混合動(dòng)力汽車操作模式分析及設(shè)計(jì)展望

張?zhí)鞆?qiáng) 伍慶龍

（中國第一汽車股份有限公司 新能源開發(fā)院，長(zhǎng)春 130013）

主題詞：混合動(dòng)力汽車 操作模式 功能策略 智能控制

1 引言

隨著國家新能源汽車戰(zhàn)略地位的不斷提升，混合動(dòng)力汽車的研發(fā)受到了越來越多汽車產(chǎn)商的關(guān)注與推動(dòng)。混合動(dòng)力汽車是至少從兩類車載存儲(chǔ)的能量中獲得動(dòng)力的汽車，包括可消耗的燃料或者可充電電能存儲(chǔ)裝置。對(duì)于傳統(tǒng)汽車的動(dòng)力系統(tǒng)，因其主要的動(dòng)力來源為發(fā)動(dòng)機(jī)，故其操作模式比較簡(jiǎn)單。而新能源混合動(dòng)力汽車，由于其增加了電機(jī)動(dòng)力源，所以可設(shè)計(jì)出不同的動(dòng)力系統(tǒng)操作模式[1]，使車輛在降低油耗的同時(shí)，進(jìn)一步提升用戶駕駛樂趣[2]，另外這些操作模式可以作為用戶購置車輛的魅點(diǎn)宣傳。本文主要從混合動(dòng)力汽車的操作模式進(jìn)行分析，并對(duì)后續(xù)的設(shè)計(jì)展望進(jìn)行論述。

2 新能源車型操作模式分類

本文主要列舉奧迪和奔馳品牌的新能源混合動(dòng)力車型進(jìn)行對(duì)比分析，這些新能源動(dòng)力系統(tǒng)構(gòu)型都是P2構(gòu)型。奧迪品牌列舉e-tron系列車型，比如A3和Q7的新能源混動(dòng)車型，操作模式有Hybrid Auto、EV、Hold、Charge，如圖1儀表界面所示；奔馳品牌列舉C350和S500的混合動(dòng)力車型，操作模式有Hybrid、EMode、E-Save、Charge，如圖2儀表界面所示。經(jīng)對(duì)標(biāo)分析，這4種模式分別對(duì)應(yīng)的基本功能是一樣的，只是命名方式有所不同。比如針對(duì)電量保持模式，奧迪命名為Hold模式，奔馳命名為E-Save模式，但這兩個(gè)模式表現(xiàn)出來的整車駕駛感覺及功能策略基本類似。本文主要基于這4種操作模式進(jìn)行詳細(xì)對(duì)比分析，包括混動(dòng)模式、純電動(dòng)模式、電量保持模式、電量強(qiáng)充模式。

2.1 奧迪A3 e-tron車型動(dòng)力參數(shù)

奧迪A3 e-tron車型搭載了1.4T發(fā)動(dòng)機(jī)，6擋變速箱，75 kW電機(jī)，8.8 kWh電池以及對(duì)應(yīng)的控制單元。其6擋變速箱有運(yùn)動(dòng)模式和手動(dòng)換擋功能，在方向盤后面有換擋撥片，同時(shí)還可以進(jìn)行能量回收強(qiáng)度的調(diào)節(jié)。A3 e-tron整車的動(dòng)力參數(shù)如下表1所示。

圖1 奧迪e-tron操作模式選擇界面

圖2 奔馳S500操作模式選擇界面

表1 Audi A3 e-tron車型動(dòng)力參數(shù)

2.2 奧迪Q7 e-tron車型動(dòng)力參數(shù)

奧迪Q7 e-tron車型搭載了2.0T發(fā)動(dòng)機(jī)，8擋變速箱，94 kW電機(jī)，17.3 kWh電池以及對(duì)應(yīng)的控制單元，Q7 e-tron整車的動(dòng)力參數(shù)如下表2所示。

表2 Audi Q7 e-tron車型動(dòng)力參數(shù)

2.3 奔馳C350混動(dòng)車型動(dòng)力參數(shù)

奔馳C350混動(dòng)版車型搭載了2.0T發(fā)動(dòng)機(jī)，7擋變速箱，60 kW電機(jī)，6.2 kWh電池以及對(duì)應(yīng)的控制單元，奔馳C350混動(dòng)版整車的動(dòng)力參數(shù)如下表3所示。

表3 奔馳C350混動(dòng)版車型動(dòng)力參數(shù)

2.4 奔馳S500混動(dòng)車型動(dòng)力參數(shù)

奔馳S500混動(dòng)版車型搭載了3.0T雙渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)，7擋變速箱，85 kW電機(jī)，8.7 kWh電池以及對(duì)應(yīng)的控制單元，奔馳S500混動(dòng)版整車的動(dòng)力參數(shù)如下表4所示。

表4 奔馳S500混動(dòng)版車型動(dòng)力參數(shù)

