插電式混合動力汽車（PHEV）綜合了純電動汽車（EV）和混合動力汽車（HEV）的優點，既可實現純電動零排放行駛，也能通過混動模式增加車輛的續駛里程。在后補貼時期，政府補貼減少、消費者里程需求增加、電池成本降幅較小且車輛售價不能上漲，為PHEV提供了發展機遇。混動方案合理化、動力系統集成化、核心部件專用化和控制策略創新性設計是提升PHEV性能的關鍵核心技術。

1.發展PHEV的原因

1.1 PHEV符合技術路線

節能和新能源汽車技術路線圖中規定，至2020年、乘用車新車平均油耗5L/100km，至2025年、乘用車新車平均油耗4 L/100km。

圖1為傳統車、HEV和PHEV油耗隨質量的變化趨勢，隨著整備質量增加，各車型的油耗均正比例上升。由圖1可知，整備質量較大的B級車必須依靠PHEV技術才能將油耗控制在5或4L/100km以內，與“以緊湊型及以上車型規模化發展插電式混合動力乘用車為主”技術路線保持一致。

圖1 車輛油耗與整車質量變化關系

1.2兩級補貼大幅退坡

按照既定的退坡方案，250公里以上車型兩級補貼在北京和天津分別下降2.2和2.75萬。從整車成本方面考慮，零部件成本下降是解決補貼退坡最直接途徑，但難度較大。

表1 補貼退坡統計

1.3零部件價格無大幅下降可能

理論上零部件價格下降可減少補貼退坡的壓力。但近期由于銅材等價格上揚，零部件價格在2017年上半年只能維持現有狀態、小幅波動，無大幅下降可能。因此，近期通過零部件降本平衡補貼退坡可能性不大。

1.4續駛里程持續增加

表3為熱銷車型續駛里程的統計情況，續駛里程需求持續增加。里程增加，除了輕量化和再生制動優化外，最直接方式就是增大電池容量，電量增加導致整車成本上升。

表3 熱銷車型續駛里程統計

1.5 PHEV可平衡各種制約因素

PHEV可平衡補貼退坡、零部件價格和里程增加之間的矛盾。 PHEV的混動模式可解決純電動里程問題；電池電量小，批量后可解決電量增加的成本問題；電池成本所占比例減少，對電池成本的敏感度降低。

表4 PHEV綜合優勢

PHEV在國內推廣阻力之一，就是認為在不充電的情況下、即進入能量維持CS階段后，此時車輛與傳統車無異，給出了“95%以上的車主都在以傳統汽油車的模式運行插電混動車，建議取消插電混動的特定補貼”的建議，作者發表了“插電式混合動力＝純電動＋強混≠純電動+傳統車”，解釋了不充電情況下PHEV仍省油的原理。不充電情況下，PHEV比同等重量燃油車省油30%，這是獲得兩級補貼最基本條件，性能較好的PHEV在CS階段可節油40%。

2.PHEV關鍵核心技術

2.1 混動方案合理化設計

表5為國內外各主流混動方案的對比分析， EDU代表上汽的雙電機、雙離合器、兩擋AMT的集成方案；PGS為行星排耦合方案；P系列根據電機位置進行定義，P0和P1分別表示BSG和ISG方案，這兩種方案不能實現純電動模式，不能用于PHEV；P2和P3分別表示電機集成于變速器的輸入和輸出端，P4表示電機集成于后橋的ERAD結構，P04表示前軸為P0方案、后軸為P4結構。三菱歐藍德更加復雜，前軸為P12、后軸為P4，組成了P124混動架構。

由表5可知，可作為PHEV結構的各種方案均可實現30%以上的節油效果，相對于其他方案，電機與有級式自動變速器方案比較適合于自主品牌，P2和P3方案更適用于自主品牌新能源轎車，P04可實現電子全時四驅功能、適用于SUV。

