【原创】2024年度功率分流混合动力汽车开发问题探讨(1)

新能源汽车是在传统汽车的排气污染、化石能源消耗和碳排放带来的环境问题、社会问题逐渐凸显的背景下发展起来的，其中纯电动汽车以全新的能源形式、优秀的整车性能，在国家政策推动下得到快速发展，然而其存在的续驶里程短、补能效率低以及电池成本高的问题长期成为用户焦虑的焦点。混合动力汽车正是结合了燃油车和纯电动汽车两者的优点，既能在城区低速工况下用电实现较好的经济性和驾乘体验，又能在长途跋涉中用油，不必担心“余额不足”，而且低速用电、高速用油，满足了全场景下最优的能量分配。所以，混合动力汽车近年来得到用户青睐，可以一车两用，不再需要一台电车用于市内通勤一台油车实现诗和远方了。

目前混合动力汽车的形式非常多，常用的分类方式是按照电机布置位置来划分，从发动机曲轴前端的P0电机，往后依次是飞轮端P1电机、离合器后P2电机、变速箱后P3电机，以及电驱动桥或轮毂电机P4，关于混动汽车的构型在工程上有很多创新形式，最为典型的就是P13、PS和P2.5，这几种形式对于变速箱的改动比较大，所以称为混动专用变速箱，即

DHT（Dedicated Hybrid Transmission），下面这张图将这几个概念的范畴简单示意，不做展开说明。

PS是Power Split的首字母缩写，功率分流，意即通过DHT专用混动箱将发动机功率分成机械流和电流，实际上P2.5和P13两种构型的混动箱也可以实现功率分流，但是通过行星排结构将发动机输出功率按照等比例分成机械能和电能的也只有PS构型的混动箱。

PS构型的混动箱的结构原理图如下，最为典型的部件就是图中的行星排（1），它由太阳轮（2）、行星轮、行星架和内齿圈组成，发动机输出轴与行星架相连，行星架上的行星轮分别与太阳轮和内齿圈啮合，太阳轮连接MG1发电机，内齿圈连接车轮驱动端。当发动机工作时，发动机带动行星架转动，行星轮以不同速比带动其啮合的太阳轮和内齿圈运转，这里太阳轮连接的MG1电机用于发电，发出的电可以带动MG2电机做功，也可以储存到动力电池里面；内齿圈连接的输出轴直接驱动车轮，输出的是机械能。

下图是PS混动箱内行星排的结构原理，发动机通过行星架将功率一分为二，一路由里面的太阳轮连接到MG1发电机，一路由外面的内齿圈输出到传动系统，两路的能量分配取决于太阳轮和内齿圈的齿数比。由于外齿轮和太阳齿轮和行星齿轮的直径和齿数都已固定，这也就表示发动机的扭矩永远会按照比例分配给太阳轮和外齿圈。

以丰田普锐斯THS为例，大约72%的发动机输出功率分配给外齿轮，28%的发动机输出功率分配给太阳齿轮，一旦发动机运转，就不会改变这个基本事实。另外，由于行星齿轮组的结构限制，外齿圈和太阳轮之间的齿比为2.6，也就是外齿圈转一圈，太阳轮就得转2.6圈，导致的结果就是，M2电机的转速被M1电机的极限转速（下图示例为6500转）所限制住了，所以只能达到2500转，对应的车速为42mile/h，即67.6km/h左右。所以，在系统匹配设计的时候需要考虑电机边界条件对最高车速的限制。

下面再简单介绍一下PS混动箱的工作原理，从PS构型的结构原理可知，它没有换挡机构，完全通过发动机和两个电机进行调速，所以也称为E-CVT。PS混动箱可以实现多种工作模式，包括纯电模式、发动机起动模式、混动模式、能量回收和驻车发电。

（1） 纯电模式

在车速较低的市区工况可以采用纯电模式，此时发动机不转，电池直接给MG2电机供电，由MG2电机驱动车轮。但是由于MG2电机与行星排的外齿圈硬连接，所以也会带动行星排的外齿圈转动，此时发动机连接的行星架固定，所以太阳轮以及与其相连的MG1发电机会反转，此时发电机空载运行不发电。

而在纯电大负荷状态下，此时发动机输出轴的单向离合器介入，行星架保持不动，电池同时给MG1和MG2供电，此时MG1发电机开始充当电动机，动力经过太阳轮传递到外齿圈，在经过平行轴此轮传递给前桥差速器，最后与MG2一起驱动车辆前进。

（3） 混动模式

混动模式才能真正体现出E-CVT整套系统的精髓，当驱动电机功率已经无法满足动力需求，又或者电池电量不足的时候，此时发动机就需要起动介入了。就是前面所述，发动机实现功率分流，一部分能量用于MG1发电，一部分能量用于外齿圈做功。MG1发的电可以储存到电池里面，也可以用于驱动MG2做功，这取决于整车能量需求。

（4） 能量回收

能量回收是新能源汽车实现节能的重要方式，车辆滑行或者制动的时候，车轮通过传动系统带动MG2电机转动，MG2电机通过外齿圈、行星架带动太阳轮转动，太阳轮带动MG1发电机转动，所以MG1和MG2电机在车轮倒拖旋转时产生的电能储存到动力电池里面，是电机驱动车轮的逆过程。下面这个图是发动机不工作的情况下的能量回收，如果车速较高发动机工作，那么根据杠杆原理，发动机转速也处于倒拖状态。

