DC/DC是连接高压系统与低压系统的接口,DC/DC负责将高压直流电转化为低压直流电,当动力电池温度低时,PTC负责加热电池,各部件的高压工作范围总体在240v~430v之内。高压架构可以根据具体车型进行调整,如可将DC/DC、OBC、PDU进行集成在一起或将DC/DC集成在PEU1里,具体可根据整车控制需求及总体布置进行灵活调整,见图2。

图2 高压系统架构图



4 PHEV插电式混合动力汽车热管理架构



4.1 热管理架构组成



4.1.1 高温冷却循环

高温冷却循环示意图如图3所示。与传统燃油车相同,高温冷却循环负责发动机冷却和乘员舱加热功能。高温冷却循环部件包括:储液壶、高温散热器、高温散热器冷却液温度、发动机、节温器、冷凝器、热核。当无空调制热需求时,高温冷却循环走小循环。循环路线:高温散热器→发动机→高温散热器。当有空调制热需求时,高温冷却循环走大循环。

4.1.2 低温冷却循

中/低温冷却循环图如图4所示,中/低温冷却循环负责高压电池、PEU、MCU、P2、P4和CDU(OBC和PDU的总称)的冷却。低温冷却循环部件包括:储液壶、电池水泵、MCU水泵、CDU水泵、三通阀、电池冷却膨胀阀、电池冷却液温度传感器、低温散热器冷却液温度传感器、电池加热用的电子加热装置PTC、高压电池、PEU、MCU、P2、P4和CDU。

1、当BMS无制冷或制热请求时,低温冷却循环走大循环。循环路线:低温散热器→CDU水泵→CDU→PEU→P2→MCU水泵→P4→电池水泵→高压电池→三通阀→低温散热器。

2、当BMS有制冷请求时,低温冷却循环走小循环。循环路线:低温散热器→CDU水泵→CDU→PEU→P2→MCU水泵→P4→低温散热器;电池水泵→电池冷却器→高压电池→三通阀→低温散热器。

3、当BMS有制热请求时,低温冷却循环走小循环。循环路线:低温散热器→CDU水泵→CDU→PEU→P2→MCU水泵→P4→低温散热器;电池水泵→高压水加热器PTC→高压电池→三通阀→低温散热器。

图3 高温冷却循环示意图

图4 低温冷却循环示意图

何时开启低温冷却循环的小循环、小循环运行时间、空调运行的功率由整车控制器根据各个高压部件的正常工作温度范围及及空调所能达到的制冷功率进行综合的控制。冷却循环路线需根据具体实车测试结果进行调整,当零件出现温度过高时,适当的调整循环路线及控制方式,以达到最佳工作效果。



5 PHEV插电式混合动力汽车发动机启停架构

满足P2带动发动机启动所需的功率;

2、存在高压系统失效,比如电机失效或动力电池失效,此时P2电机无法正常工作,故不可通过P2电机来启动发动机。

3、动力电池电量过低,高压电池可输出功率及低,会使用12V启动发动机。




5.2 在P2能正常工作的前提下,当满足如下任意条件时会启动发动机



1、能量管理关联的发动机启停。当高压电池SOC低于标定值时,无论整车处于何种驾驶模式,会启动发动机来给高压电池充电或驱动车辆。

2、驾驶模式关联的发动机启停。在SPORT模式下发动机一定会启动,以便及时响应驾驶员的扭矩需求。

3、空调制热需求。在任意驾驶模式下,当开启空调制热时,会启动发动机,且驱动模式会自动切换为相应的HEV模式。

4、电子制动真空泵压力低。整车有一个电子制动真空泵和一个机械制动真空泵,通常情况下是使用电子制动真空泵,当电子制动真空泵出现故障时,整车会控制发动机启动在进




5.1 发动机启动方式



发动机启动方式:1、P2电机通过K0离合器滑摩启动发动机;2、跟传统燃油车一样,通过起动机启动发动机。通常情况下是利用P2转动和K0离合器滑摩来启动发动机,当存在以下任意条件时,通过起动机来启动发动机,大致情况如下:

1、环境温度极低,因为在环境温度及低的情况下,高压电池可输出功率及低、不能气歧管处产生真空,从而使机械真空泵起作用。

图5 发动机启停架构示意图



5.3 发动机停机,当满足如下任意条件会停止发动机



1、整车模式为EV MORMAL/EV ECO/EV AWD时,会停止发动机。

2、整车模式为HEV MORMAL/HEV ECO/HEV AWD/HEV SAVE时, 根 据 驾驶员扭矩需求和高压电池是否需要充电来判断是否启动发动机,当不需要发动机介入驱动或发电时,会停止发动机。

3、整车发生碰撞,会停止发动机。

4、发动机自身需停止发动机的故障。

关于发动机启停的策略,各主机厂的做法也不近相同。可以根据对整车特点进行具体的规划,例如有乘员仓有PTC配置的汽车,就不需要制定空调制热需要启动发动的策略。

应避免在起步或换挡的过程中进行发动机的启停控制。



5.4 发动机启停架构如图5所示





6 总结

本文介绍了PHEV混合动力汽车的动力系统、高压系统、热管理系统、发动机启停系统的架构,相对于传统燃油车或纯电动汽车,PHEV混合动力汽车从车辆的控制角度讲更加复杂,整车标定参数的选取很重要,如果标定参数不合理,可能会比传统然后车更消耗能源,但随着混合动力汽车技术不断应用,整车控制策略的不断完善,PHEV混合动力汽车技术会趋于成熟和稳定。未来也将会有更多的混合动力汽车被用户接受和喜爱。


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