PHEV主要解决问题

1. 节能减排重要技术手段

我国能源结构不平衡，能源结构中煤炭占62%，石油占18.3%，天然气占6.4%，核电和可再生能源只占13.3%。2010—2019年，中国原油进口依赖度不断攀升，2019年中国的石油对外依赖度已经高达72%，远超国际安全警戒线（原油进口占比不超过50%），节能减排十分紧迫。PHEV车型在城市内使用可以完全和BEV同等，而且可以实现跨城市的长里程行驶，并且能耗还能得到控制，可以大幅降低燃油消耗。

2. 解决纯电的里程焦虑

根据丰田在日本的统计，日均行驶里程在30km以下的车主，纯电模式占比非常大，一直到日均70km纯电的行驶距离都占相当比例，该结论与美国国家个人交通运输测量数据（Utility Factor）特征描述也是大同小异，63%的单次出行里程低于40mile（64km）的人受惠于纯电行驶带来的节油效果。而在中国，据滴滴公司发布的出行报告显示，北京是中国单程通勤距离最远的城市，居民上下班通勤距离平均17.4km。东莞和深圳紧随其后，平均通勤距离分别为17.3km和16.8km。国内PHEV车型纯电续驶里程基本都超过50km，可以满足基本通勤要求，同时以丰田RAV4PHEV为例，这款插电混合动力车型加满油，其综合续驶里程可高达1 280km，完全能够满足日常行驶纯电行驶和长途利用油电混合行驶的要求。

3. 兼顾BEV和HEV车型的优势

PHEV既可以像BEV一样纯电行驶，也可以像HEV（混合电动汽车）一样，电力只间接来源于燃油，不消耗动力电池中的电量行驶，还可以同时消耗燃油和动力电池电量行驶。对于消费者来说，意味着更低的综合能耗、更接近电动车的驾驶特性以及更为快速的充电特性。对于主机厂来说，PHEV与BEV车型形成了有效的互补，有助于扩宽新能源目标消费者群体。对于新能源汽车供应链来说，PHEV市场的发展同样加速了对电动机和电池的需求，有助于新能源领先供应商继续壮大，形成产业的良性循环。

动力总成架构分析

当前全球的PHEV构型，呈现百花齐放的格局，其中单电动机并联、动力分流、双电动机串联/并联三大构型是主流技术方向，具体见图1和表1所示。

图1 PHEV车型动力总成结构

PHEV混动技术具体分为四种，其优劣和技术发展如下：

（1）动力分流深度油电混合动力技术 以丰田、通用为代表，以行星排结构实现动力耦合的双电动机动力分流技术，目前分单行星排及双行星排技术。利用行星排的特性，可以将发动机工况调整到热效最高的狭小区域，因此可以使用混动专用的阿特金森循环发动机。不论是单行星排还是双行星排技术，由于行星排固有的输入转矩转速与输出转矩转速有一定比例关系的平衡特性，造成电动机与发动机的转矩、转速匹配必须符合此规律，不像其他构型一样，电动机选型灵活多变。丰田最新的THS-IV，用平行轴减速机构代替了行星齿轮减速结构，驱动电动机采用更高转速电动机，单行星排技术简单，成本较低，性能稳定，更适合目前市场需求。

（2）单电动机双离合技术 以“单电动机双离合”构型作为核心技术，以欧洲主机厂P2混合动力构型为代表，细分有P2.5构型，降低技术难度。P2结构电动机位于发动机之后、变速器之前，因此变速器的所有挡位都可以被电动机利用，电动机本身不需要太大的转矩及高转速，可以节省成本、减小电动机的体积，采用插电式混合动力形式节油效率高。P2结构高度集成，目前P2的集成技术主要掌握在舍弗勒、博格华纳等国外大公司手中，国内主机厂还没有成熟的技术。目前采用P2构型的多是一些大品牌，国内规模小的自主品牌用不了高度集成的P2模块，且在成本、周期等方面受制于供应商。另外，自主品牌紧凑型轿车的横置发动机很难再集成进去一个P2模块。

（3）串并联混动技术 这种技术中两个电动机的功率选型灵活，传动效率都很高，可以用很大的电动机来驱动车辆，最大的优势是中低速串联模式时可以使用高效阿特金森发动机做发电动机，纯电驱动和动能回收的效率比较高，高速时发动机也可以直驱，与驱动电动机组形成功率互补模式。缺点是驱动电动机的工作区域不能优化，发动机与电动机模式切换时冲击较大，驱动电动机技术要求高，串并联耦合箱通常需要较强的技术研发及配套集成能力。

