王云龍，張洪田，孫遠濤

(黑龍江工程學(xué)院 汽車與交通工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150050)

目前，在新能源汽車關(guān)鍵技術(shù)尚未成熟時期，混合動力汽車作為傳統(tǒng)燃油汽車向新能源汽車過渡的中間階段，其整合了傳統(tǒng)燃油汽車良好的動力性和電動汽車優(yōu)越的燃油經(jīng)濟性和排放性，對于交通運輸行業(yè)實現(xiàn)節(jié)能減排具有重要的現(xiàn)實意義。混合動力汽車的核心技術(shù)為混合動力系統(tǒng)控制，直接影響整車的動力性、燃油經(jīng)濟性、排放性以及其他性能。本文針對某高混合度混合動力汽車，借助車輛運行檢測設(shè)備，通過實車道路運行工況試驗，利用道路試驗數(shù)據(jù)逆向研究分析混合動力系統(tǒng)的動力分配控制策略[1-5]。

1 動力傳遞理論關(guān)系

所選混合動力汽車的動力傳遞機構(gòu)采用行星齒輪機構(gòu)(見圖1)，該機構(gòu)是基于速度調(diào)節(jié)進行動力傳輸，通過調(diào)節(jié)行星齒輪機構(gòu)中與發(fā)電機相聯(lián)的太陽輪轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)發(fā)動機轉(zhuǎn)速，發(fā)動機的不同轉(zhuǎn)速將輸出不同的扭矩，基于此種方式混合動力系統(tǒng)可以根據(jù)駕駛?cè)说牟煌?qū)動需求，通過調(diào)節(jié)發(fā)電機轉(zhuǎn)速可以非常靈活地使發(fā)動機始終保持在一個優(yōu)化區(qū)域工作，保證了車輛的燃油經(jīng)濟性和排放性，不足的動力有電動機補充，從而車輛的動力性也得到保證[6-8]。圖1中MG1代表是發(fā)電機，MG2為電動機，行星齒輪機構(gòu)中與發(fā)動機相聯(lián)的是行星齒輪架，與MG1相聯(lián)的是太陽輪，與MG2相聯(lián)的是齒圈。

圖1 混合動力系統(tǒng)動力傳遞結(jié)構(gòu)

根據(jù)行星齒輪機構(gòu)中太陽輪、行星齒輪、齒圈的速比，得到下面關(guān)系式：

(1+ρ)·ne=ρ·ng+nr

η·Te=(1+1/ρ)·Tg=(1+ρ)·Tr

nm=nr

Tw=Tm+Tr=Tm+η·T/(1+ρ)

nw=nr/K=((1+ρ)·ne-ρ·ng)/K

式中：ρ為太陽輪齒數(shù)與齒圈齒數(shù)之比；ne、ng、nr、nm、nw分別為發(fā)動機、發(fā)電機、齒圈、電動機和驅(qū)動軸的轉(zhuǎn)速；Te、Tg、Tr、Tm、Tw分別為發(fā)動機、發(fā)電機、齒圈、電動機和驅(qū)動軸的扭矩；K為齒圈與驅(qū)動軸的傳動比。

2 不同工況下混合動力系統(tǒng)控制策略

2.1 發(fā)動機啟動試驗

2.1.1 低溫條件下發(fā)動機啟動試驗

在室外溫度-6 ℃，空調(diào)設(shè)定溫度25 ℃條件下：

1)電池SOC值較低。在電池SOC值(SOC，State of Charge縮寫，稱為荷電狀態(tài)，也叫剩余電量)較低(45%)，不打開空調(diào)狀態(tài)下按下啟動開關(guān)，14 s后發(fā)動機開始工作，發(fā)動機運行125 s后停止，此時的電池SOC值為(55%)。冷卻發(fā)動機20 min，重新做發(fā)動機啟動試驗(此時電池SOC值為

55%)，按下啟動開關(guān)等幾秒鐘(8 s)打開空調(diào)，發(fā)動機立即開始工作，在運行60 s后蓄電池電量為60%，又運行10 s后停止。此時由蓄電池驅(qū)動空調(diào)，68 s后電池SOC值為(55%)。9 s后發(fā)動機重新啟動，運行63 s后電池SOC值為60%，9 s后停止。

2)電池SOC值較高。在電池SOC值較高(60%)，按下啟動開關(guān)，發(fā)動機15 s后開始工作，在運行62 s后停止。冷卻發(fā)動機25 min，重新做啟動試驗，按下啟動開關(guān)，10 s后打開空調(diào)，發(fā)動機即刻開始工作，運行56 s后停止。由蓄電池驅(qū)動空調(diào)，131 s后電池SOC值為55%，14 s后發(fā)動機重新啟動，工作64 s后蓄電池電量為60%，又工作9 s后發(fā)動機停止工作。由蓄電池驅(qū)動空調(diào)，92 s后電池SOC值為55%，18 s后發(fā)動機重新啟動，工作57 s后蓄電池電量為60%，又工作15 s后發(fā)動機停止工作。

