常见混合动力关键系统架构分析

高祖成， 莫季才， 黄祖朋， 李 坚

（上汽通用五菱汽车股份有限公司技术中心， 广西 柳州 545007）

引言

“双积分”政策已进入强制考核阶段，混合动力汽车是节能减排、实现“碳中和”的关键路径之一。该汽车融合了传统燃油汽车和电动汽车的优点，是当前最具有市场价值的低排放和低油耗汽车。当前国家鼓励多元化发展，市面上存在多种不同模式的混动汽车，各有千秋，百花争鸣。本文主要以某HEV 混动动力车型为例，重点从混动系统动力架构组成特点、关键点解析、能量回收系统、热管理架构、发动机启停、关键系统故障后处理等方面进行阐述，对从事混动汽车开发工作有一定的借鉴意义。

1 混合动力的系统构架

混动系统架构根据电机在动力传输的不同位置及组合，构成了P0、P1、P2、P3、P0+P2、P0+P3、P0+P4、P1+P3、P1+P4、P2+P4、P3+P4 等不同类型的混合动力架构[1]。如图1 所示。

P0 为电动机位于发动机皮带位置，功能特点是电机实现发动机启停。P1 为在第一个离合器之前，电机与发动机不可分离，特点是电机实现发动机启停及发电。P2 为在第一个离合器之后，变速器输出轴之前，电机和发动机可以分离，特点是电机实现发动机启停、发电、纯电行驶。P3 为在变速器输出轴上，在主减速器之前，特点是电机实现发电、纯电行驶且输出的扭矩大小不受变速箱的限制。P4 为在主减速器和轮胎之前，特点是通常说的后驱或者四驱车型。

2 混合动力关键点分析

2.1 高效的发动机

混动动力减少了发动机低转速/低扭矩的需求，需求专用发动机经济区扩大，发动机热效率提高。故热效率是考核混动发动机的关键要素，如日系丰田/本田常用的1.8&2.0&2.5 阿特金森/米勒循环发动机热效率43%，长安蓝鲸IDD 混动（增加可变气门升程、可变截面电子涡轮增压）总体效率45%、长城的柠檬混动发动机（1.5L 阿特金森）（1.5T 米勒循环）等。

2.2 高效率的变速箱&动力耦合机构

如市面常见丰田行星齿轮E-CVT、本田的IMDD、比亚迪的二代（DCT+P3）三代（DMi）、长城柠檬DHT（2 挡DHT）、奇瑞鲲鹏DHT（3 挡DHT）、吉利第一代P2.5（DCT）、吉利二代雷神（3 挡DHT）、上汽EDU、韩系P2 DCT（基于DCT）、大众P2 DCT（基于DCT）。传统效率越高，损失的能量越低。

例如某P1+P3 架构，如图2 所示，混动系统为2.0阿特金森发动机+DHT（混动变速箱），其中DHT（混动变速箱）由P1 发动机、P3 驱动电机、离合器、耦合器共同组成，整个系统的传动效率可达到97%。

此结构支持多种模式：可EV 行驶、混联驱动、串联驱动、能量回收、怠速停机等，通过智能切换实现各种驾驶场景下动力与油耗的完美平衡：低速行驶，EV和串联模式之间智能切换，使发动机工作在最优经济区域，油耗最低；急加速大负荷工况发动机、驱动电机共同全负荷输出，提供最佳动力；中速运行（大于某车速kph 以上，与速比相关），发动机可实现直驱，能量效率较串联提升5%～7%；高速巡航工况，发动机直驱，油耗较串联优8%～15%。

2.3 整车动力系统机电耦合匹配经验/能力

混动技术的研发核心在于掌握混动系统的能力，系统会进行多种工作模式的相互切换，形成许多对单个动力源而言的非连续瞬态过程。确保发动机能在较短时间内平稳起动；能有效控制驱动前的转速与离合器结合过程；能协调控制发动机与电机转矩，响应因状态切换而形成的发动机需求转矩变化；确保在汽车总需求转矩较大波动时，能有效协调控制电机与发动机的转矩。

