梁 緣，徐 飛，趙征瀾，李海波，潘奕然

（東風(fēng)汽車公司技術(shù)中心，湖北 武漢 430058）

插電式混合動力轎車參數(shù)匹配及控制策略研究

梁 緣，徐 飛，趙征瀾，李海波，潘奕然

（東風(fēng)汽車公司技術(shù)中心，湖北 武漢 430058）

以整車動力性指標和純電動續(xù)駛里程指標為依據(jù)，詳細介紹動力電池、主電機、ISG和傳動系統(tǒng)等各動力總成的選型和匹配原則，并設(shè)計相應(yīng)的能量管理策略。分別通過建模仿真和實車試驗，驗證了動力系統(tǒng)設(shè)計的合理性和有效性。

插電式混合動力；動力總成；參數(shù)匹配；控制策略

隨著全球環(huán)保節(jié)能意識的不斷提升，作為新型節(jié)能產(chǎn)品的新能源汽車逐漸成為人們?nèi)找骊P(guān)注的焦點[1］。插電式混合動力電動汽車(PHEV)配備有大容量儲能裝置，能夠利用普通電網(wǎng)電壓對儲能裝置充電，增加純電動行駛里程，大大減少燃油消耗和廢氣排放[2］。因此，對于這一領(lǐng)域的研究具有較高的經(jīng)濟價值和環(huán)保價值，也是現(xiàn)在電動汽車領(lǐng)域研究的熱點之一[3］。目前，世界各大汽車公司已經(jīng)在“插電式混合動力汽車”技術(shù)領(lǐng)域展開新的競爭，“插電式混合動力汽車”已成為汽車行業(yè)的研究熱點[4］。

1 整車設(shè)計目標和動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

東風(fēng)某款混聯(lián)式混合動力轎車（PHEV）的動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要動力總成有發(fā)動機、ISG、主電機、動力電池和雙離合器等。通過雙離合器的結(jié)合分離控制，實現(xiàn)不同的運行模式：當(dāng)離合器1和離合器2均分離時，整車以純電動模式或串聯(lián)模式運行；當(dāng)離合器1或離合器2結(jié)合時，整車以不同速比運行于混合模式或發(fā)動機單獨工作模式。該車運行時，駕駛員可對HEV按鈕的操作，實現(xiàn)手動選擇混合驅(qū)動模式和純電動模式。

混合模式下的動力性指標、純電動模式下的動力性指標和續(xù)駛里程指標見表1。

表1 整車設(shè)計指標

2 主要部件選型原則

PHEV參數(shù)匹配的原則是：基于目標工況，以動力性指標和純電動續(xù)駛里程為邊界條件，對動力系統(tǒng)參數(shù)進行匹配[5］。動力系統(tǒng)參數(shù)匹配的步驟是：發(fā)動機→ISG→傳動系統(tǒng)的速比→主電機→動力電池。

2.1 發(fā)動機的選擇

為維持動力電池SOC平衡，發(fā)動機的最大功率應(yīng)高于NEDC循環(huán)工況的平均功率需求[6］。當(dāng)車輛以最高車速勻速行駛時，發(fā)動機應(yīng)具備足夠的驅(qū)動能力，使車輛運行于發(fā)動機單獨驅(qū)動模式[7］。

2.2 ISG電機的選擇

ISG 電機需要滿足2個條件: ①串聯(lián)工況下，當(dāng)動力電池嚴重饋電時，ISG能提供足夠的發(fā)電功率，滿足車輛爬行工況下的驅(qū)動功率需求和附件功率需求[8］；②低轉(zhuǎn)速下，ISG的峰值扭矩高于發(fā)動機靜摩擦阻力矩，以保證ISG具備快速啟動發(fā)動機的能力。

2.3 變速器速比的設(shè)計

變速器速比的選擇，應(yīng)滿足如下要求。

1）車輛以最高轉(zhuǎn)速勻速行駛時，發(fā)動機通過高擋速比傳遞至輪邊的驅(qū)動扭矩應(yīng)高于道路阻力，以保證車輛可以發(fā)動機單獨驅(qū)動模式運行于最高車速。

2）變速器低擋速比值應(yīng)滿足發(fā)動機參與驅(qū)動時的最大爬坡度和最低爬行車速需求。

3）變速器低、高擋的速比值差異應(yīng)適中。這樣，發(fā)動機至輪邊的扭矩變化梯度相對合理，可為后期能量分配策略提供良好條件。

2.4 主電機的選擇

主電機的峰值扭矩應(yīng)滿足純電動模式和混合模式下的動力性指標需求。另因驅(qū)動電機和發(fā)動機間的齒輪始終處于嚙合狀態(tài)，無法實現(xiàn)動力中斷。因此，主電機工作處于峰值轉(zhuǎn)速時，應(yīng)保證發(fā)動機不會存在超速的情況[9］。

