插电式混合动力汽车、纯电动汽车和燃料电池汽车是未来20至30年我国新能源汽车的关键零部件，其技术发展水平对行业节能减排具有重要影响。 近年来，无论是丰田、本田、日产、大众等合资车企，还是比亚迪、吉利、长安、理想智造等自主车企，都加大了研发投入和业务布局。插电式混合动力技术。
2019年12月3日工信部印发的《新能源汽车产业发展规划(2021-2035年)》明确提出深化“三纵三横”研发布局，推动我国汽车技术进步新能源汽车产业。 以纯电动汽车（BEV）、插电式混合动力（含增程式）汽车（PHEV）和燃料电池汽车（FCV）为“三纵”，动力电池及管理系统、驱动电机及电力电子、车联网而智能技术则是“三横”。
本文根据最新汽车产业政策、“新四化”技术发展、混合动力技术现状分析及存在问题，提出技术发展对策。
PHEV主要解决问题
一、节能减排的重要技术手段
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%，核电和可再生能源仅占13.3%。 2010年至2019年，我国原油进口依存度持续上升。 2019年，中国石油对外依存度已达72%，远超国际安全警戒线（原油进口占比不超过50%）。 节能减排刻不容缓。 在城市中使用PHEV车型可以完全等同于纯电动汽车，并且可以实现长里程跨城市行驶，并且能源消耗可以控制，可以大大降低油耗。
2、解决纯电动汽车的里程焦虑
根据日本丰田的统计，纯电动模式在日均行驶里程低于30公里的车主中占有非常大的比例，而日均行驶里程达到70公里的纯电动模式也有相当大的比例。 这一结论与美国国家个人交通测量数据一致。 （ ）特征描述也类似，单次出行里程小于（64km）的人群中有63%受益于纯电动驾驶带来的节油效果。 在中国混合动力汽车，根据滴滴发布的出行报告，北京是中国单程通勤距离最长的城市，居民平均通勤距离为17.4公里。 东莞和深圳紧随其后，平均通勤距离分别为17.3公里和16.8公里。 国产PHEV车型纯电动续航里程超过50km，可以满足基本的通勤需求。 同时，以丰田为例，这款插电式混合动力车型的续航里程满分，其综合里程可达，完全可以满足日常需求。 纯电动驱动以及汽油和电力的长距离混合动力驱动的要求。
3、兼顾BEV和HEV车型的优势
PHEV可以像BEV一样依靠纯电力运行，也可以像HEV（混合动力汽车）一样，电力仅间接来自燃料，不消耗动力电池中的电力，也可以同时消耗燃料和动力电池电力。 对于消费者来说，意味着更低的整体能耗、更接近电动汽车的驾驶特性以及更快的充电特性。 对于整车厂而言，PHEV与BEV车型形成有效互补，有助于拓宽新能源的目标消费群体。 对于新能源汽车供应链而言，PHEV市场的发展也加速了对电机和电池的需求，这将有助于领先的新能源供应商不断成长，形成行业的良性循环。
动力总成架构分析
当前全球PHEV配置呈现百花齐放的格局。 其中，单电机并联、动力分流、双电机串/并联三种配置是主流技术方向，如图1和表1所示。
图1 PHEV车型动力总成结构
PHEV混合动力技术具体分为四种类型，它们的优缺点及技术发展如下：
（1）功率分流深度油电混合技术，以丰田、通用汽车为代表，采用行星排结构实现动力耦合双电机功率分流技术，目前分为单行星排和双行星排技术。 利用行星排的特性，可以将发动机工况调整到热效率最高的狭窄区域，因此可以采用混合动力专用的阿特金森循环发动机。 无论是单行星排还是双行星排技术，由于行星排的输入扭矩转速和输出扭矩转速固有的平衡特性，电机与发动机的扭矩和转速的匹配必须符合有了这个规律，与其他配置不同的是，电机的选择是灵活的。 丰田最新的THS-IV将行星齿轮减速结构替换为平行轴减速机构。 驱动电机采用更高转速的电机。 单行星排技术简单、成本低、性能稳定，更适合当前市场需求。
（2）单电机双离合技术以“单电机双离合”配置为核心技术，以欧洲主机厂的P2混合动力配置为代表，并细分为P2.5配置，以降低技术难度。 P2结构的电机位于发动机后面、变速箱前面，因此变速箱的所有档位都可以被电机使用。 电机本身不需要太大的扭矩和高转速，可以节省成本并减小电机的体积。 插电式混合动力动力形式节油效率高。 P2的结构高度集成。 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。 国内整车厂没有成熟的技术。 目前P2的配置大部分都是一些大品牌。 小规模的国内自主品牌无法使用高集成度的P2模块混合动力汽车，在成本和周期上受制于供应商。 此外，将P2模块集成到自主品牌紧凑型轿车的横置发动机中也存在一定难度。