这些是通过不断地标定、根据动力系统架构进化来的。从丰田打开混动专利来看，他们并不担心学习借鉴者，因为这套系统最核心的是匹配能力，这些是需要时间和经验的沉淀，从物理表现是吃不透的。

3 能量回收系统

混合动力汽车在D/R/S 滑行或制动时进行能量回收。能量回收可设置成“低”“中”“高”或者“低”“标准”，由客户根据不同的喜好选择不同的回收等级。不同的回收等级对应不同的减速感，在不影响驾驶感受及车身稳定的情况下，尽量把能量回收强度做大。不同构型的动力系统，采取的能量回收方案略有差异。举以上页图2 所示的某P1+P3 架构为例，因P3 电机与车轮端为长耦合，P1 电机通过离合器按需与车轮端耦合，必然存在P1 和车轮脱开的情况，故能量回收由P3 发电至电池完成。

4 热管理系统架构

高温冷却回路（发动机端）与现有非常成熟的传统燃油高温回路类似，而低温回路则不同。本文侧重介绍低温冷却回路，其主要由低温散热器、电子水泵、发电机（P1）、驱动电机（P3）、DCDC 变换器、MCU（双电机）、高压电池共同组成，由电子水泵带动冷却水循环进行冷却。

举某P1+P3 混动为例（此构型电池为风冷、电机/电控均为水冷），如图3 所示。

其控制工作原理：热管理系统由整车控制器HCU、发动机控制器ECM、低温散热器、电子水泵、发电机（P1）、驱动电机（P3）、DCDC 变换器、MCU（双电机控制器）、风扇、AC 空调控制器、水温传感器等部件组成。整车控制器系统根据AC 控制器需求、部件水温（P1、P3、DCDC、MCU）、发动机水温，综合车速进行：电子水泵的转速控制、高低风扇开启及转速控制。

5 发动机启停架构及策略

混动车型发动机的平稳启停关系到驾驶的平稳性，非常重要。举某P1+P3 混动为例（此构型电池为风冷）。

1）混动系统根据下述需求进行发动机启动：高压电池SOC 小于目标SOC；电池温度过低或过高，退出需设置温度迟滞；“驾驶员原始需求的驱动功率≥驱动电机可用功率减去一定偏移量（偏移量与车速和加速踏板开度相关）；当电池实时最大可用放电功率小于等于一定值；电子真空泵故障。整车有发动机抽真空及电子真空泵，纯电模式是采用电子真空泵，当电子真空泵故障时，会强制发动机启动。

2）停机判断：混动车型发动机启动过程通常采用大电机拖动，当高压电池能力受限（如极低温、极高温）。整车模式跳转到EV 时，会停止发动机；上述启动条件不满足时，整车系统为达到最大经济化，按需停机；发动机自身需求停机；电机故障；整车碰撞类需求停机。

6 混合动力关键系统故障后处理

混合动力汽车整车结构及控制逻辑上更为复杂。1 个小部件问题可以引起整个混动系统异常，同时多个部件的相互关系也会引起整车系统异常（如高压电池异常、驱动电机异常等）。通过制定动力关键系统的故障等级定义，各零部件根据系统定义梳理部件故障种类及故障级别，并通过总线网络发出。整车控制器则通过网络收取部件的故障级别，并对整车故障级别进行分类/汇总。针对每一个故障整车系统都会相应的做出恰当的后处理。根据混动系统架构构型，整车制定《故障等级定义》及《动力源失效处理方式》；关联部件根据上述文件，梳理故障类型、级别及后处理，故障级别通过网络总线发出；整车控制器大脑HCU 梳理故障类型、级别及后处理，再结合各零部件的故障级别，制定整车动力系统处理方案。

7 结语

本文主要以某P1+P3 架构混合动力车型详细描述了重点从混动系统动力架构组成特点、混合动力关键点解析、混合动力能量回收系统、混合动力热管理架构、发动机启停策略、混动关键系统故障后处理几方面进行阐述，对从事混动汽车开发工作有一定的借鉴意义。随着混合动力汽车技术的不断成熟及进步，以及国家鼓励的多元化发展，未来混合动力汽车必将在汽车历史长河上占有无比轻重的地位，也会越来越深受人民大众的喜爱。