表5 各種混動方案對比

2.2動力系統集成化設計

前艙的總布置是乘用車混動系統的難題之一，由于發動機、離合器和變速器均集成于此，橫向尺寸非常吃緊、總布置上為ISG電機留出50mm的空間也比較難，所以很多方案放棄了效率較高的ISG方案，采用BSG方案解決總布置問題。廣汽的GA5增程式混動更是采用發動機縱置方案，這種方案布置相對容易、但對于發動機工作時NVH優化提出了很大挑戰。對于發動機頻繁啟停的插電式混動而言、發動機縱置可行性不大。

造成總布置困難的主要原因，就是總布置時采用簡單的迭代累加方案，零部件越多、橫向尺寸越長。

豐田等在集成化設計方向取得較大進展，作為全球銷量即將邁入千萬銷量的THS系統、仍在不斷探索混動系統優化設計問題。最新的第四代THS驅動電機MG2不再同軸，通過一個反轉從動齒輪減速，并與行星齒輪組的齒圈結合。基于新的齒輪傳動、新的電機和雙電機平行布置，結構更緊湊，重量更輕，而扭矩相差不大。總長度比第三代縮小了47mm，零件數量和總重量分別降低20%和6.3%。

2.3 核心部件專用化設計

對于常用的P2或P3結構而言，可將減震系統或離合器集成到電機轉子內，縮短橫向尺寸。格特拉克等企業也在試驗將電機集成于DCT中的結構方式，根本上解決前艙總布置的空間尺寸難題。

近幾年純電動汽車發展帶動電驅動技術的迅速提升，規模較大的主機廠均已掌握整車電控技術、已經有廠家通過ISO26262的嚴格認證。電機和控制器技術可比肩世界先進水平，配電箱和充電機等附件技術也取得較快發展。針對PHEV而言，發動機和自動變速器技術仍需加強，尤其是阿特金森循環發動機和帶電動油泵的自動變速器。

2.3.1專用發動機

與增程式混動動力相比，PHEV發動機工作比較頻繁，在能量維持CS階段的啟停、助力、行車發電和串聯模式中，都需要發動機參與驅動、使電池 SOC維持在恒定值（例如20%）附近。即使在能量消耗CD階段，在油門踏板開度較大的加速模式中，為了滿足車輛加速需求，仍需要發動機助力驅動，例如沃藍達在踏板開度較大時，即使電池SOC較高，發動機仍會立即參與驅動。

由此可見，發動機性能對插電式混合動力性能影響較大，尤其是發動機的熱效率直接影響著CS階段和綜合油耗。

表6為當前市場上幾款代表性PHEV的發動機，由表中可以看出，日美代表性車輛均裝配阿特金森循環特性的發動機、重視車輛油耗，歐洲沿用了傳統汽車渦輪增壓方式、突出動力性能。國內比亞迪秦和上汽榮威950與歐洲類似，采用增壓發動機。

表7為三款典型阿特金森循環發動機的特性，熱效率均大于38%、甚至達到40%，比油耗小于等于220g/kWh；而渦輪增壓發動機比油耗最小一般在240 g/kWh，從油耗角度性能不及阿特金森循環發動機。

表7 阿特金森發動機特性

田雅閣雙電機混動車輛，重量達1.723噸，SOC平衡階段、即不充電情況下油耗僅為5.1L/100km；1.435噸的第三代普銳斯，油耗僅為4.7L/100km，第四代系統油耗更低；卡羅拉和雷凌普通混動車輛油耗僅為4.2L/100km；取得如此低的油耗，熱效率高、比油耗低的阿特金森發動機是主要原因之一。

國內宣傳綜合油耗為1.6L/100km的PHEV，按照GB/T 19753折算后，CS階段油耗在6.1L/100km以上，與國外差距較大。

因此，國內PHEV也應嘗試采用阿特金森循環發動機，降低CS階段油耗，這樣即使不充電、也能達到節能降耗的目標。國內有些車企在2009年成功開發了阿特金森循環發動機，可見具備這方面研發能力，后續應加大該類型發動機的匹配和裝車力度。