低溫條件下發(fā)動機啟動時，如果蓄電池沒有嚴重虧電，由蓄電池給電機MG1(試驗用混合動力汽車有兩個電機，分別為電機MG1、電機MG2，電機MG1與行星齒輪系統(tǒng)中的太陽輪相聯(lián)，電機MG2與齒圈相聯(lián)，電機MG1為調(diào)速電機、電機MG2為驅(qū)動電機)提供電能，電機MG1作為電動機拖動發(fā)動機到1 200 r/min左右，發(fā)動機開始工作，即發(fā)動機的暖機過程。

2.1.2 常溫條件下發(fā)動機啟動試驗

在室外溫度21 ℃條件下：

1)冷車啟動。電池SOC值最低(25%)：按下啟動開關(guān)，發(fā)動機馬上開始工作，發(fā)動機轉(zhuǎn)速在1 200 r/min左右，電機MG1為電池充電，當直到電池SOC值到50%左右時，發(fā)動機停止工作，整個過程持續(xù)260 s后，此時電池SOC值為50.5%。

電池SOC值中等(52.9%)：按下啟動開關(guān)后15 s發(fā)動機開始工作，工作50 s后停止。

2)熱車啟動。電池SOC值較低(35%)：按下啟動開關(guān)。發(fā)動機馬上開始工作，工作175 s后停止，此時電池SOC值為(50.5%)。

電池SOC值中等(50%)時，按下啟動開關(guān)，2 min內(nèi)發(fā)動機未啟動。

車輛熱車啟動時，在電池SOC值偏小的情況下，開展針對混合動力系統(tǒng)相關(guān)部件參數(shù)進行部分試驗，試驗獲得發(fā)動機轉(zhuǎn)速，加速踏板位置，電機的轉(zhuǎn)速和扭矩，電池SOC值與車速，時間的變化規(guī)律，見圖2。

圖2 電池SOC值小于45%時混合動力系統(tǒng)參數(shù)瞬時變化趨勢

熱車啟動電池SOC值較低時：按下啟動開關(guān)，發(fā)動機馬上開始工作，轉(zhuǎn)速為1 184 r/min。發(fā)動機與行星架相連，行星架帶動齒圈使汽車有前進的趨勢，電機管理系統(tǒng)使電機MG2靜止，阻止車輛前進。電機MG1作為發(fā)電機，當電池SOC值上升到50.5%時發(fā)動機停止工作。當電池SOC值中等以上時，試驗時按下啟動開關(guān)，2 min后發(fā)動機仍未工作。

2.2 車輛起步試驗

2.2.1 電池SOC值小于45%

駕駛?cè)瞬徊燃铀偬ぐ鍟r，車輛起步，電池SOC值、加速踏板開度、發(fā)動機轉(zhuǎn)速、電機MG2扭矩及轉(zhuǎn)速、電機MG1扭矩及轉(zhuǎn)速與時間和車速的變化趨勢，見圖3。

圖3 電池SOC值小于45%時混合動力系統(tǒng)參數(shù)瞬時變化趨勢

車輛啟動時發(fā)動機立刻開始工作，轉(zhuǎn)速為1 200 r/min左右，初期電機MG1作為發(fā)電機、電機MG2作為電動機，電機MG1產(chǎn)生的電能提供給電機MG2，若電能有富余為電池充電。電機MG2輸出扭矩值隨車速上升而降低；后期隨著車輛需求扭矩變小，電機MG1和電機MG2同時作為發(fā)電機發(fā)電。

2.2.2 電池SOC值大于45%

駕駛?cè)溯p踩加速踏板時，車輛起步，電池SOC值、加速踏板開度、發(fā)動機轉(zhuǎn)速、電機MG1扭矩及轉(zhuǎn)速、電機MG2扭矩及轉(zhuǎn)速與車速、時間的變化趨勢，見圖4。

圖4 電池SOC值為45%～60%時混合動力系統(tǒng)參數(shù)瞬時變化趨勢

車輛啟動時，初期階段發(fā)動機不工作，車輛處于純電動模式，電機MG2提供扭矩驅(qū)動車輛，電機MG1處于隨動狀態(tài)；后期車速不斷升高，驅(qū)動需求功率不斷增加，電池SOC值不斷下降，發(fā)動機開始工作輸出動力，一部分動力用于驅(qū)動車輛，另一部分動力驅(qū)動電機MG1；電機MG2輸出扭矩隨車速升高逐漸下降，電機MG1產(chǎn)生電能一部分提供給電機MG2，另一部分為電池充電。

2.3 車輛加速試驗

加速過程為車輛不穩(wěn)定工況，在需要不同加速強度時，混合動力系統(tǒng)優(yōu)先由電機MG2提供較大扭矩輸出，發(fā)動機輸出扭矩起輔助作用。整個車輛提速過程中，發(fā)動機輸出扭矩保持在穩(wěn)定的范圍，發(fā)動機運行在較穩(wěn)定的工作區(qū)域，以便發(fā)動機擁有良好的燃油經(jīng)濟性，不足的動力由電機MG2來補充，實現(xiàn)既有效節(jié)省燃油又不損失動力。