(3)串并联混合技术该技术中两个电机的功率选择灵活，传动效率很高。 可以使用大型电机来驱动车辆。 最大的优点是可以使用高效率的图金森发动机作为发电机，纯电驱动和动能回收的效率都比较高。 发动机还可直接高速驱动，与驱动电机组形成动力互补模式。 缺点是驱动电机工作区域无法优化，发动机与电机模式切换冲击大，驱动电机技术要求高，串并联箱通常需要较强的技术能力研发及配套集成能力。
（4）后驱动桥P4+混合动力技术，可在P4技术的基础上扩展到P0+P4、P1+P4、P2+P4、P3+P4等四轮驱动配置。 电机和发动机不在同一传动轴上，车辆可以实现四轮驱动，还可以在两轮驱动和四轮驱动之间灵活切换。 可采用模块化P4模组，方便生产动力性能优异的车型。 由于后驱动桥是单独增加的，成本较高是这种配置的主要缺点。 后驱电机的最高转速决定了车辆的最高车速，从而对后驱电机的高速性能或后驱变速器的性能提出了更高的要求。
动力总成关键零部件技术升级路径分析
1.混合动力专用发动机
提高发动机热效率是混合动力汽车不懈的追求。 合资企业以丰田为例。 经过四代技术迭代（见图2），凯美瑞所采用的发动机热效率已达到41%。 以奇瑞、长安为代表的自主品牌不断探索提高发动机热效率的技术方案，目前热效率已达到40%。
图2 丰田热效率优化流程
国外混合动力特种发动机广泛向以下高效清洁燃烧技术和能源管理技术发展：智能电控、缸内直喷、组合喷射、多孔喷射、高压喷射、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、先进的气流组织、高效智能热管理、高效燃烧控制、轻量化、小型化、低摩擦、新材料和新技术、可变排量油泵、电控可变油压调节、电动水泵、电动助力器、电动空气压缩、进气歧管集成中冷、集成排气歧管、高压EGR、低压EGR、组合EGR、怠速启动-stop、高级后处理和集成电机能量回收等。这些技术用于提高发动机热效率并实现系统化布局以节省成本。
自主品牌长安混合动力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，热效率达到40%。 奇瑞最新iHEC燃烧系统（高强度滚动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和智能高效清洁燃烧技术）、快速加热热管理系统、快速响应增压技术、减少摩擦（比第二代减少20%）和轻量化技术（比第一代减少50%）等。
由于相对长期工作在高效率区，混合动力汽车的实际热效率较传统汽车有明显优势。 目前，高效发动机大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，预计混合动力发动机的热效率将提高到45%至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、混合动力传动
混合动力变速器是将发动机的动力与驱动电机的动力以一定方式耦合起来，能够实现变速、变矩的传动系统。 它可分为专用混合动力变速器（DHT）和基于传统变速器集成混合动力单元（驱动电机和相应控制系统）的改进型混合动力变速器（Add-on）。 混合动力变速器各有特点，详见表2。
根据P0、P1、P2、P3、P4的不同，混合动力变速器在结构特点、实施难度和节油水平上有很大差异。 当然，它需要与发动机、车辆、电动机、电池等进行良好的匹配和调整。 以获得良好的性能。
混合动力变速器的具体技术发展如下：
（一）突出供应链个性化。 汽车整车厂根据自身混合动力技术规划和供应商资源，选择适合的混合动力传动技术路线，并据此进行迭代优化。 例如，丰田THS已开发四代，本田i-MMD已开发三代，比亚迪DM已开发三代，上汽EUD已开发两代。
(2)一体化程度越来越高。 混合动力变速器的发展方向是小型化、高扭矩、高输出功率。 丰田新一代E-CVT耦合箱动能回收系统体积较上一代车型减少约1/3，长度减少47mm，整体结构更加紧凑。 本田的PCU（动力控制单元）比上一代缩小了32%，PCU动力控制单元的体积也减少了23%，质量减少了28%，可以直接安装在变速箱中。 IPU智能动力单元也比上一代缩小11%。 %，质量减少了6%，整个系统的体积和重量较上一代系统有了很大的改善。
(3)电驱动系统的性能改进丰田改进了THS电机的磁路，调整了永磁体的位置，增加了磁阻扭矩。 同时，转子磁感线的分布更接近正弦波，有效降低高次谐波引起的铁损。 这些改进最直接的影响是电机整体损耗降低了20%，永磁体用量减少了15%。 本田PHEV车型将原电机的圆铜线改为方铜线，优化了铜线的缠绕密度。 新电机体积和质量减少23%，功率增加11kW，扭矩增加8N·m。
