插電式混合動力汽車、純電動汽車和燃料電池汽車是未來20至30年我國新能源汽車的關(guān)鍵零部件，其技術(shù)發(fā)展水平對行業(yè)節(jié)能減排具有重要影響。 近年來，無論是豐田、本田、日產(chǎn)、大眾等合資車企，還是比亞迪、吉利、長安、理想智造等自主車企，都加大了研發(fā)投入和業(yè)務(wù)布局。插電式混合動力技術(shù)。
2019年12月3日工信部印發(fā)的《新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃(2021-2035年)》明確提出深化“三縱三橫”研發(fā)布局，推動我國汽車技術(shù)進(jìn)步新能源汽車產(chǎn)業(yè)。 以純電動汽車（BEV）、插電式混合動力（含增程式）汽車（PHEV）和燃料電池汽車（FCV）為“三縱”，動力電池及管理系統(tǒng)、驅(qū)動電機(jī)及電力電子、車聯(lián)網(wǎng)而智能技術(shù)則是“三橫”。
本文根據(jù)最新汽車產(chǎn)業(yè)政策、“新四化”技術(shù)發(fā)展、混合動力技術(shù)現(xiàn)狀分析及存在問題，提出技術(shù)發(fā)展對策。
PHEV主要解決問題
一、節(jié)能減排的重要技術(shù)手段
我國能源結(jié)構(gòu)不平衡。 能源結(jié)構(gòu)中，煤炭占62%，石油占18.3%，天然氣占6.4%，核電和可再生能源僅占13.3%。 2010年至2019年，我國原油進(jìn)口依存度持續(xù)上升。 2019年，中國石油對外依存度已達(dá)72%，遠(yuǎn)超國際安全警戒線（原油進(jìn)口占比不超過50%）。 節(jié)能減排刻不容緩。 在城市中使用PHEV車型可以完全等同于純電動汽車，并且可以實現(xiàn)長里程跨城市行駛，并且能源消耗可以控制，可以大大降低油耗。
2、解決純電動汽車的里程焦慮
根據(jù)日本豐田的統(tǒng)計，純電動模式在日均行駛里程低于30公里的車主中占有非常大的比例，而日均行駛里程達(dá)到70公里的純電動模式也有相當(dāng)大的比例。 這一結(jié)論與美國國家個人交通測量數(shù)據(jù)一致。 （ ）特征描述也類似，單次出行里程小于（64km）的人群中有63%受益于純電動駕駛帶來的節(jié)油效果。 在中國混合動力汽車，根據(jù)滴滴發(fā)布的出行報告，北京是中國單程通勤距離最長的城市，居民平均通勤距離為17.4公里。 東莞和深圳緊隨其后，平均通勤距離分別為17.3公里和16.8公里。 國產(chǎn)PHEV車型純電動續(xù)航里程超過50km，可以滿足基本的通勤需求。 同時，以豐田為例，這款插電式混合動力車型的續(xù)航里程滿分，其綜合里程可達(dá)，完全可以滿足日常需求。 純電動驅(qū)動以及汽油和電力的長距離混合動力驅(qū)動的要求。
3、兼顧BEV和HEV車型的優(yōu)勢
PHEV可以像BEV一樣依靠純電力運行，也可以像HEV（混合動力汽車）一樣，電力僅間接來自燃料，不消耗動力電池中的電力，也可以同時消耗燃料和動力電池電力。 對于消費者來說，意味著更低的整體能耗、更接近電動汽車的駕駛特性以及更快的充電特性。 對于整車廠而言，PHEV與BEV車型形成有效互補(bǔ)，有助于拓寬新能源的目標(biāo)消費群體。 對于新能源汽車供應(yīng)鏈而言，PHEV市場的發(fā)展也加速了對電機(jī)和電池的需求，這將有助于領(lǐng)先的新能源供應(yīng)商不斷成長，形成行業(yè)的良性循環(huán)。
動力總成架構(gòu)分析
當(dāng)前全球PHEV配置呈現(xiàn)百花齊放的格局。 其中，單電機(jī)并聯(lián)、動力分流、雙電機(jī)串/并聯(lián)三種配置是主流技術(shù)方向，如圖1和表1所示。