2.3.2自動變速器

國內自動變速器技術發展嚴重滯后于整車技術的發展，即使是傳統車，除了奇瑞CVT和比亞迪DCT技術初具規模外，上汽DCT、青山DCT、北汽引進CVT、容大CVT、盛瑞8AT、吉利前期引進DSI的AT和華泰6AT技術取得了一定發展，但與國外先進自動變速技術相比差距很大，始終突破不了自動變速器特有的機電液綜合難點技術。

插電式混合動力由于具有純電動等運行模式，對變速箱提出特殊要求、應做專用化設計，主要如表8中以下四點所示。

表8 PHEV變速器的專用設計

國內外主流PHEV采用的變速器類型如下表所示，由此可知，各種變速器均有各自優點、都進入了PHEV應用范疇，主機廠應根據在動力系統方面的研發積累，選擇適用于自己PHEV的動力系統。

表9 PHEV變速器類型分析

自動變速器是PHEV中動力耦合和傳遞的重要一環，隨著對PHEV的重視的大量研發投入，PHEV反過來會促進自主自動變速技術的發展。

2.4控制策略創新性設計

控制策略對PHEV在CS階段的油耗影響較大，控制目標就是在滿足動力性需求前提下，使發動機工作于高效區、同時盡量減少能量轉換次數，綜合降低油耗。

匹配DCT、AMT和AT等有級式自動變速器的混動系統是國內PHEV的主流，針對此類控制系統，兩參數或三參數換擋規律，以及三線四區扭矩分配方法是當前主要采用的控制方法。相關控制方法的缺點是，兩參數或三參數換擋規律不適用于多動力源的PHEV系統；在扭矩分配方面，通過電機助力或行車發電作用，使發動機工作于最佳燃油經濟性曲線或高效區，盡管提高了發動機工作效率，但由于助力或發電時電能和機械能的連續轉換、導致電耗增加，車輛的綜合油耗沒有達到最優、考慮并不全面。

作者自2001年開始參與混合動力科研項目，根據研究積累，分享基于電耗補償的換擋規律和扭矩分配策略。

2.4.1控制方法優化

基于電耗補償的控制策略中，參考車速、需求扭矩和工作模式，確定出所有可能的擋位和扭矩分配組合，發動機比油耗修正后最低組合對應的擋位和扭矩，即為發動機和電機的控制指令。比油耗的修正是指根據電機功率大小，在發動機比油耗數值基礎上疊加一個懲罰因子，體現出對電動部件電耗的綜合考慮；同時該懲罰因子與發動機輸出功率相關，電機功率一定的情況下，發動機功率越小，懲罰因子越大，反之越小。圖3為換擋規律和扭矩分配控制流程框圖。

以7擋P2結構PHEV為例，對控制方法進行舉例說明。

圖4中曲線Ⅰ表示變速器處于1擋，發動機運行于最佳燃油經濟性曲線的轉速區間（800～6000 rpm）時，發動機傳遞至車輪處的扭矩隨車速的變化關系。同理，曲線Ⅱ～Ⅶ分別表示2～7擋，發動機傳遞至車輪的扭矩曲線。