3 新能源車型操作模式分析

在混動(dòng)模式（Hybrid Auto Mode）下，其設(shè)計(jì)意圖主要是根據(jù)能效最優(yōu)的原則進(jìn)行驅(qū)動(dòng)車輛行駛，優(yōu)點(diǎn)是在于能量效率最優(yōu)化，缺點(diǎn)是面對(duì)有些復(fù)雜的行駛?cè)蝿?wù)難以適應(yīng)。在純電動(dòng)模式（EV Mode）下，其設(shè)計(jì)意圖主要是讓整車動(dòng)力系統(tǒng)用電驅(qū)動(dòng)，策略上減少用油。在電量保持模式（Hold Mode）下，其設(shè)計(jì)意圖是維持當(dāng)前電池SOC（State of Charge），為未來純電或大功率行駛保持電量。在電量強(qiáng)充模式（Charge Mode）下，其設(shè)計(jì)意圖是提高當(dāng)前電池SOC，為未來純電或大功率行駛預(yù)留足夠多的電量。EV、Hold、Charge這三種模式的優(yōu)點(diǎn)是為用戶提供了自主規(guī)劃電量使用策略的途徑，用戶可以根據(jù)行駛?cè)蝿?wù)自行切換，在降低油耗的同時(shí)，能提高駕駛樂趣，缺點(diǎn)是需要用戶對(duì)操作模式有一些了解，如需要參考用戶手冊(cè)說明等。概括起來，Hybrid Auto模式主要是合理使用發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)兩個(gè)動(dòng)力源的能量，EV模式是最大化使用電能，Hold模式是保持SOC電量在一定范圍，Charge模式是對(duì)電池強(qiáng)充電，提升電量。

3.1 Hybrid Auto模式功能策略分析

在Hybrid Auto模式下，動(dòng)力系統(tǒng)根據(jù)路況及用戶駕駛風(fēng)格自動(dòng)決定混合動(dòng)力驅(qū)動(dòng)策略，原則上盡量使用電池進(jìn)行電驅(qū)動(dòng)行駛，盡量不起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，以降低排放。但是如果用戶有急加速或者大扭矩駕駛需求時(shí)，也可以控制發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)。若用戶選擇了導(dǎo)航并設(shè)置了目的地，系統(tǒng)會(huì)參考預(yù)測(cè)的道路數(shù)據(jù)制訂精確的驅(qū)動(dòng)策略，以充分使用電能而非燃油。Hybrid Auto模式下的功能策略分析如下表5所述。

表5 Hybrid Auto模式功能策略分析

3.2 EV模式功能策略分析

在EV模式下，當(dāng)預(yù)計(jì)電池電量可以滿足剩余行駛里程，或者在城市擁堵工況下，若剩余的電量可以完成整個(gè)擁堵工況，且擁堵工況結(jié)束后就有機(jī)會(huì)給電池充電，比如回家充電或者充電站充電，則可選擇EV模式。當(dāng)車輛純電驅(qū)動(dòng)時(shí)，若整車出現(xiàn)了相關(guān)情況，比如觸發(fā)強(qiáng)制降擋、駕駛員變速桿掛入S擋、車速超過限值或者電池溫度低于限值，則系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)退出EV模式。EV模式下的功能策略分析如下表6所述。

表6 EV模式功能策略分析

3.3 Hold模式功能策略分析

在Hold模式下，如果下一段行駛路程為城市擁堵工況或山地工況，則可根據(jù)擁堵時(shí)間和里程等因素來估算擁堵過程中需要消耗的電池SOC，得到最低SOC要求，在進(jìn)入低效率或大功耗工況前等SOC到達(dá)目標(biāo)值后，可選擇Hold模式。系統(tǒng)會(huì)盡量維持高壓電池中的電量不變，使用很少一部分電能。Hold模式下的功能策略分析如下表7所述。

3.4 Charge模式功能策略分析

在Charge模式下，如果下一段行駛路程為城市擁堵工況或山地工況，則可根據(jù)擁堵時(shí)間和山地里程等因素來估算擁堵過程中需要消耗的電池SOC，得到最低SOC要求，在進(jìn)入低效率或大功耗工況前若當(dāng)前SOC低于最低SOC要求，可選擇Charge模式給電池充電。系統(tǒng)會(huì)盡量為高壓電池充電，為下一段距離較長(zhǎng)純電行駛做準(zhǔn)備。Charge模式下的功能策略分析如下表8所述。

表7 Hold模式功能策略分析

表8 Charge模式功能策略分析

4 操作模式智能控制分析

4.1 基于雷達(dá)的能量回收策略

基于雷達(dá)的能量回收控制策略可以通過檢測(cè)本車與前車的距離進(jìn)行提前預(yù)判，以觸發(fā)能量回收機(jī)制[3]。當(dāng)本車接近前車時(shí)，可以通過加速踏板振動(dòng)提醒用戶松開加速踏板，此時(shí)車輛將進(jìn)入滑行模式或能量回收模式。當(dāng)本車檢測(cè)到與前車的距離縮短，則可以主動(dòng)啟用能量回收策略，對(duì)車輛進(jìn)行提前減速。通過借助雷達(dá)信息，達(dá)到不僅控制車輛安全駕駛，也能提前回收一些能量，提高整車的續(xù)駛里程。