圖1 PHEV車型動力總成結(jié)構(gòu)
PHEV混合動力技術(shù)具體分為四種類型，它們的優(yōu)缺點及技術(shù)發(fā)展如下：
（1）功率分流深度油電混合技術(shù)，以豐田、通用汽車為代表，采用行星排結(jié)構(gòu)實現(xiàn)動力耦合雙電機(jī)功率分流技術(shù)，目前分為單行星排和雙行星排技術(shù)。 利用行星排的特性，可以將發(fā)動機(jī)工況調(diào)整到熱效率最高的狹窄區(qū)域，因此可以采用混合動力專用的阿特金森循環(huán)發(fā)動機(jī)。 無論是單行星排還是雙行星排技術(shù)，由于行星排的輸入扭矩轉(zhuǎn)速和輸出扭矩轉(zhuǎn)速固有的平衡特性，電機(jī)與發(fā)動機(jī)的扭矩和轉(zhuǎn)速的匹配必須符合有了這個規(guī)律，與其他配置不同的是，電機(jī)的選擇是靈活的。 豐田最新的THS-IV將行星齒輪減速結(jié)構(gòu)替換為平行軸減速機(jī)構(gòu)。 驅(qū)動電機(jī)采用更高轉(zhuǎn)速的電機(jī)。 單行星排技術(shù)簡單、成本低、性能穩(wěn)定，更適合當(dāng)前市場需求。
（2）單電機(jī)雙離合技術(shù)以“單電機(jī)雙離合”配置為核心技術(shù)，以歐洲主機(jī)廠的P2混合動力配置為代表，并細(xì)分為P2.5配置，以降低技術(shù)難度。 P2結(jié)構(gòu)的電機(jī)位于發(fā)動機(jī)后面、變速箱前面，因此變速箱的所有檔位都可以被電機(jī)使用。 電機(jī)本身不需要太大的扭矩和高轉(zhuǎn)速，可以節(jié)省成本并減小電機(jī)的體積。 插電式混合動力動力形式節(jié)油效率高。 P2的結(jié)構(gòu)高度集成。 目前P2的集成技術(shù)主要掌握在舍弗勒、博格華納等國外大公司手中。 國內(nèi)整車廠沒有成熟的技術(shù)。 目前P2的配置大部分都是一些大品牌。 小規(guī)模的國內(nèi)自主品牌無法使用高集成度的P2模塊混合動力汽車，在成本和周期上受制于供應(yīng)商。 此外，將P2模塊集成到自主品牌緊湊型轎車的橫置發(fā)動機(jī)中也存在一定難度。
(3)串并聯(lián)混合技術(shù)該技術(shù)中兩個電機(jī)的功率選擇靈活，傳動效率很高。 可以使用大型電機(jī)來驅(qū)動車輛。 最大的優(yōu)點是可以使用高效率的圖金森發(fā)動機(jī)作為發(fā)電機(jī)，純電驅(qū)動和動能回收的效率都比較高。 發(fā)動機(jī)還可直接高速驅(qū)動，與驅(qū)動電機(jī)組形成動力互補(bǔ)模式。 缺點是驅(qū)動電機(jī)工作區(qū)域無法優(yōu)化，發(fā)動機(jī)與電機(jī)模式切換沖擊大，驅(qū)動電機(jī)技術(shù)要求高，串并聯(lián)箱通常需要較強(qiáng)的技術(shù)能力研發(fā)及配套集成能力。
（4）后驅(qū)動橋P4+混合動力技術(shù)，可在P4技術(shù)的基礎(chǔ)上擴(kuò)展到P0+P4、P1+P4、P2+P4、P3+P4等四輪驅(qū)動配置。 電機(jī)和發(fā)動機(jī)不在同一傳動軸上，車輛可以實現(xiàn)四輪驅(qū)動，還可以在兩輪驅(qū)動和四輪驅(qū)動之間靈活切換。 可采用模塊化P4模組，方便生產(chǎn)動力性能優(yōu)異的車型。 由于后驅(qū)動橋是單獨增加的，成本較高是這種配置的主要缺點。 后驅(qū)電機(jī)的最高轉(zhuǎn)速決定了車輛的最高車速，從而對后驅(qū)電機(jī)的高速性能或后驅(qū)變速器的性能提出了更高的要求。
動力總成關(guān)鍵零部件技術(shù)升級路徑分析
