随着国家油耗和排放法规的日益严格，传统动力的乘用车在面对不断更新的油耗和排放法规时，越来越被动，EV方案虽然能够轻松面对，但在当前电池技术的大背景下，续航里程短、充电时间长等问题[1]依旧是瓶颈。混合动力汽车以其兼具发动机和电机的优势，能够取长补短，相辅相成，在面对新的油耗和排放法规时更从容；同时里程焦虑、充电时间成本高等问题也能迎刃而解。这里以某公司开发的P1P3混合动力总成搭载MPV，配2.09 kW· h动力电池的技术方案为例，浅谈基于这类方案的混合动力汽车的HCU控制策略设计。
1 P1P3混合动力总成系统结构和工作原理
P1P3混合动力总成结合了发动机和电机的优点，在低速工况使用电机驱动车辆，避免发动机工作在低效区；在SOC（state of charge电池电荷状态）下降到一定程度或激烈驾驶时，发动机启动，进入串联模式发电，补充SOC及释放动力储备满足驾驶需求；在高速巡航等工况，离合器结合，进入并联模式，发动机工作在燃油经济圈内，并直接参与动力输出，其结构如图1圈内所示。
图1 P1P3混合动力总成及样车搭载示意图
DCDC:直流-直流转换器 HCU: 混合动力控制单元 DMCU:双电机控制单元 EMS:发动机管理系统 CCU:离合器控制单元
BMS:电池管理系统
2 P1P3混合动力总成的工作模式和能量流动方向分析
2.1 EV模式和能量流动方向
EV模式：离合器脱开，车轮的动力均来自驱动电机，仅由动力电池提供能量，发动机及发电机停止，其能量流动方向如图2所示。
图2
2.2 串联模式和能量流动方向
串联模式：离合器脱开，车轮的动力均来自驱动电机，由发动机和动力电池提供能量；发电机将发动机的机械功率转换为电功率，发动机不直接参与动力输出。串联模式根据发电功率和整车需求功率的大小关系，可分为：电机驱动+电池充电（发电功率＞整车需求功率）、SOC保持平衡（发电功率＝整车需求功率）、发动机与电池共同驱动电机（发电功率＜整车需求功率）、能量回收4种情况，其能量流动方向如图3所示。
图3
2.3 并联模式和能量流动方向
并联模式：离合器结合，车轮的动力来自发动机与驱动电机，由发动机和动力电池提供能量；并联模式根据驾驶需求功率的大小，可分为：发动机直驱、发动机电机共同驱动、发动机驱动及效率优化充电、能量回收4种情况，其能量流动方向如图4所示。
图4
3 混合动力总成的主要参数及MPV的基本参数
3.1 P1P3混合动力总成的主要参数
P3电机的额定/峰值扭矩分别为140 N·m、320N·m，额定/峰值功率分别为60kW、130 kW，最高转速1200rpm
P1电机的额定/峰值扭矩分别为48N·m、130N·m，额定/峰值功率分别为40kW、75kW，最高转速1200rpm
耦合器的速比为：发动机-差速器3.106，P3电机-差速器10.459，发动机-P1电机0.344
3.2 MPV的基本参数及结构
这款经过混动化改制的MPV，整备质量为2310kg,轮胎半径0.342m,道路阻力系数为f0=201.5N,f1=0.555N/(km/h),f2=0.0531N/(km/h)2；MPV搭载的动力电池总电量为2.09 kW· h，额定电压为349.4V，SOC建议使用区间是30%～80%，峰值放电功率和峰值充电功率分别为72kW、64kw；MPV改制后的结构如图1所示。
4 混合动力MPV各模式的特点分析
4.1 EV模式
4.1.1 EV模式的续航里程计算
假设MPV在道路以60km/h的车速匀速行驶，根据公式（1）可计算出此时的阻力为426 N· m，车轮的阻力矩为145.7N·m
F= f0＋f1V＋f2V2（1）