（5） 驻车发电

PS构型混动汽车可以实现驻车充电，虽然我们说发动机只要运行就会有72%的功率用于外齿圈做功，28%的功率用于MG1发电，但是在驻车的情况下因为外齿圈、MG2电机和车轮传动系统硬连接，都会处于静止状态，这时候行星排就固定了外齿圈，行星架带动太阳轮旋转，所以只有MG1发电。

新能源汽车在低温环境下的使用痛点主要来自于动力电池，因为动力电池既怕热又怕冷，温度过低电池的锂离子在负极的嵌入活性降低，容易产生析锂，严重时刺破隔膜引发内部短路，长期的析锂也会导致动力电池的能量衰减和使用寿命缩短。所以，在电池温度很低的时候需要限制电池的充放电功率，在温度很低的时候，比如-10℃以下限制充放电，只有当电池加热到-10℃以上才允许以0.1C倍率充放电，然后随着电池温度升高充放电功率逐渐增加。

电动汽车只有动力电池一个动力源，所以在极低温度下电池可以自加热或者通过PTC加热，加热功率一般限制在2kW以内，待电池温度升高到-10℃以上才能动力输出。

混合动力汽车因为有发动机余热利用，可以在低温下先让发动机工作，以PS构型为例，-20℃环境下电池仅能维持拖转发动机的输出动率，然后发动机运行后就可以通过行星排机构将动力一分为二，MG1发电直接给MG2做功，联合外齿圈带动传动机构驱动车轮。发动机余热以及电池自加热系统快速让电池升温，在电池温度达到0℃以前，汽车行驶主要靠发动机的输出能量，当电池温度达到正常后（0℃以上）才会按照正常的能量管理策略输出。

低温环境下，动力电池的充电也有功率限制，比如以某能量型风冷动力电池为例，当电池温度从-5℃以下开始充电时，电池需要先加热，温度升高到-5℃以上边加热边充电，电池充电功率需要限制，一直到电池温度达到15℃以上，电池才停止加热并按照1C倍率充电。

在低温下正常行车的时候，发动机带动MG1发电给MG2用，是不给电池充电的，这时候按需分配，MG2需要多少MG1就发多少。在滑行的过程中，只要不对电机进行励磁就不会产生回收电量，所以也不会对电池造成影响，只是滑行过程没有电机发电的制动效果。

但是在收油门的瞬间，可能会出现问题。因为发动机前一刻还是大功率输出，突然收油门之后，发动机功率不会马上降下来，根据能量守恒，这时候发动机还会驱动MG1发电机发电，而另一侧外齿圈和MG2已经被车轮倒拖运转。因为MG1发出来的电无法再给到MG2（因为不需要驱动了），所以只能充往动力电池，此时电池就会出现一个瞬间较大的充电功率（电流负值为充电），这个充电电流最大能达到-80A（0.64C），持续0.2秒左右，功率为28kW，而该温度下的功率限制在10kW以内。

可能有人会问，既然电池不允许低温下大电流充电，是不是可以控制MG1发电机别发电呢？当然可以，而且瞬间大电流之后MG1电机也就停止发电了，只是发动机输出扭矩没有办法马上降下来，0.2秒以内的时间已经足够短暂，就好比百米冲刺到终点无法马上停住一样的道理。

既然在收油门时瞬间大电流无法避免，那怎么才能降低对电池的影响呢？特别是在低温环境下，需要将充电电流降低到20A以内。为此，有如下思路来优化解决：

降低发动机低温输出功率，可以有效控制收油门瞬间的电流冲击，从前面的分析中可以看出，收油门瞬间的回充电流跟驱动时的输出电流相当，如果将回充电流控制在20A以内，那么发动机给MG1的发电电流也要控制在20A以内，这将大大降低低温下的整车动力性。

随着电池温度升温，回充电流可达到的边界也在提高，可以逐渐放开发动机输出功率。经在低温环境下试验验证，此方案对整车低温性能牺牲较大，不是很好的技术方案。

当然也有提议让发动机的扭矩衰减更快一点，这只能将反冲电流持续时间缩短，但是无法彻底消除该问题，通过发动机收油门快降扭能够降低影响。

这是很难做到的，因为这本身就是瞬间发生的事情，从采集的数据看，从收油门到反充电流达到最大只有0.2秒的时间，再想缩短已经很难了，这就好比一个百米冲刺的人跑到终点让他马上停下来一样的道理，均是不可实现。

该方案可以让电池温度尽快达到不限功率的边界，但是在温度升到0℃之前仍然存在充电限功率问题，无法从根本上解决反充电流过大的问题，水冷电池只能做到让反充电流受影响的时间缩短一些。

如果可能，倒是可以将MG1发电机产生的电流用于加热PTC，如果这样可以的话，也能将MG2电机产生的制动能量用于加热PTC，可以快速提升系统温度，这在设计上是很难实现的。

在电路中安装一个电容，设计控制电路，电池处于低温的时候，充电电流经过电容器进行滤波，降低瞬间大电流，形成迟缓小电流后再充入到电池中。此处只是一个思路，具体电路设计需要具体实践。

MG1发电机产生的电流可以通过电机控制，形成对MG2电机的阻力矩。在电路设计和控制上，可以根据电池温度，让MG1发电机在低温时产生的电流只流向MG2电机，而不用来给电池充电。该方案其实就是给MG2一个正扭矩，在项目实践中也曾考虑，但是会影响到驾驶性。

针对该问题，需要综合各种因素，制定最可行的解决方案。

最后，也是最重要的问题，低温下0.5C的冲击电流电流持续0.2秒是否真的能对电芯造成损害？这个问题还需要后续的试验来验证，如果没有影响，那么前面所有的讨论都变得无足轻重了。

参会请联系我们