（4）后驱动桥P4+混动技术基于P4技术可以扩展建成P0+P4、P1+P4、P2+P4、P3+P4等四驱构型，电动机与发动机不在同一驱动轴上，车辆可以实现四驱，也可以灵活地在两驱与四驱之间转化。可以采用模块化的P4模块，方便做出动力性能优秀的车型。因为单独增加了后驱动桥，成本高是该构型主要缺点。后驱电动机的最高转速决定了车辆的最高车速，造成对后驱电动机的高速性能或者对后驱变速器的性能要求更高。

动力总成关键部件技术升级途径分析

1. 混动专用发动机

提升发动机热效率是混合动力车型不懈的追求目标，合资企业以丰田为例，经过四代技术迭代（见图2），目前凯美瑞所用发动机的热效率已经达到41%，以奇瑞和长安为代表的自主品牌不断探索提升发动机热效率技术方案，目前热效率均达到40%。

图2 丰田热效率优化历程

国外混合动力专用发动机广泛向着以下高效清洁燃烧技术和能量管理技术方向发展：智能化电控、直喷、组合喷、多孔喷、高压喷、精细雾化、高能点火、多点点火、电控可变气门正时、电控可变气门升程、高压缩比、阿特金森循环或米勒循环、先进气流组织、高效智能热管理、高效燃烧控制、轻量化、小型化、低摩擦、新材料和新工艺、变排量机油泵、电控可变机油压力调节、电动化水泵、电动助力、电动空气压缩、进气歧管集成式中冷、集成式排气歧管、高压EGR、低压 EGR、组合 EGR、怠速启停、先进后处理及集成马达能量回收等，这些技术用来提高发动机热效率，并实现系统化布局以节省成本。

自主品牌长安混动专用发动机，集成了米勒循环、高压缩比（13:1）、冷却EGR技术、缸盖集成排气歧管、缸内燃油直喷技术GDI、低摩擦技术、热管理技术等，热效率达40%。奇瑞最新的iHEC燃烧系统（高强度滚Ⅵ进气系统、20Mpa高压供油系统、90mJ高能点火系统、第三代智能控制系统以及智能高效清洁燃烧技术）、快速升温的热管理系统、快速响应的增压技术、降摩擦（相对二代降低20%）与轻量化技术（相对一代降低50%）等。

由于相对长期工作在高效区域，混动车实际使用热效率相比传统车占有明显优势。目前高效发动机较多采用优化的阿特金森循环、冷却 EGR、低摩擦技术和智能热管理技术，热效率已超过 40%。未来几年，有望将混动发动机热效率提升至 45%～50%，追求更高的热效率，是混合动力发动机发展的必然趋势。

2. 混动变速器

混合动力变速器是将发动机与驱动电动机的动力以一定的方式耦合在一起，并能实现变速、变矩的传动系统。其可分为专用混动变速器（DHT）和基于传统变速器集成混动单元（驱动电动机及相应的控制系统）的改进型混动变速器(Add-on)。混动变速器各有特点，具体见表2。

混动变速器依据其在P0、P1、P2、P3和P4不同，其结构特点、实现难度和节油水平存在较大差异，当然还需与发动机、整车、电动机及电池匹配及调校好，才能取得良好的性能效果。

混动变速器具体技术发展如下：

（1）供应链个性化突出 汽车主机厂根据自身混动技术规划和供应商资源，选定适合的混动变速器技术路线，就会按此进行迭代优化。如丰田THS发展了四代，本田i-MMD发展了三代，比亚迪DM发展了三代，上汽EUD发展了两代。

（2）集成化程度越来越高 混动变速器发展方向为小型化、高转矩以及高输出功率。丰田新一代E-CVT耦合箱动能回收系统的体积较上一代车型减小了约1/3，长度减少了47mm，整体结构更加紧凑。本田PCU（电源控制单元）体积比上一代缩小32%，PCU动力控制单元也降低了23%的体积和28%的质量，可以直接搭载在变速器内，IPU智能动力单元也比上代体积降低了11%，质量减轻了6%，整个系统比上代系统的体积和轻量化都得到了极大地提升。

（3）电驱系统性能提升 丰田对于THS电动机的磁路进行了改进，调整了永磁体位置，磁阻扭力提升的同时，转子磁感线分布更加接近正弦型，有效地减少了高阶谐波所造成的铁损。这些改进最直接的影响就是电动机总体损耗减少了20%，永磁量降低了15%；本田PHEV车型将原有电动机的圆形铜线改为了方形铜线，优化了铜线的绕组密度，不仅使新电动机的体积和质量降低了23%，更是将功率提升了11kW，转矩提升了8N·m。

3. 动力电池

PHEV动力电池主要以功率能量兼顾性的磷酸铁锂电池与三元锂电池为主，动力电池选型与整车的参数匹配、结构排布匹配等紧密相关，兼顾动力电池安全性的同时提升能量密度是动力电池的总方向。