2.5 動力電池的選擇

動力電池作為功率的輸出源，限制了ISG和驅(qū)動電機的輸出轉(zhuǎn)矩，影響整車動力性，也直接決定了整車的純電動續(xù)駛里程[10］。同時，動力電池的充放電需求會影響發(fā)動機的輸出功率，影響整車的經(jīng)濟性。因此，動力電池的選擇應(yīng)綜合考慮其充放電特性、能量密度和功率密度等因素。

3 控制策略設(shè)計

根據(jù)動力電池的充放電效率特性，可將電池的工作區(qū)域分為不可用區(qū)和可用區(qū)。如圖2所示，可用區(qū)又分為放電低效率區(qū)、理想工作區(qū)和充電低效率區(qū)。由電池的工作特性可知，當(dāng)電池處于放電低效率區(qū)時，應(yīng)減少電池的放電量，增加電池充電量；而當(dāng)電池處于充電低效率區(qū)時，則應(yīng)減少電池的充電量，增加電池放電量。通過這種控制方式，使電池工作區(qū)域集中在理想工作區(qū)?；谶@一思想，針對不同的運行模式，本文采用的控制策略如下所述。

圖2 鋰電池充放電效率與SOC的關(guān)系

3.1 駐車發(fā)電模式

當(dāng)車速降為0時，如果控制系統(tǒng)判斷動力電池嚴重饋電，其SOC低于理想工作區(qū)的下限值時，車輛將自動進入怠速充電模式。此時離合器處于分離狀態(tài)，

HCU通過ISG電機為動力電池充電，使其SOC上升至正常范圍。駐車發(fā)電模式下系統(tǒng)的工作示意圖如圖3 所示。

3.2 串聯(lián)驅(qū)動模式在起步階段或倒車過程中，離合器不能完全地結(jié)合。該模式下，系統(tǒng)的工作示意圖如圖4所示。

圖3 駐車發(fā)電模式

圖4 串聯(lián)驅(qū)動模式

3.3 純電動模式

當(dāng)電池剩余電量相對充足時，車輛將以純電動模式運行，由主電機單獨驅(qū)動車輛。在該運行模式下，雙離合器均分離，發(fā)動機停機。系統(tǒng)工作示意圖如圖5所示。

圖5 純電動模式

3.4 雙離合器切換策略

在發(fā)動機單獨驅(qū)動模式、并聯(lián)式驅(qū)動模式下，可通過雙離合器切換，實現(xiàn)發(fā)動機分別以低擋和高擋提供輪邊驅(qū)動扭矩。離合器切換策略與車速、輪邊驅(qū)動扭矩、發(fā)動機轉(zhuǎn)速等信息相關(guān)。

3.5 并聯(lián)式驅(qū)動模式

當(dāng)車速高于爬行車速且不滿足發(fā)動機單獨驅(qū)動和純電動的條件時，車輛將工作于并聯(lián)驅(qū)動模式。該運行模式下，根據(jù)SOC狀態(tài)，又可分為電動助力和行車發(fā)電模式。當(dāng)電池SOC偏高時，發(fā)動機和主電機同時提供驅(qū)動扭矩，即車輛工作于電動助力模式。當(dāng)電池SOC偏低時，發(fā)動機既提供輪邊驅(qū)動扭矩，也提供額外扭矩供ISG發(fā)電，即車輛工作于行車發(fā)電模式。經(jīng)雙離合器結(jié)合分離控制，車輛可分別以低、高擋運行于并聯(lián)式驅(qū)動模式。系統(tǒng)工作示意圖分別如圖6和圖7所示。

圖6 混合驅(qū)動模式（低擋）

圖7 混合驅(qū)動模式（高擋）

4 仿真分析

基于上述動力總成參數(shù)匹配原則，并參考現(xiàn)有的資源信息，Plug-in車（插電式混合動力車）的主要動力系統(tǒng)參數(shù)匹配結(jié)果如表2所示。下面基于整車動力學(xué)仿真模型，核對該動力系統(tǒng)匹配是否滿足整車設(shè)計要求。

表2 PHEV整車參數(shù)

基于matlab/simulink建立的PHEV動力學(xué)仿真模型見圖8?；谠摲抡婺Ｐ?，分別進行混合動力模式和純電動模式下的整車動力性及純電動續(xù)駛里程仿真，仿真結(jié)果見表3。

圖8 仿真模型

表3 仿真結(jié)果

1）混合動力模式下，PHEV車的最高車速、加速性能和最大爬坡度均滿足混合動力工況的動力性設(shè)計要求；其百公里油耗結(jié)果也滿足設(shè)計指標。

2）PHEV純電動模式的最高車速、加速性能和最大爬坡度均滿足純電動工況的設(shè)計要求；純電動模式下，NEDC工況的續(xù)駛里程為42 km，大于設(shè)計所要求的35 km。

5 小結(jié)

