趙建華，李海波，何春芳，佘建強(qiáng)

（東風(fēng)汽車公司技術(shù)中心，湖北 武漢 430058）

一種并聯(lián)式混合動力耦合集成方案的研究和模式分析

趙建華，李海波，何春芳，佘建強(qiáng)

（東風(fēng)汽車公司技術(shù)中心，湖北 武漢 430058）

描述一種驅(qū)動電機(jī)與變速器合成的并聯(lián)式機(jī)電耦合集成裝置結(jié)構(gòu)，研究并分析動力耦合集成裝置在功能和效率上所具備的優(yōu)勢和特點，給出動力合成一體化裝置運(yùn)行模式和控制方式，同時針對幾種動力耦合方案進(jìn)行了動力性、經(jīng)濟(jì)性仿真結(jié)果對比分析驗證。

動力耦合裝置；運(yùn)行模式；變速器

隨著混合動力集成技術(shù)的發(fā)展，變速系統(tǒng)和電機(jī)已由離散化結(jié)構(gòu)向高度集成和一體化發(fā)展［1］。在混合動力電動汽車中，由于整車集成技術(shù)和整車控制技術(shù)的嚴(yán)格要求，對其中的核心組件——電機(jī)、離合器、變速器以及和發(fā)動機(jī)動力的耦合等技術(shù)，提出了越來越高的要求［2］。傳統(tǒng)的布置和組合形式，在混合動力汽車上，尤其在小型的混合動力汽車上，根本不能達(dá)到目標(biāo)，因此也就自然考慮如何將電機(jī)和變速器集成起來，串聯(lián)布置在動力傳動系中。集成化的電機(jī)與變速系統(tǒng)，不僅可以使整車的動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更加緊湊，更好地利用有限的機(jī)艙空間，以便更好地散熱和提高動力傳動系統(tǒng)性能，而且集成化設(shè)計也更有利于發(fā)動機(jī)動力和電機(jī)動力的耦合［3］。混合動力汽車變速系統(tǒng)和電機(jī)的集成化是提高整車效率、縮短整車開發(fā)周期、降低開發(fā)成本和提高市場競爭力的重要保證［4］。

目前，變速系統(tǒng)和電機(jī)耦合方式，主要通過輸入軸/中間軸或輸出軸耦合模式，實現(xiàn)發(fā)動機(jī)與電機(jī)的動力耦合。輸入軸/中間軸耦合方式換擋時，有動力中斷且制動能量回饋比例小，而輸出軸耦合方式不能實現(xiàn)快速起停發(fā)動機(jī)且難以實現(xiàn)純電動，這兩種混合動力系統(tǒng)因受到動力耦合模式的限制，制約了整車動力性和經(jīng)濟(jì)性的最優(yōu)設(shè)計。因此，為了兼顧兩種耦合方式的優(yōu)勢，開發(fā)了一種新型雙模式變速耦合系統(tǒng)，它在兩種機(jī)電耦合傳遞線路之間增加一個切換機(jī)構(gòu)，實現(xiàn)了整車協(xié)調(diào)控制和能量分配優(yōu)化，同時有效地提升了制動能量回收。該雙模式變速系統(tǒng)是一種先進(jìn)的混合動力技術(shù)，是一種通過優(yōu)化的電機(jī)和變速器機(jī)械零件高度協(xié)調(diào)的系統(tǒng)，目前該系統(tǒng)已搭載到匹配的混合動力客車（EQ6110HEV-203）上，并成功通過國家863項目驗收。