2.4 車輛勻速工況試驗

2.4.1 電池SOC值小于45%

在電池SOC值處于45%以下，選擇車速為10 km/h、20 km/h、30 km/h、……、70 km/h進行勻速工況試驗，發(fā)動機轉(zhuǎn)速、加速踏板位置、電機MG2扭矩和轉(zhuǎn)速、電機MG1扭矩和轉(zhuǎn)速、電池SOC值與車速和時間的變化趨勢，見圖5。

汽車以低速勻速行駛，當電池SOC值較低，發(fā)動機低速運轉(zhuǎn)，輸出動力直接驅(qū)動汽車行走。因為發(fā)動機輸出扭矩大于驅(qū)動扭矩，富余扭矩驅(qū)動電機MG2，電機MG2作為發(fā)電機產(chǎn)生電能為電池充電，電機MG1作為調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速的電機，使發(fā)動機工作在優(yōu)化的區(qū)域。

2.4.2 電池SOC值為45%～60%

在電池SOC值處于45%以下，選擇車速為10 km/h、20 km/h、30 km/h、……、70 km/h、80 km/h進行勻速工況試驗，發(fā)動機轉(zhuǎn)速、加速踏板位置、電機MG2扭矩和轉(zhuǎn)速、電機MG1扭矩和轉(zhuǎn)速、電池SOC值與車速和時間的變化趨勢，見圖6。

當車輛低速行駛時，車輛以純電動模式運行，發(fā)動機不工作，電機MG2作為電動機驅(qū)動車輛行駛，電機MG1隨動。當電池SOC值下降到45%時，發(fā)動機開始工作。

2.4.3 電池SOC值大于60%

在電池SOC值處于60%以上，選擇車速為10 km/h、20 km/h、30 km/h、……、70 km/h、80 km/h、90 km/h進行勻速工況試驗，發(fā)動機轉(zhuǎn)速、加速踏板位置、電機MG2扭矩和轉(zhuǎn)速、電機MG1扭矩和轉(zhuǎn)速、電池SOC值與車速和時間的變化趨勢，見圖7。

圖5 電池SOC值小于45%時混合動力系統(tǒng)參數(shù)瞬時變化趨勢

圖6 電池SOC值為45%～60%時混合動力系統(tǒng)參數(shù)瞬時變化趨勢

圖7 電池SOC值大于60%時混合動力系統(tǒng)參數(shù)瞬時變化趨勢

當需求功率較小時，車輛以純電動模式運行，電機MG2作為電動機驅(qū)動車輛行駛，電機MG1隨動；當需求功率較大時，發(fā)動機開始工作，電機MG2作為發(fā)電機給電池充電。發(fā)動機始終處于優(yōu)化區(qū)域內(nèi)工作，若發(fā)動機輸出扭矩大于驅(qū)動需求扭矩，則電機MG1作為發(fā)電機給電池充電。

2.5 車輛滑行工況試驗

2.5.1 車輛D檔滑行

車輛D檔滑行時，如果電池SOC值較低時，則發(fā)動機會立刻停止工作，電機MG2作為發(fā)電機將車輛動能轉(zhuǎn)換為電能進行能量回收為電池充電，電機MG1作為調(diào)速電機；如果電池SOC值很高，車輛雖然以一定的速度滑行，為了保護電池壽命避免過渡充電，電機MG2不會為電池充電。當車輛高速滑行時，為了防止電機MG1逆向旋轉(zhuǎn)超速，必須對電機MG1進行轉(zhuǎn)速控制。

2.5.2 車輛 N檔滑行

車輛N檔滑行時，即使電池SOC值特別低，電機也不給電池充電。

3 結(jié)束語

本文通過對混合動力汽車在不同運行工況、不同電池SOC值以及加速踏板不同開度等情況下，進行實車道路試驗，借助車輛運行數(shù)據(jù)監(jiān)測設(shè)備讀取混合動力系統(tǒng)瞬態(tài)運行數(shù)據(jù)，研究分析其混合動力系統(tǒng)控制單元，在不同運行工況、電池SOC值和駕駛需求時，混合動力系統(tǒng)的動力分配情況。車輛的控制單元根據(jù)駕駛?cè)说鸟{駛意圖，控制單元在保證駕駛?cè)诵枨蟮幕A(chǔ)上，同時兼顧發(fā)動機穩(wěn)定運行在最優(yōu)工作區(qū)域，從而提高車輛燃油經(jīng)濟性。因保證車輛燃油經(jīng)濟性而造成的動力損失由驅(qū)動電機MG2做有效補充，實現(xiàn)既可以有效節(jié)省燃油，又不會因為考慮燃油經(jīng)濟性而影響車輛的動力性。