4.2 基于路徑的智能能量管理策略

基于路徑的智能能量管理控制策略，可以根據(jù)導(dǎo)航以及交通路況等信息，合理規(guī)劃電量使用情況，以提升整個(gè)行駛?cè)蝿?wù)的總體能量利用率[4]。根據(jù)雷達(dá)、交通信號(hào)燈、限速標(biāo)志、轉(zhuǎn)彎及環(huán)路等路況信息，控制系統(tǒng)計(jì)算出最佳的車輛滑行時(shí)機(jī)，并提醒駕駛員松開踏板。在需要的時(shí)候進(jìn)行主動(dòng)能量回收，有效減少機(jī)械制動(dòng)頻繁參與，減少能量浪費(fèi)。

4.3 基于提前預(yù)測(cè)的智能控制策略。

基于提前預(yù)測(cè)的智能控制策略，可以利用導(dǎo)航信息來判斷車輛什么時(shí)候應(yīng)該對(duì)電池充電以及充多少電量，盡量減少燃油消耗。比如，根據(jù)導(dǎo)航提供的道路坡度信息，當(dāng)車輛要經(jīng)過一個(gè)山坡的時(shí)候，在上坡時(shí)采用電機(jī)輔助驅(qū)動(dòng)車輛，減少發(fā)動(dòng)機(jī)燃油消耗，在下坡時(shí)可充分回收能量。基于導(dǎo)航信息，控制系統(tǒng)保證車輛到達(dá)坡頂時(shí)電池電量達(dá)到一定值，下坡時(shí)回收的能量恰好充滿電池，從而實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排。

5 能量管理模式設(shè)計(jì)分析

針對(duì)整車的能量管理功能開發(fā)設(shè)計(jì)，本文也提出相應(yīng)的系統(tǒng)架構(gòu)方案，根據(jù)車輛工況信息，實(shí)現(xiàn)電能的充分及高效利用。如圖3，利用導(dǎo)航系統(tǒng)用戶出行規(guī)劃和路況預(yù)測(cè)功能，獲取總體路況信息或者臨近的幾個(gè)路段信息，然后進(jìn)行全局能量規(guī)劃，并基于操作模式的選擇和電池SOC值情況，進(jìn)行車輛行駛控制。同時(shí)，車輛可以反饋當(dāng)前可用的電能和實(shí)際能耗情況，以支持閉環(huán)控制開發(fā)。

圖3 能量管理模式開發(fā)架構(gòu)圖

未來的能量管理策略應(yīng)充分與車載導(dǎo)航系統(tǒng)相結(jié)合，開發(fā)基于導(dǎo)航的智能控制策略，根據(jù)行駛?cè)蝿?wù)及路況信息，智能規(guī)劃各路段的電能使用策略，提升能量利用效率。基于導(dǎo)航系統(tǒng)獲取當(dāng)前實(shí)時(shí)或?qū)淼穆窙r信息，結(jié)合工況及行駛特征進(jìn)行工況預(yù)測(cè)，根據(jù)典型工況里程、能耗特性，后續(xù)工況的類型及長(zhǎng)度，進(jìn)行全局能量規(guī)劃。然后根據(jù)當(dāng)前實(shí)際SOC、選擇的操作模式以及目標(biāo)SOC，進(jìn)行混動(dòng)控制策略開發(fā)，實(shí)現(xiàn)能量管理功能。

6 結(jié)束語與展望

在汽車電氣化、智能化、網(wǎng)聯(lián)化不斷發(fā)展的趨勢(shì)下，如何設(shè)計(jì)出更為有效的駕駛模式以供用戶選擇和使用是新能源汽車動(dòng)力系統(tǒng)功能開發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)之一。

（1）目前自主開發(fā)的新能源車駕駛模式一般有經(jīng)濟(jì)模（Eco Mode）、正常駕駛模式（Normal Mode）、運(yùn)動(dòng)模式（Sport Mode），建議引入 Hybrid Auto、EV、Hold、Charge等管理模式，以增加產(chǎn)品魅點(diǎn)，并考慮在實(shí)車上顯示相關(guān)的模式狀態(tài)，而其他的顯示則可遵循國家標(biāo)準(zhǔn)[5]。

（2）在車輛功能開發(fā)過程中應(yīng)積極探討類似的模式方案，比如能量回收模式等級(jí)分為強(qiáng)、中、弱，可以由用戶選擇合適的能量回收等級(jí)模式，以增加車輛駕駛樂趣。

（3）隨著未來智能網(wǎng)聯(lián)技術(shù)的不斷發(fā)展，各類操作模式應(yīng)緊密結(jié)合智能網(wǎng)聯(lián)進(jìn)行協(xié)同開發(fā)，在不同的車輛駕駛模式下，開發(fā)基于導(dǎo)航路徑的智能能量管理策略，智能規(guī)劃不同能量的使用策略，同時(shí)娛樂系統(tǒng)和HMI設(shè)計(jì)出不同的車輛駕乘氛圍。