1.混合動力專用發(fā)動機(jī)
提高發(fā)動機(jī)熱效率是混合動力汽車不懈的追求。 合資企業(yè)以豐田為例。 經(jīng)過四代技術(shù)迭代（見圖2），凱美瑞所采用的發(fā)動機(jī)熱效率已達(dá)到41%。 以奇瑞、長安為代表的自主品牌不斷探索提高發(fā)動機(jī)熱效率的技術(shù)方案，目前熱效率已達(dá)到40%。
圖2 豐田熱效率優(yōu)化流程
國外混合動力特種發(fā)動機(jī)廣泛向以下高效清潔燃燒技術(shù)和能源管理技術(shù)發(fā)展：智能電控、缸內(nèi)直噴、組合噴射、多孔噴射、高壓噴射、精細(xì)霧化、高能點火、多點點火、電控可變氣門正時、電控可變氣門升程、高壓縮比、阿特金森循環(huán)或米勒循環(huán)、先進(jìn)的氣流組織、高效智能熱管理、高效燃燒控制、輕量化、小型化、低摩擦、新材料和新技術(shù)、可變排量油泵、電控可變油壓調(diào)節(jié)、電動水泵、電動助力器、電動空氣壓縮、進(jìn)氣歧管集成中冷、集成排氣歧管、高壓EGR、低壓EGR、組合EGR、怠速啟動-stop、高級后處理和集成電機(jī)能量回收等。這些技術(shù)用于提高發(fā)動機(jī)熱效率并實現(xiàn)系統(tǒng)化布局以節(jié)省成本。
自主品牌長安混合動力專用發(fā)動機(jī)集成了米勒循環(huán)、高壓縮比（13：1）、冷卻EGR技術(shù)、缸蓋集成排氣歧管、缸內(nèi)燃油直噴技術(shù)GDI、低摩擦技術(shù)、熱管理技術(shù)等，熱效率達(dá)到40%。 奇瑞最新iHEC燃燒系統(tǒng)（高強(qiáng)度滾動VI進(jìn)氣系統(tǒng)、20Mpa高壓供油系統(tǒng)、90mJ高能點火系統(tǒng)、第三代智能控制系統(tǒng)和智能高效清潔燃燒技術(shù)）、快速加熱熱管理系統(tǒng)、快速響應(yīng)增壓技術(shù)、減少摩擦（比第二代減少20%）和輕量化技術(shù)（比第一代減少50%）等。
由于相對長期工作在高效率區(qū)，混合動力汽車的實際熱效率較傳統(tǒng)汽車有明顯優(yōu)勢。 目前，高效發(fā)動機(jī)大多采用優(yōu)化的阿特金森循環(huán)、冷卻EGR、低摩擦技術(shù)和智能熱管理技術(shù)，熱效率已超過40%。 未來幾年，預(yù)計混合動力發(fā)動機(jī)的熱效率將提高到45%至50%。 追求更高的熱效率是混合動力發(fā)動機(jī)發(fā)展的必然趨勢。
2、混合動力傳動
混合動力變速器是將發(fā)動機(jī)的動力與驅(qū)動電機(jī)的動力以一定方式耦合起來，能夠?qū)崿F(xiàn)變速、變矩的傳動系統(tǒng)。 它可分為專用混合動力變速器（DHT）和基于傳統(tǒng)變速器集成混合動力單元（驅(qū)動電機(jī)和相應(yīng)控制系統(tǒng)）的改進(jìn)型混合動力變速器（Add-on）。 混合動力變速器各有特點，詳見表2。
根據(jù)P0、P1、P2、P3、P4的不同，混合動力變速器在結(jié)構(gòu)特點、實施難度和節(jié)油水平上有很大差異。 當(dāng)然，它需要與發(fā)動機(jī)、車輛、電動機(jī)、電池等進(jìn)行良好的匹配和調(diào)整。 以獲得良好的性能。
混合動力變速器的具體技術(shù)發(fā)展如下：
（一）突出供應(yīng)鏈個性化。 汽車整車廠根據(jù)自身混合動力技術(shù)規(guī)劃和供應(yīng)商資源，選擇適合的混合動力傳動技術(shù)路線，并據(jù)此進(jìn)行迭代優(yōu)化。 例如，豐田THS已開發(fā)四代，本田i-MMD已開發(fā)三代，比亞迪DM已開發(fā)三代，上汽EUD已開發(fā)兩代。