1 動力耦合集成系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與控制

1.1 耦合系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

雙模式耦合系統(tǒng)主要由驅(qū)動電機(jī)、變速器主箱、副箱和機(jī)電耦合控制單元組成，動力耦合系統(tǒng)物理結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中集成式電機(jī)動力通過變速器內(nèi)齒輪組和傳動鏈形式與發(fā)動機(jī)動力傳動機(jī)構(gòu)耦合，根據(jù)整車工況采用同步器滿足動力耦合方式切換的要求，實現(xiàn)電機(jī)動力與變速器的中間軸耦合傳動線路和電機(jī)動力與變速器輸出軸耦合傳動線路，同時集成式電機(jī)內(nèi)殼與變速器殼體共同構(gòu)成電機(jī)冷卻水道。動力耦合系統(tǒng)將機(jī)械部分與電動機(jī)充分集成，不僅合理進(jìn)行整車布置使2種動力源旋轉(zhuǎn)軸線平行，避免了2種動力源旋轉(zhuǎn)軸線相交帶來的振動不平衡及高速傳動適應(yīng)性等問題，而且總成集成度高并能減輕耦合系統(tǒng)質(zhì)量。

圖1 動力耦合系統(tǒng)物理結(jié)構(gòu)

1.2 耦合器控制系統(tǒng)

耦合整車控制系統(tǒng)避免了以往車型中能量分配受限于動力耦合形式的缺點，兼顧了電機(jī)動力在變速器中間軸耦合和輸出軸耦合的優(yōu)點。在整車控制方面對控制策略和算法進(jìn)行了驗證，尤其是在純電動工況和低速工況，采用中間軸耦合方案，使電機(jī)工作在恒轉(zhuǎn)矩區(qū)域，提高了車輛動力性。高速工況采用輸出軸耦合方案，使電機(jī)工作在恒功率區(qū)域，提高了車輛的經(jīng)濟(jì)性，依據(jù)這種智能切換的工作模式，實現(xiàn)了整車協(xié)調(diào)控制和能量分配優(yōu)化，有效地提高了制動能量回收［5］。耦合器控制系統(tǒng)功能框圖如圖2所示。

在耦合的AMT系統(tǒng)控制方面，根據(jù)耦合工作模式切換的特點，分析了動力中斷時間的組成，并進(jìn)行了合理優(yōu)化，同時根據(jù)優(yōu)化參數(shù)，建立了兩參數(shù)選換擋策略［6］。換擋策略MAP如表1所示。

表1 AMT換擋策略MAP

2 工作模式分析

根據(jù)整車行車過程中不同工況，整車控制策略控制耦合系統(tǒng)模式實現(xiàn)智能切換［7］。

2.1 一般起步工況

在普通平路車輛起步時，整車控制策略根據(jù)油門踏板狀態(tài)，啟動驅(qū)動電機(jī)，以純電動模式驅(qū)動車輛。當(dāng)車輛達(dá)到一定車速時， 由電機(jī)經(jīng)耦合器拖動發(fā)動機(jī)快速起動， 再結(jié)合駕駛員轉(zhuǎn)矩需求， 進(jìn)入混合驅(qū)動模式。此時耦合器處于中間軸耦合狀態(tài)，使得電機(jī)工作在恒轉(zhuǎn)矩區(qū)域，提高車輛動力性，這種起步方式可避免發(fā)動機(jī)怠速高油耗、高排放的缺點。耦合器起步過程動力輸送線路如圖3所示。