其技术特点发展如下：

（1）电池电量逐年提高 以大众PHEV车型为例，原有大众Golf GTE、帕萨特和奥迪A3的PHEV的基础是9.9kWh的电池，通过改变电芯，增加到了13.0 kWh，增加了31%，宝马公司的2019宝马X1混合动力汽车与2017款的电池相比较，电池电量增加了63%，分别见表3和表4。

（2）深入挖掘电池热管理 动力电池系统对温度要求严格，对其进行有效地热失控保护和热管理是保证车辆使用安全、续驶里程和电池寿命的关键，也是PHEV车型追求的目标。电池热管理发展方向为传热媒介选取及路径优化，低温下的电池加热技术，产热、传热、散热规律的研究，热设计、热失控等，新一代丰田普锐斯通过电池温度监控、优化散热器，实现油耗降低1%～4%，排放降低60%。

能量管理策略分析

PHEV能量管理系统基于动力总成架构、动力电池荷电状态（SOC）、驾驶员扭矩需求、发动机性能、车速和环境等要素的基础上，控制发动机和电动机的协调运行，实现需求功率在两个动力源之间的分配。能量管理策略是燃油动力系统和电驱动系统实现良好结合的纽带，为了最大限度提高效率和减少污染排放，需要高效的能量管理策略实现需求功率在发动机和电动机扭矩之间的平衡。

能量管理策略可以分为三类：基于规则的控制策略、基于优化的控制策略以及基于智能交通控制策略，如图3所示。

图3 PHEV车型能量管理策略分类图

混动控制策略技术方向如下：

1. 能量管理混合控制策略

每种控制算法都有优点和局限性，将两种具有互补特征的算法组合成新的优化算法，是一种更有效的方法。如将规则控制策略与瞬时优化控制或等效燃油消耗最少等策略组合成混合控制策略，在控制性能和实用性等方面比单独使用一种策略好。

现阶段混合动力汽车基本采用规则能量管理策略，此时仅依赖于工程技术人员经验或仿真软件自带的DOE功能，难以高效地获取接近理论能耗最低的规则控制策略。

天津中汽研汽车工程院基于全局优化理论开发了能量管理控制策略优化算法，能够获取在理论能耗最低情况下多动力源间转矩的协调分配，以满足整车需求。同时生成对应的整车标定MAP及其关键参数，最终能够实现接近理论最低能耗的规则能量管理策略。

上述基于最优算法标定规则能量管理策略的方案，已经成功应用于某混合动力车型，仅对原车型的发动机和电动机工作条件及运行后转矩输出值（MAP）进行了重新标定，使得在SOC平衡条件下该车型的WLTC循环油耗降低接近5%。

2. 行驶工况识别与能量管理策略

对行驶工况进行识别和预测是提高插电式混合动力汽车能量管理性能的一种有效方法。研究表明，只有获得未来路线的详细信息，EMS才能实现真正意义上的优化。各种数学预测方法逐渐应用于行驶速度预测和同时，先进传感器、GPS、遥感技术和车联网等技术的发展，为获取车辆行驶路径工况信息提供了帮助。

梅赛德斯-奔驰最新的A级插电式混合动力传动系统设计为P2并行架构，混合动力系统在智能动力系统管理中使用系统路线优化策略，在混合动力驱动模式下，电力驱动运行、电池充电、换挡和动力总成的热管理都根据速度分布和路线拓扑进行优化。该方案在车辆上采用ECO辅助（Eco-assist）功能来实现，它基于即将到来的路线、下坡坡度、十字路口及路段间限速来建议松开节气门，从而帮助用户培养经济性驾驶风格，也增加了能量回收的效率。例如，使用导航数据可以让ECO辅助系统在驾驶员意识到即将发生的制动事件之前，建议驾驶员减速进入ECO工况。

3. 基于驾驶风格多目标协调优化的能量管理策略

现有的管理策略基本只考虑燃油经济性，对动力性、排放性、道路状态以及驾驶风格等进行综合，处于起步阶段，结合节能、环保和驾驶风格等多目标协调优化的能量管理策略将是研究的下一阶段目标。天津中汽研汽车工程院已经完成驾驶员风格识别和道路工况识别，车辆实际载重、构建基于“人-车-路”多目标的能量流管理策略研究，细分至45种模型进行研究，按照行车场景和多目标（动力性、经济性、驾驶性和热管理等）来优化能量消耗量。

4. 新技术的应用

算法的实时性是实时优化性能的重要挑战。能量管理策略的计算复杂度和实时优化性能之间存在矛盾关系，对大量交通数据进行工况识别和预测会增加 ECU 的计算负荷，高效实用行驶工况识别和预测算法，是混合动力汽车能量管理策略的关键技术之一。分层控制为这种矛盾的解决提供了新思路，同时，云计算技术为能量管理系统的实现最优性能提供了支撑，随着5G网联的商用落地和车辆自动化技术快速发展，利用云技术分层计算具有研究和应用前景。