(2)一體化程度越來越高。 混合動力變速器的發(fā)展方向是小型化、高扭矩、高輸出功率。 豐田新一代E-CVT耦合箱動能回收系統(tǒng)體積較上一代車型減少約1/3，長度減少47mm，整體結(jié)構(gòu)更加緊湊。 本田的PCU（動力控制單元）比上一代縮小了32%，PCU動力控制單元的體積也減少了23%，質(zhì)量減少了28%，可以直接安裝在變速箱中。 IPU智能動力單元也比上一代縮小11%。 %，質(zhì)量減少了6%，整個系統(tǒng)的體積和重量較上一代系統(tǒng)有了很大的改善。
(3)電驅(qū)動系統(tǒng)的性能改進(jìn)豐田改進(jìn)了THS電機(jī)的磁路，調(diào)整了永磁體的位置，增加了磁阻扭矩。 同時，轉(zhuǎn)子磁感線的分布更接近正弦波，有效降低高次諧波引起的鐵損。 這些改進(jìn)最直接的影響是電機(jī)整體損耗降低了20%，永磁體用量減少了15%。 本田PHEV車型將原電機(jī)的圓銅線改為方銅線，優(yōu)化了銅線的纏繞密度。 新電機(jī)體積和質(zhì)量減少23%，功率增加11kW，扭矩增加8N·m。
3、動力電池
PHEV動力電池主要是兼具動力和能源的磷酸鐵鋰電池和三元鋰電池。 動力電池的選型與整車的參數(shù)匹配、結(jié)構(gòu)布置匹配密切相關(guān)。 在提高能量的同時，兼顧了動力電池的安全性。 密度是動力電池的大方向。
其技術(shù)特點開發(fā)如下：
（1）電池容量逐年增加以大眾PHEV車型為例，大眾高爾夫GTE、帕薩特、奧迪A3等原插電式混合動力車型均采用9.9kWh電池。 該公司2019款寶馬X1混合動力汽車的電池容量較2017款車型增加了63%，分別見表3和表4。
（2）深挖電池?zé)峁芾韯恿﹄姵叵到y(tǒng)有嚴(yán)格的溫度要求。 有效的熱失控保護(hù)和熱管理是保證車輛安全、續(xù)駛里程和電池壽命的關(guān)鍵，也是PHEV車型所追求的目標(biāo)。 電池?zé)峁芾淼陌l(fā)展方向是傳熱介質(zhì)選擇與路徑優(yōu)化、電池低溫加熱技術(shù)、產(chǎn)熱、傳熱與散熱研究、熱設(shè)計、熱失控等。新一代豐田普銳斯監(jiān)控電池溫度并優(yōu)化散熱，降低油耗1%至4%，減少排放60%。
能源管理策略分析
PHEV能量管理系統(tǒng)根據(jù)動力總成架構(gòu)、動力電池荷電狀態(tài)（SOC）、駕駛員扭矩需求、發(fā)動機(jī)性能、車速和環(huán)境等因素控制發(fā)動機(jī)和電動機(jī)的協(xié)調(diào)運行，并實現(xiàn)所需的兩個電源之間的功率分布。 能量管理策略是連接燃油動力系統(tǒng)和電驅(qū)動系統(tǒng)實現(xiàn)良好結(jié)合的紐帶。 為了最大限度地提高效率并減少污染排放，需要有效的能源管理策略來實現(xiàn)發(fā)動機(jī)所需功率和電動機(jī)扭矩之間的平衡。
能源管理策略可分為三類：基于規(guī)則的控制策略、基于優(yōu)化的控制策略和智能交通控制策略，如圖3所示。
圖3 PHEV車型能源管理策略分類圖
混合控制策略的技術(shù)方向如下：
1. 能源管理的混合控制策略
每種控制算法都有優(yōu)點和局限性，將兩種特性互補(bǔ)的算法組合成新的優(yōu)化算法是一種更有效的方法。 例如，將規(guī)則控制策略與瞬時最優(yōu)控制或等效油耗最小策略相結(jié)合形成混合控制策略，在控制性能和實用性方面優(yōu)于單獨使用一種策略。
現(xiàn)階段混合動力汽車基本采用基于規(guī)則的能源管理策略。 此時，僅依靠工程技術(shù)人員的經(jīng)驗或仿真軟件的DOE功能，很難高效地獲得理論能耗最低的基于規(guī)則的控制策略。