在电池能量转换为车轮扭矩的过程中，取能量传递效率0.9,可计算出电池输出功率约为7.9kW，根据公式（2）可计算出EV模式的续航里程为15.9km[2]
S=W×V÷P（2）
公式(2)中：W（kW·h）——动力电池总电量；
V（km/h）——车辆行驶速度；
S（km）——车辆以车速V匀速行驶时的续航里程；
P（kW）——车辆以车速V匀速行驶时的需求功率；
参考SOC建议使用区间为30%～80%，在保证动力电池健康的循环使用并满足实际道路驾驶的前提下，MPV的续航里程小于10km。
4.1.2 EV模式的特点分析
这种搭配2.09 kW• h电池的方案，HCU的控制策略设计时需要注意：
(1)整车需求功率小的工况下可短时间工作在EV模式，同时需要注意SOC的变化；
(2)遇到急加速、爬坡等驾驶需求功率大的工况时，应退出EV模式，进入其它模式。
4.2 串联模式
4.2.1 串联模式的经济区的确定
串联模式是将发动机的机械功率转换为直流功率，转化过程为：发动机机械功率→发电机交流功率→电机控制器整流后的直流功率；所以，串联模式发电效率=发动机效率×电机发电效率×电机控制器效率，每升油的发电量（kW·h/L）是衡量串联模式发电效率的重要指标，而准确的找出串联模式的发电经济区，是确保混合动力汽车省油的基础。
参考家用车的发动机转速使用区间，并结合MPV实际使用情况，取1200～4000rpm对P1P3混合动力总成测试发电效率，可得到图5：
图5
从测试结果可看出：每个发电功率点都有最佳的发电转速区间，图中45kW的最高发电效率所在的转速区间为3150～3450rpm,其效率为3.1kW·h/L。
4.2.2 串联模式的特点分析
（1）将不同发电功率点对应的最佳发电转速取平均值并连接，可获得一条曲线，即：串联模式发电功率和转速的经济曲线，简称：经济曲线。
（2）为保证混合动力MPV的燃油经济性，混合动力总成应尽量运行在经济曲线附近。
（3）经济曲线的功率和转速近似成正比，这意味着在保证燃油经济性的前提下，如果驾驶需求功率很大，电池最大放电功率与当前发电功率相加都无法满足时，需要提升发电功率，转速也会随之提升，这势必会带来NVH问题。
（4）电池的充电过程会有能量损失，发电功率=驾驶需求功率，即功率跟随是最高效的方案，但驾驶需求功率的频繁变化会导致转速跌宕起伏，NVH和驾驶感官的问题也随之而来。
4.3 并联模式
4.3.1 并联模式的扭矩分配
混合动力总成工作在并联模式时，离合器结合，发动机和电机共同驱动车辆前进，故在并联模式下，发动机应工作在经济圈内，才能省油。发动机万有特性如图6所示，并联模式下，发动机工作在217g/ kW· h的经济圈内最省油，但该经济圈的转速对应的车速范围较小，根据实际使用需求，放宽至220g/ kW· h经济圈，特殊情况可放宽至225g/ kW· h经济圈，下面以220 g/ kW· h经济圈为例分析并联模式的扭矩分配。
图6
（1）当HCU根据油门等信号计算出车轮端的需求扭矩为280N·m时，根据耦合器速比计算，若完全由发动机提供，发动机需要输出90 N·m ，而90 N·m并不在220 g/ kW· h经济圈内；为保证燃油经济性，HCU请求发动机输出120N·m，多余的30 N·m由发电机消耗并发电，储存至电池。
（2）同理，当HCU计算出车轮端的需求扭矩为465N·m时，若完全由发动机提供，发动机需要输出150 N· m，而150 N· m并不在220 g/ kW· h经济圈内；为保证燃油经济性，HCU请求发动机输出120N·m，缺少的30N·m由速比换算至驱动电机等效补偿。
（3）通过电机等效扭矩补偿或消耗的方式，始终让发动机工作在经济圈内是并联模式扭矩分配的核心理念。
4.3.2并联模式的特点分析