以整車動力性指標和純電動續(xù)駛里程指標為依據(jù)，并參考已有的資源信息，分別對整車動力系統(tǒng)參數(shù)進行了匹配?；趍atlab/simulink，并根據(jù)相關(guān)汽車理論和大量的實驗數(shù)據(jù)，建立了PHEV動力學(xué)仿真模型。通過仿真初步驗證了整車動力系統(tǒng)匹配的合理性。最終的仿真結(jié)果表明：整車動力性和經(jīng)濟性均滿足整車設(shè)計指標要求。因此，整車動力系統(tǒng)參數(shù)匹配方案是合理的。

參考文獻：

[1]何洪文，祝嘉光，李劍．混合動力電動汽車技術(shù)發(fā)展與現(xiàn)狀 [J］．車輛與動力技術(shù)，2004（2）：13-15．

[2] 武小蘭，王軍平，曹秉剛，等.充電式混合動力電動汽車動力系統(tǒng)的參數(shù)匹配[J］.汽車工程，2008，30（12）: 1095-1098.

[3]Ehasni M，Rahman K，Toliyat H.Propulsion system design of electric and hybrid vehicles[J］.IEEE Transactions on Industrial Electronics，1997，44（1）：19-27.

[4]Freyermuth V，F(xiàn)allas E，Rousseau A.Comparison of Powertrain Configuration for Plug-in HEVs from a Fuel Economy Perspective[J］. SAE International Journal of Engines，2008，1（1）：392-398.

[5]雷雨成.汽車系統(tǒng)動力學(xué)及仿真[M］.北京：國防工業(yè)出版社，1997：47-47.

[6]熊偉威，舒杰，張勇，等.一種混聯(lián)式混合動力客車動力系統(tǒng)參數(shù)匹配[J］.上海交通大學(xué)學(xué)報，2008，42（8）：1324-1328.

[7]Sharer P，Rousseau A，Pagerit S，etc.Midsize and SUV Vehicle Simulation Results for Plug-In HEV Component Requirements[DB/OL］.SAE paper，2007-01-0295.

[8]He X，Hodgson J. Hybrid electric vehicle simulation and evaluation for UT HEV[DB/OL］.SAE Technical Paper Series，2000-01-3105.

[9]王家明，郭晉晟，冒曉建，等.新型混聯(lián)式混合動力客車動力系統(tǒng)分析[J］.汽車技術(shù)，2008（9）：1-4.

[10]RW Carlson，MJ Duoba，TP Bohn，etc.Testing and Analysis of Three Plug-in Hybrid Electric Vehicles[DB/ OL］.SAE World Congress & Exhibition，2007-01-0283.

（編輯 凌 波）

更 正

尊敬的讀者、作者：

由于本刊2017年第2期最終調(diào)版出現(xiàn)異常，導(dǎo)致第67-68頁的圖1～圖4調(diào)錯，特此更正為以下正確的圖。同時我們將在各大網(wǎng)絡(luò)文獻數(shù)據(jù)庫和電子版中予以更正。

由于我們工作的疏忽，給您造成了閱讀上的不便，對此深表歉意！今后定會引以為戒，更加認真仔細。

感謝您一如既往對本刊的關(guān)注與支持！

圖1 CAN總線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

圖2 混合CAN總線網(wǎng)絡(luò)拓撲圖

圖3 多條CAN總線網(wǎng)絡(luò)拓撲圖

圖4 CAN總線T型接法拓撲結(jié)構(gòu)示意圖

更 正 2：

2016年第9期P18，圖1中部“1～4缸傳感器”應(yīng)為“1～4缸噴油器”。感謝河北省讀者王利強指正。

《汽車電器》雜志社

Parameter Selection and Control Strategy Design of A Plug-in Hybrid Car

LIANG Yuan，XU Fei，ZHAO Zheng-lan，LI Hai-bo，PAN Yi-ran
（Dongfeng Motor Corporation Technology Centre，Wuhan 430058，China）

Based on parameters of vehicle power and pure-electrical vehicle duration，the component parameters selection of battery，engine，ISG and transmission ratio is described in detail，then the powertrain control strategy is designed. At last，with simulation and road test，the design of power system is verified to be reasonable and effective.

plug-in hybrid car； powertrain； parameter selection； control strategy

U469.72

A

1003-8639（2017）03-0001-04

2016-08-19

梁緣（1982-），女，湖北天門人，主管工程師，碩士，主要研究方向為混合動力車動力系統(tǒng)參數(shù)匹配及控制策略設(shè)計，整車控制軟件設(shè)計及實現(xiàn)；徐飛（1980-），男，湖北荊州人，主管工程師，碩士，主要研究方向為整車控制軟件設(shè)計及實現(xiàn)；趙征瀾（1977-），女，山東德州人，主任工程師，碩士，主要研究方向為整車控制軟件設(shè)計及實現(xiàn)；李海波（1987-），男，安徽合肥人，責(zé)任工程師，碩士，主要研究方向為整車控制軟件設(shè)計及實現(xiàn)；潘奕然（1988-），男，湖北仙桃人，責(zé)任工程師，本科，主要研究方向為動力系統(tǒng)參數(shù)匹配。