天津中汽研究院汽車工程研究所基于全局優(yōu)化理論，開發(fā)了能量管理控制策略優(yōu)化算法，能夠在理論能耗最低的情況下獲得多個動力源之間的扭矩協(xié)調(diào)分配，滿足整車的需求。 同時生成相應(yīng)的車輛標(biāo)定MAP及其關(guān)鍵參數(shù)，最終實現(xiàn)接近理論最小能耗的常規(guī)能量管理策略。
上述基于最優(yōu)算法標(biāo)定規(guī)則的能量管理策略方案已成功應(yīng)用于混合動力汽車。 僅對原車發(fā)動機(jī)和電動機(jī)的工況以及運行后的扭矩輸出值（MAP）進(jìn)行了重新標(biāo)定，使SOC平衡條件下，該車型的WLTC循環(huán)油耗降低近5% 。
2. 駕駛工況識別與能量管理策略
識別和預(yù)測駕駛條件是提高插電式混合動力汽車能源管理性能的有效方法。 研究表明，只有掌握未來路線的詳細(xì)信息，EMS 才能真正優(yōu)化。 各種數(shù)學(xué)預(yù)測方法逐漸應(yīng)用于行駛速度預(yù)測，同時先進(jìn)傳感器、GPS、遙感技術(shù)和車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展為獲取車輛行駛路徑狀況信息提供了幫助。
梅賽德斯-奔馳最新的A級插電式混合動力總成采用P2并聯(lián)架構(gòu)設(shè)計。 混合動力系統(tǒng)在智能動力總成管理中采用了系統(tǒng)路徑優(yōu)化策略。 在混合動力驅(qū)動模式下，電力驅(qū)動操作、電池充電、換檔和動力總成的熱管理都根據(jù)速度曲線和路線拓?fù)溥M(jìn)行優(yōu)化。 該解決方案在具有ECO （Eco-）功能的車輛上實現(xiàn)，根據(jù)即將行駛的路線、下坡、路口以及路段之間的限速建議松開油門，從而幫助用戶養(yǎng)成經(jīng)濟(jì)的駕駛方式，提高效率能量回收也增加。 例如，使用導(dǎo)航數(shù)據(jù)可以讓 ECO 在駕駛員意識到即將發(fā)生制動事件之前建議駕駛員減速并進(jìn)入 ECO 狀態(tài)。
3. 基于駕駛方式多目標(biāo)協(xié)調(diào)優(yōu)化的能量管理策略
現(xiàn)有的管理策略基本上只考慮燃油經(jīng)濟(jì)性，綜合考慮動力性能、排放性能、路況和駕駛風(fēng)格，處于起步階段。 結(jié)合節(jié)能、環(huán)保和駕駛方式多目標(biāo)協(xié)調(diào)和優(yōu)化的能源管理策略將是下一階段研究的目標(biāo)。 天津汽車研究院汽車工程研究院完成了駕駛員風(fēng)格和路況識別、車輛實際載荷識別，以及基于“人-車-路”的多目標(biāo)能量流管理策略構(gòu)建，細(xì)分為45個模型進(jìn)行研究，根據(jù)駕駛場景和多個目標(biāo)（動力性能、經(jīng)濟(jì)性、駕駛性能和熱管理等）來優(yōu)化能耗。
4、新技術(shù)的應(yīng)用
算法的實時性能是實時優(yōu)化性能的重要挑戰(zhàn)。 能量管理策略的計算復(fù)雜度與實時優(yōu)化性能之間存在矛盾關(guān)系。 對大量交通數(shù)據(jù)的工況識別和預(yù)測會增加ECU的計算負(fù)荷。 高效實用的駕駛工況識別和預(yù)測算法是混合動力汽車能量管理的關(guān)鍵。 該戰(zhàn)略的關(guān)鍵技術(shù)之一。 層次控制為解決這一矛盾提供了新的思路。 同時，云計算技術(shù)為能源管理系統(tǒng)的性能優(yōu)化提供支持。 隨著5G網(wǎng)絡(luò)連接的商用實現(xiàn)和車輛自動化技術(shù)的快速發(fā)展，云技術(shù)分層計算具有研究和應(yīng)用前景。