假設車速為50km/h時，根據加速踏板和車速判斷，此時需求扭矩為2000Nm。由圖4可知， 2～6擋時、可使發動機轉速處于800～6000 rpm之間，2～6擋時對應發動機轉速為n2， n3， n4， n5和n6。n2～n6分別插值出在OEC曲線上對應扭矩，乘以各擋位速比、主減速器速比和傳動效率，即可得到Te2， Te3， Te4， Te5和Te6，如圖中A， B， C， D和E所示。如果此時是行車助力模式， 由于A點扭矩大于需求扭矩，此時電機輸出動力時、發動機工作點會遠離最佳經濟性曲線，整車經濟性反而不好，因此2擋時發動機單獨提供需求扭矩、為 Te2，M輸出扭矩為0； 3～6擋發動機最佳經濟點扭矩小于需求扭矩，假如此時電池放電功率和電機輸出扭矩均可補償發動機扭矩、使發動機分別工作B～E點，計算出電機輸出扭矩 Tm3， Tm4， Tm5和Tm6。根據扭矩和轉速，可得到發動機工作在B～E點時發動機輸出功率Pe3， Pe4， Pe5和Pe6，以及電機輸出功率Pm3， Pm4， Pm5和Pm6。（n2， Te2）， （n3， Te3）， （n4， Te4）， （n5， Te5）和（n6， Te6）在發動機萬有特性對應比油耗分別為g2， g3， g4， g5和g6，發動機萬有特性數據應該考慮曲軸加速度、插值出的比油耗與實車一致。（Pe3， Pm3）， （Pe4， Pm4）， （Pe5， Pm5）和（Pe6， Pm6）插值出比油耗修正值△g3， △g4， △g5和△g6。油耗修正主要是考慮電耗的影響，在某一擋位時盡管發動機比油耗最低，但此時如果電機輸出功率較大、導致電機和電池的損耗增加，從動力系統角度未必是最優經濟性選擇。由于2擋時電機輸出功率為0、綜合比油耗為g2，3～6擋時綜合比油耗分別為g3+△g3， g4+△g4， g5+△g5和g6+△g6，綜合油耗最低擋位為確定的目標擋位，對應的發動機和電機輸出扭矩是對應部件的目標扭矩。

如果此時是行車發電模式，2擋時發動機工作在A點對應扭矩、盈余動力由電機發電給蓄電池充電；3～6擋時發動機最佳扭矩小于需求扭矩，如果發動機單獨驅動滿足需求、純發動機工況經濟性較好；參考行車助力模式的判定步驟，即可確定出目標擋位和目標扭矩。

控制指令仲裁和輸出時應避免頻繁換擋，限定兩次相鄰換擋的最短時間（例如5s），輸出最終的擋位和扭矩指令。

其余工況與以上控制過程類同。

2.4.2 分析結果驗證

以兩種典型的客車SUV為例，對各種策略性能進行了分析計算，客車和SUV整備質量分別為12噸和1.9噸。

在扭矩分配方面，三線四區和五線六區法得到廣泛應用，三線四區是指發動機萬有特性圖形由外特性、最佳燃油經濟性和最小工作扭矩曲線分成四個工作區域；在最佳燃油經濟性曲線上下各添加一條曲線，兩條曲線之間為純發動機工作區域、稱之為五線六區；

各種策略性能對比如表10所示，前面兩種是工程實際中最常用的“兩參數+三線四區”和“兩參數+五線六區”；第三和第四為基于功耗補償的控制方法，第三種方法表示懲罰因子均為0，第四種方法中懲罰因子按照實際參數設定。

表10 整車燃油經濟性

第三和第四與第一和第二兩種方法相比，燃油經濟性均得到了較大提高，證明從多種擋位和扭矩分配組合中選擇較好組合的合理性。第四種方法優于第三種，證明利用懲罰因子修正發動機比油耗的必要性。總之，與常用的第一和第二兩種方法相比，基于電耗補償的第四種方法在SUV上分別提高 6.60%和4.60%，客車上分別提高9.72%和9.32%，證明了新型控制方法的優點。

3.總結

插電式混合動力汽車可平衡補貼退坡、零部件價格和里程需求增加之間的矛盾，符合國家電動化發展戰略需求，是對純電動平臺技術的有益補充。混動方案合理化設計、動力系統集成化設計、核心部件專用化設計和控制策略創新性設計是PHEV的關鍵核心技術，國內外在核心技術方面均處于發展探索階段，車企尤其自主品牌應加大核心技術研發投入，推動PHEV核心技術快速發展。