3、动力电池
PHEV动力电池主要是兼具动力和能源的磷酸铁锂电池和三元锂电池。 动力电池的选型与整车的参数匹配、结构布置匹配密切相关。 在提高能量的同时，兼顾了动力电池的安全性。 密度是动力电池的大方向。
其技术特点开发如下：
（1）电池容量逐年增加以大众PHEV车型为例，大众高尔夫GTE、帕萨特、奥迪A3等原插电式混合动力车型均采用9.9kWh电池。 该公司2019款宝马X1混合动力汽车的电池容量较2017款车型增加了63%，分别见表3和表4。
（2）深挖电池热管理动力电池系统有严格的温度要求。 有效的热失控保护和热管理是保证车辆安全、续驶里程和电池寿命的关键，也是PHEV车型所追求的目标。 电池热管理的发展方向是传热介质选择与路径优化、电池低温加热技术、产热、传热与散热研究、热设计、热失控等。新一代丰田普锐斯监控电池温度并优化散热，降低油耗1%至4%，减少排放60%。
能源管理策略分析
PHEV能量管理系统根据动力总成架构、动力电池荷电状态（SOC）、驾驶员扭矩需求、发动机性能、车速和环境等因素控制发动机和电动机的协调运行，并实现所需的两个电源之间的功率分布。 能量管理策略是连接燃油动力系统和电驱动系统实现良好结合的纽带。 为了最大限度地提高效率并减少污染排放，需要有效的能源管理策略来实现发动机所需功率和电动机扭矩之间的平衡。
能源管理策略可分为三类：基于规则的控制策略、基于优化的控制策略和智能交通控制策略，如图3所示。
图3 PHEV车型能源管理策略分类图
混合控制策略的技术方向如下：
1. 能源管理的混合控制策略
每种控制算法都有优点和局限性，将两种特性互补的算法组合成新的优化算法是一种更有效的方法。 例如，将规则控制策略与瞬时最优控制或等效油耗最小策略相结合形成混合控制策略，在控制性能和实用性方面优于单独使用一种策略。
现阶段混合动力汽车基本采用基于规则的能源管理策略。 此时，仅依靠工程技术人员的经验或仿真软件的DOE功能，很难高效地获得理论能耗最低的基于规则的控制策略。
天津中汽研究院汽车工程研究所基于全局优化理论，开发了能量管理控制策略优化算法，能够在理论能耗最低的情况下获得多个动力源之间的扭矩协调分配，满足整车的需求。 同时生成相应的车辆标定MAP及其关键参数，最终实现接近理论最小能耗的常规能量管理策略。
上述基于最优算法标定规则的能量管理策略方案已成功应用于混合动力汽车。 仅对原车发动机和电动机的工况以及运行后的扭矩输出值（MAP）进行了重新标定，使SOC平衡条件下，该车型的WLTC循环油耗降低近5% 。
2. 驾驶工况识别与能量管理策略
识别和预测驾驶条件是提高插电式混合动力汽车能源管理性能的有效方法。 研究表明，只有掌握未来路线的详细信息，EMS 才能真正优化。 各种数学预测方法逐渐应用于行驶速度预测，同时先进传感器、GPS、遥感技术和车联网技术的发展为获取车辆行驶路径状况信息提供了帮助。
梅赛德斯-奔驰最新的A级插电式混合动力总成采用P2并联架构设计。 混合动力系统在智能动力总成管理中采用了系统路径优化策略。 在混合动力驱动模式下，电力驱动操作、电池充电、换档和动力总成的热管理都根据速度曲线和路线拓扑进行优化。 该解决方案在具有ECO （Eco-）功能的车辆上实现，根据即将行驶的路线、下坡、路口以及路段之间的限速建议松开油门，从而帮助用户养成经济的驾驶方式，提高效率能量回收也增加。 例如，使用导航数据可以让 ECO 在驾驶员意识到即将发生制动事件之前建议驾驶员减速并进入 ECO 状态。
3. 基于驾驶方式多目标协调优化的能量管理策略
现有的管理策略基本上只考虑燃油经济性，综合考虑动力性能、排放性能、路况和驾驶风格，处于起步阶段。 结合节能、环保和驾驶方式多目标协调和优化的能源管理策略将是下一阶段研究的目标。 天津汽车研究院汽车工程研究院完成了驾驶员风格和路况识别、车辆实际载荷识别，以及基于“人-车-路”的多目标能量流管理策略构建，细分为45个模型进行研究，根据驾驶场景和多个目标（动力性能、经济性、驾驶性能和热管理等）来优化能耗。
4、新技术的应用
算法的实时性能是实时优化性能的重要挑战。 能量管理策略的计算复杂度与实时优化性能之间存在矛盾关系。 对大量交通数据的工况识别和预测会增加ECU的计算负荷。 高效实用的驾驶工况识别和预测算法是混合动力汽车能量管理的关键。 该战略的关键技术之一。 层次控制为解决这一矛盾提供了新的思路。 同时，云计算技术为能源管理系统的性能优化提供支持。 随着5G网络连接的商用实现和车辆自动化技术的快速发展，云技术分层计算具有研究和应用前景。
