插电式混合动力汽车PHEV紧急充电模式下的电池电量控制策略优化

徐玄之　魏黎　戴紫璐　彭超　徐梓峰　李克诚

摘 要：汽车产业一直以来都是国民经济的支柱产业，根据汽车的驱动动力源，汽车主要分为传统燃油汽车（动力源为汽油或柴油）和新能源汽车（电能或其他节能资源必须作为动力源之一）。而插电式混合动力汽车（PHEV）属于新能源汽车。对于不同的PHEV电驱动架构和整车零部件参数，需要不同的能量管理策略。本文主要介绍了P0+P3 CVT PHEV混合动力架构的紧急充电模式下电池电量的控制策略，通过开发一种新的软件控制策略，并结合试验结果，证明了即使P0电机功率较小时，也可以使车辆在极高环境温度、较低SOC下维持怠速和蠕行的电平衡，保证电池包的使用寿命，同时不限制电子压缩机功率，使驾驶室快速冷却。

关键词：插电式混合动力汽车;电池电量;混合动力架构;能量管理

中图分类号：U469.7文献标识码：A文章编号：1003-5168（2021）15-0111-03

Abstract： The automobile industry has always been a pillar industry of the national economy. According to the driving power source of automobiles， automobiles are mainly divided into traditional fuel vehicles （the power source is gasoline or diesel） and new energy vehicles （electric energy or other energy-saving resources must be used as one of the power sources）. The plug-in hybrid vehicle （PHEV） is a new energy vehicle. Different energy management strategies are required for different PHEV electric drive architectures and vehicle parts parameters. This paper mainly introduced the control strategy of battery power under the emergency charging mode of P0 + P3 CVT PHEV hybrid architecture. Through the development of a new software control strategy and combined with the test results， it was proved that even if the power of P0 motor was small， the vehicle could maintain the electric balance of idling and creeping under extremely high ambient temperature and low SOC， so as to ensure the service life of the battery pack. At the same time， the power of the electronic compressor is not limited， so that the cab can be cooled quickly.

Keywords： plug-in hybrid electric vehicle;state of charge;hybrid configuration;energy management

乘用車双积分考核政策包括企业平均燃油消耗量（Corporate Average Fuel Consumption，CAFC）积分和新能源汽车（New Energy Vehicle，NEV）积分[1]。到2025年，乘用车新车平均燃料消耗量达到4.0 L/100 km是国际趋势[2]，也是我国《中国制造2025》及《汽车产业中长期发展战略》中对节能与新能源汽车提出的要求。为了实现到2025年乘用车新车平均燃料消耗量达到4.0 L/100 km的目标，一方面需要持续降低传统汽车燃料消耗量，特别是推动48 V系统、混合动力系统等技术的广泛使用，另一方面需要相当数量的新能源汽车。

新能源汽车包括插电式混合动力汽车（Plug-in Hybrid Electric Vehicle，PHEV）、纯电动汽车（Battery Electric Vehicle，BEV）、燃料电池汽车（Fuel Cell Vehicles，FCV）[3]。基于各车企自身的技术沉淀，结合其国内的法规政策，当前欧系车和美系车的新能源技术路径趋势主要是PHEV和BEV;日系车在国内的新能源技术路径趋势主要是PHEV，日本境内主要发展混合动力汽车（HEV），暂时没有新能源车型，在我国增加PHEV车型的主要是为了满足中国的双积分政策;国内的新能源技术路径趋势主要是PHEV和BEV，国内PHEV的混合动力架构相比欧洲、美系和日系车呈现出多样性。在PHEV车型中，发动机（汽柴油作为动力源）和电机（电能作为动力源）配合工作，共同驱动车辆，P0+P3 CVT混合动力架构属于PHEV变速箱的技术路径之一，而混合动力控制模块（Hybrid Control Unit，HCU）作为PHEV车型的核心算法模块，其中能量管理策略需要合理分配发动机和电机的功率扭矩，控制高压附件的功率（例如，空调压缩机），使电池电量（State of Charge，SOC）在合理范围内，保证电池包的寿命，并平衡车辆的动力性、经济性、舒适性。

1 P0+P3 PHEV混合动力架构介绍

混合动力总成按照动力传输路线和变速箱类型进行分类，可分为串联式混合动力架构、并联式混合动力架构、DHT（混合动力专用变速箱）架构，本文分析的对象是一种并联式混合动力架构。

并联式混合动力架构通常也被称为Add on结构，发动机和驱动电机可以分别独立驱动车辆，也可用发动机驱动车辆，同时通过驱动电机发电，但必须依托传统变速箱才能实现混合驱动。根据电机在整车上不同的布置（见图1），并联式混合动力架构分为P0、P1、P2、P3、P4结构。本文分析的混合动力变速箱结构为P0+P3结构，依靠传统CVT变速器实现发动机和电機的机电耦合。典型车型：大众P2;吉利P2.5;比亚迪P0+P3。