圖2 耦合器控制系統(tǒng)功能框圖

圖3 起步工況

2.2 正常驅(qū)動工況

在正常行駛工況下，根據(jù)控制策略的優(yōu)化目標(biāo)、整車當(dāng)前的實際功率需求和電池組荷電狀態(tài)， 控制動力總成的輸出總功率及發(fā)動機(jī)與電機(jī)之間的功率分配。發(fā)動機(jī)和驅(qū)動電機(jī)在串并聯(lián)工作模式之間不斷切換。此時耦合系統(tǒng)有3種運(yùn)轉(zhuǎn)方式：當(dāng)車輛以純電動驅(qū)動模式時， 離合器被斷開，發(fā)動機(jī)停止工作空轉(zhuǎn)或者處于關(guān)閉狀態(tài)，此時耦合器處于中間軸耦合狀態(tài)或輸出軸耦合狀態(tài)，內(nèi)部驅(qū)動流如圖4所示。當(dāng)驅(qū)動電機(jī)處于故障狀態(tài)不能正常驅(qū)動時，此時離合器結(jié)合，采用發(fā)動機(jī)單獨(dú)驅(qū)動車輛，耦合器處于耦合空擋狀態(tài)，耦合器作為標(biāo)準(zhǔn)AMT機(jī)構(gòu)實現(xiàn)換擋功能，內(nèi)部驅(qū)動流如圖5所示。當(dāng)駕駛員需求轉(zhuǎn)矩較大時，采用混合驅(qū)動模式，此時由發(fā)動機(jī)和動力電機(jī)共同驅(qū)動車輛運(yùn)行，耦合器處于中間軸耦合狀態(tài)或輸出軸耦合狀態(tài)（視當(dāng)前整車運(yùn)行工況而定），內(nèi)部驅(qū)動流如圖6所示。

圖4 純電動模式

圖5 發(fā)動機(jī)單獨(dú)驅(qū)動模式

圖6 混合驅(qū)動模式

2.3 行車發(fā)電工況

車輛處于行車發(fā)電工況時，驅(qū)動電機(jī)為發(fā)電狀態(tài)，發(fā)動機(jī)驅(qū)動車輛運(yùn)行，同時帶動動力電機(jī)發(fā)電，耦合器處于中間軸耦合狀態(tài)或輸出軸耦合狀態(tài)（視當(dāng)前整車運(yùn)行工況而定）。行車發(fā)電工況如圖7所示。

圖7 行車發(fā)電工況

2.4 減速/ 制動工況

當(dāng)車輛需要制動減速或下坡限速時，整車控制策略根據(jù)制動踏板信號，斷開主離合器，同時使驅(qū)動電機(jī)發(fā)電，從而實現(xiàn)向電池組回饋電能。當(dāng)制動踏板信號繼續(xù)增大時，減小制動回收能力，增大機(jī)械制動能力，目的是先保證滿足制動安全性的需要。減速/制動工況如圖8所示。

圖8 減速/制動工況

最優(yōu)控制策略一般不是以單參數(shù)而是多個參量的綜合優(yōu)化作為目標(biāo)函數(shù)［8］。由監(jiān)控器及監(jiān)測通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)根據(jù)檢測到的各種參數(shù)（如車速、加速踏板開度、制動踏板開度、電池電量狀態(tài)等），實時確定電機(jī)、發(fā)動機(jī)、變速器等的工作點， 并綜合控制這些部件逼近其指定工作點。這些都要求動力總成能夠靈活地在不同的模式間頻繁、快速、可靠地切換。由上述分析可見， 雙模式機(jī)電耦合方案完全能從硬件上保證滿足這樣的要求。同時耦合器工作過程中與整車控制器進(jìn)行信息實時交互。具體模式如表2所示。

表2 耦合系統(tǒng)工作模式

3 仿真分析

采用基于模型仿真方式，分別對中間軸方案、輸出軸方案、綜合耦合進(jìn)行了經(jīng)濟(jì)性和動力性仿真分析，并在MATLAB/Simulink平臺上搭建仿真模型，如圖9所示。

通過上述搭建的仿真模型對傳統(tǒng)及不同耦合方案車型進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性仿真計算，輸出結(jié)果如表3所示。

通過仿真對比，綜合耦合方案為了實現(xiàn)電量平衡，發(fā)動機(jī)平均負(fù)荷率必須高于其他耦合方案，發(fā)動機(jī)總功提高且燃油經(jīng)濟(jì)性也得到了改善，同時制動回收能量也增大，整體上來看經(jīng)濟(jì)性要優(yōu)于輸出軸和中間軸方案。