（1）并联模式扭矩分配的核心理念是为了保证燃油经济性，该理念可用于大部分工况；受限于发动机经济圈的大小，部分工况不适用。
（2） 车辆长期处于驾驶需求功率小的工况时，发电机长时间介入会让SOC逐渐趋于饱和，此时如继续工作在并联模式，将无法保证燃油经济性。
（3）车辆长期处于驾驶需求功率大的工况时，驱动电机长时间介入会让SOC快速下降，电机输出功率也会受SOC限制，并联模式的动力性受到影响。
（4）并联模式不适合驾驶需求功率非常大的工况；如爬坡或较低车速急加速时，发动机的转速受限于当前车速，能够输出的功率有限，相比之下串联模式更有优势。
5 目标混合动力MPV各模式的控制策略
5.1 EV模式的控制策略
（1）系统上电成功，且车辆无故障，串联条件不满足时进入EV模式。
（2）SOC低于一定阈值且并联模式条件不满足时，退出EV模式，进入串联模式。
（3）油门开度较大并维持一段时间或者油门变化率高于一定阈值时，代表驾驶员希望尽快加速，此时应退出EV模式，进入串联模式。
（4）车速高于一定阈值时，为避免SOC快速下降，需退出EV模式，进入其它模式。
5.2 串联模式的控制策略
（1）SOC低于一定阈值或车速高于一定阈值时进入串联模式。
（2）驾驶需求功率大于电池允许放电功率时，进入串联模式；串联模式的最大发电功率不仅受整车需求功率＋动力电池最大充电功率限制，还受到其他零部件限制。
（3）串联模式为定转速，恒功率发电，并工作在经济曲线附近。
（4）发电转速受车速限制，避免低车速时出现高转速高功率发电的情况，导致驾驶体验差。
（5）HCU能够通过油门开度及变化率、刹车等信号来识别爬坡等特殊工况；在这类驾驶需求功率大的特殊工况下，要适当舍弃经济性来保证动力性。
（6）HCU计算与目标SOC偏差得出基础发电功率的同时，还需要计算驱动电机、DCDC等高压零部件的实时需求功率，经过滤波等处理后作为前馈发电功率，这对SOC平衡有很大帮助。
（7）MPV搭载的电池总电量较小，适合用平均功率跟随的策略；HCU要充分利用电池的“蓄水池”作用，在一段时间内：发电量≈耗电量，缓解工况快速切换带来的问题，并维持SOC平衡。
5.3 并联模式的控制策略
（1）进入并联模式的车速应高于一定阈值，避免发动机工作在800rpm以下，且档位为前进档。
（2）在并联模式下，HCU应根据车速、油门开度等信号计算在满足驾驶需求的前提下，能否让发动机工作在经济圈内，如不能工作在经济圈内，应退出并联模式。
（3）并联模式的经济圈的界定可以适当放宽，避免串联、并联模式频繁切换带来的顿挫感。
（4）在SOC及其它限制允许的情况下，通过等效扭矩补偿或消耗的方式，始终让发动机工作在经济圈内，并充分利用这部分扭矩、转速转化为其它的能量。
（5）SOC低于一定阈值或者高于一定阈值需退出并联模式。
（6）遇到爬坡、急加速等这类驾驶需求功率大的工况，应退出并联模式，避免发动机转速受限于当前车速无法释放动力满足驾驶需求。
6 结束语
MPV搭载P1P3串并联混合总成，匹配2.09 kW· h电池的技术方案在HCU的控制策略设计过程中，需要充分考虑各零部件的特性，做到“扬长避短”。控制策略的优化需要在实车上不断测试：发现问题、分析定位、提出方案、优化策略、验证效果。一套好的控制策略需要在现有的零部件基础上，最大程度的发挥其潜能，同时兼顾驾驶性、经济性、动力性等指标。
参考文献：
[1]寇运国.技术轨道视角下我国新能源汽车的技术经济评价与预测[D].杭州.杭州电子科技大学，2013：15-19（硕士文论）
[2]李鑫.基于电池放电效率的纯电动汽车续航能力的研究[D].重庆.重庆理工大学,2015:17-19.(硕士论文)
作者简介：庞业升（1994—），男，广西浦北，助理工程师，工学学士，研究方向：混合动力汽车控制与标定