2 P0+P3低电量能量管理功能

2.1 背景技术介绍

对于P0+P3 PHEV混合动力架构，受制于发动机机舱的布置空间，P0电机功率往往比较小，当车辆处于极热环境且电池电量非常低时，车辆如果处于怠速或蠕行工况，P3电机无法给电池充电，P0电机既需要维持电池电量，同时需要使电子压缩机快速制冷。但是，因为P0电机的功率过小，只能优先维持电平衡，电子压缩机功率受限，驾驶室无法快速制冷。因此，需要对低电量的能量管理策略进行优化，在P0电机功率无法进一步提升的条件下，使车辆在极高环境温度且电池电量较低的情况下，既可以满足怠速或蠕行的电平衡，又不限制电子压缩机功率，使驾驶室快速冷却，并且不影响电池包的使用寿命。

2.2 工作原理介绍

最初的怠速或蠕行电平衡状态及工作原理：如图2所示左侧的当前策略，当电池电量低于16%时，HCU控制车辆进入GMC1 mode即紧急充电模式1状态。怠速或蠕行工况下，P0电机强制最大功率发电，平衡DC-DC（直流-直流）低压电耗、电子压缩机的高压电耗和P3电机蠕行电耗，避免电池包电量进一步下降。

P0电机首先要保证DC-DC的低压电耗，在GMC1 mode，根据公式P_AC（AC可用功率）=P0（P0电机最大发电功率）-P_DCDC（DCDC实际消耗功率），怠速或蠕行工况的空调压缩机（Airconditioning Compressor，AC）的电功率会被限制;在GMC2 mode，根据公式P_AC（AC可用功率）=P0（P0电机最大发电功率）-P_DCDC（DCDC实际消耗功率）-800 W，空调压缩机的电功率进一步被限制，其中800 W为P3电机蠕行需要的功率。由于空调压缩机电功率被限制，当车辆需要打开空调快速冷却驾驶室温度时，空调压缩机的功率无法满足要求。图3显示，在低电池电量（SOC）（SOC<16.1%）且环境温度在43 ℃浸车工况下，怠速开空调，出风口温度长期维持在30 ℃以上无法降到20 ℃左右，无法满足驾驶员的冷却要求;图4显示在高SOC工况下，空调压缩机的功率不被限制，出风口温度快速下降到20 ℃以下，满足驾驶员的冷却要求。

优化后的怠速或蠕行电平衡状态机工作原理：图2右侧为优化后的怠速或蠕行电平衡策略，当打开空调且SOC下降到20%时，整车管理模块（VMS）转发一个激活标志位信号给HCU，HCU接受到此信号后切换成一组特殊GMC mode;SOC在20%～16%时，怠速或蠕行工况P0电机最大功率发电，同时不限制空调压缩机的功率，P3电机功率限制在10 kW，有4%的SOC区间使驾驶舱快速冷却，避免因AC功率受限无法快速冷却驾驶室。

2.3 试验结果对比

通过对比图3和图4可以看出，空调压缩机限功率的情况下，空调出风口温度200 s以内只能降到35 ℃;空调压缩机不限功率（3.5 kW）的情况下，空调出风口温度200 s以内可以降到20 ℃，耗电0.19 kW·h。

更改怠速或蠕行电平衡策略后，SOC在16%～20%，不限制空调压缩机功率（3.5 kW），4%的SOC允许空调压缩机耗电0.55 kW·h，可以很大程度地延缓顾客抱怨。图5为怠速车内温度稳定工况空调性能。从图5可知，车内温度稳定后空调压缩机功率需要2 kW（电池包冷却+乘客舱冷却）。当SOC低于16%，低SOC怠速工况允许空调压缩机最大功率为1.8 kW，基本可以维持车内温度。当SOC低于13.3%时，禁止蠕行及空调制冷，保证电池包的使用寿命。

该电平衡策略更改结果与理论分析吻合，可极大程度地降低顾客对低SOC怠速和蠕行的空调制冷的抱怨。

表1对比了传统车辆和竞品车辆（ERX5）的空调压缩机功率，在电池包冷却开启的条件下，为了让驾驶室快速冷却，一般需要3 kW左右的空调压缩机功率。

3 结论

PHEV混合动力架构种类多样，每种混合动力架构都有其优缺点，因此，针对不同的混合动力架构的缺点，需要提出有针对性的混合动力控制策略，不能因为混合动力架构的固有缺陷而轻易否定一种混合动力架构。针对P0+P3 PHEV混合动力架构，当P0电机的功率较小且无法进一步提升功率时，通过优化低SOC的电平衡策略，增加一组特殊紧急充电模式，使P0电机提前介入强制发电，预留4%的SOC区间（16%～20%），可以通过不限制压缩机功率，使乘客舱提前制冷至稳定温度工况，极大程度地降低驾驶员对低SOC的空调制冷抱怨。

参考文献：

[1]工业和信息化部.乘用车企业平均燃料消耗量与新能源汽车积分并行管理办法[J].中国对外经济贸易文告，2020（51）：9-11.

[2]国家市场监督管理总局，国家标准化管理委员会.乘用车燃料消耗量评价方法及指标：GB 27999—2019[S].北京：中国标准出版社，2020.

[3]国家市场监督管理总局，国家标准化管理委员会.插电式混合动力电动乘用车 技术条件：GB/T 32694—2021[S/OL].[2010-03-09]. https：//www.doc88.com/p-07147122840133.html.