由于綜合耦合系統(tǒng)方案搭載車型最高車速設(shè)計指標(biāo)為80 km/h，因此只對傳統(tǒng)車及不同耦合方式車型做0—50 km/h加速性能仿真對比驗證。假設(shè)換擋時間為2 s，0—50 km/h加速換擋2次，加速性模型仿真結(jié)果如表4所示。

依據(jù)0—50 km/h加速性仿真分析結(jié)果可知，綜合耦合系統(tǒng)和中間軸耦合方案加速性要優(yōu)于傳統(tǒng)車和輸出軸耦合方案。這是因為這2種耦合方案在低擋位速比大，電機(jī)轉(zhuǎn)矩傳到輪邊時力矩大，動力性優(yōu)越。

基于模型仿真計算傳統(tǒng)車及不同耦合方案車型1擋和2擋最大爬坡度，結(jié)果如表5所示。

圖9 Simulink仿真模型

表3 不同車型經(jīng)濟(jì)性仿真結(jié)果

4種方案分別在1擋和2擋下仿真，根據(jù)表5可知：中間軸和綜合耦合方案的爬坡性能最佳。因為綜合耦合方案繼承了中間軸耦合方案在低擋時速比大的優(yōu)勢，同時電機(jī)轉(zhuǎn)矩低擋放大倍數(shù)大，動力性優(yōu)于輸出軸和傳統(tǒng)車。

表4 不同車型0-50 km/h加速性仿真結(jié)果

表5 不同車型爬坡度仿真計算結(jié)果

4 結(jié)論

1）針對現(xiàn)有HEV混聯(lián)式動力總成的不足而提出的一種機(jī)電耦合新方案， 其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與控制方式相對簡單， 有利于降低成本、提高可靠性， 并對在輕、中、重各型HEV上應(yīng)不存在特別的限制。

2）實現(xiàn)了具有耦合模式智能切換且能與AMT控制系統(tǒng)交互的整車協(xié)調(diào)控制和能量分配優(yōu)化控制系統(tǒng)。

3）分析了整車各個工況下耦合系統(tǒng)模式實現(xiàn)，并基于模型仿真分析整車動力性和經(jīng)濟(jì)性，通過對傳統(tǒng)車及不同耦合方案車型對比分析可知綜合耦合方案性能最優(yōu)。

4）目前該耦合系統(tǒng)總成已搭載在混合動力客車上并通過國家863項目驗收， 其系統(tǒng)可通過改變相關(guān)電控離合器的開合及電機(jī)、發(fā)動機(jī)及變速器的工作狀態(tài)， 在串聯(lián)、并聯(lián)、混聯(lián)（ 串并聯(lián)） 、純電動和純發(fā)動機(jī)驅(qū)動等工作模式之間快速、頻繁地切換， 實現(xiàn)功率的合理分配， 為提高HEV的效率、性能和減少排放提供了一條新途徑。

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（編輯 心 翔）

A Study on the Parallel Hybrid Power Coupling Integrated Scheme and Model Analysis

ZHAO Jian-hua， LI Hai-bo， HE Chun-fang， SHE Jian-qiang
（Dongfeng Motor Corporation R&D Center， Wuhan 430058， China）

In this paper， a parallel electromechanical coupling integrated device is described， which consists of driving motor and transmission. To study and analyze advantages and characteristics of the power synthesis integrated device in the function and efficiency aspects， the power synthesis integrated device operation mode and control mode are proposed. At the same time， the dynamic and economic simulation results for these several power coupling schemes are compared and analyzed.

power coupling device； operation mode；transmission

U463.212

A

1003-8639（2017）04-0009-05

2016-09-01

趙建華，碩士，高級工程師，研究方向為新能源汽車動力匹配優(yōu)化控制；李海波，碩士，助理工程師，研究方向為新能源汽車動力匹配優(yōu)化控制；何春芳，碩士，工程師，研究方向為新能源汽車動力匹配優(yōu)化控制；佘建強(qiáng)，碩士，高級工程師，研究方向為新能源汽車動力匹配優(yōu)化控制。