黎程，杜志良，宋軍，嚴(yán)程健，蘭俊福

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單行星排式混合動(dòng)力公交車性能優(yōu)化

黎程1，杜志良1，宋軍1，嚴(yán)程健2，蘭俊福3

（1.濰柴動(dòng)力上海研發(fā)中心，上海 201114；2.揚(yáng)州亞星客車股份有限公司，江蘇 揚(yáng)州 225116；3.福工動(dòng)力技術(shù)有限公司，福建 廈門 361100）

單行星排式插電混合動(dòng)力公交車是國(guó)內(nèi)新能源汽車領(lǐng)域一個(gè)重要研究方向。動(dòng)力總成合理選型以及控制策略優(yōu)化設(shè)計(jì)是該型車研發(fā)過程中的主要技術(shù)難點(diǎn)。如果動(dòng)力總成選型恰當(dāng)，控制策略設(shè)計(jì)合理，既可以使整車滿足經(jīng)濟(jì)性要求，又能兼顧駕駛性與舒適性。文章以某自主研發(fā)單行星排式插電混合動(dòng)力公交車為研究對(duì)象，通過優(yōu)化整車控制策略，達(dá)到不降低動(dòng)力性前提下提升節(jié)油率的目的。通過實(shí)車驗(yàn)證，百公里油耗下降22%。

單行星排；混合動(dòng)力；性能優(yōu)化；整車試驗(yàn)

前言

隨著新能源汽車越來越多的走入人們的生活，國(guó)內(nèi)插電式混合動(dòng)力汽車的研發(fā)也進(jìn)入了快速發(fā)展階段。單行星排式插電混合動(dòng)力汽車以其獨(dú)特的工作特性逐漸進(jìn)入人們的視野。

單行星排式插電混合動(dòng)力汽車的代表車型為豐田prius，從1997年上市至今二十余年，歷經(jīng)4代系統(tǒng)升級(jí)，全球累計(jì)銷量達(dá)到六百萬輛。隨著我國(guó)汽車工業(yè)的迅猛發(fā)展，以及近幾年國(guó)家對(duì)新能源汽車的大力扶持，單行星排式插電混合動(dòng)力技術(shù)已逐漸進(jìn)入我們視野。

本文以某自主研發(fā)單行星排式插電混合動(dòng)力公交車為研究對(duì)象，按整車性能目標(biāo)設(shè)定、原車測(cè)試評(píng)價(jià)、匹配分析及優(yōu)化方案設(shè)計(jì)、方案實(shí)施、整車性能驗(yàn)證、批量驗(yàn)證六階段開發(fā)流程，[1]以中國(guó)典型城市公交工況循環(huán)為依據(jù)，對(duì)已確定配置的樣車進(jìn)行優(yōu)化開發(fā)，并進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。

1 單行星排式混合動(dòng)力汽車結(jié)構(gòu)

混合動(dòng)力的類型包括串聯(lián)型、并聯(lián)型和混聯(lián)型。單行星排式插電混合動(dòng)力汽車屬于混聯(lián)型，其動(dòng)力系統(tǒng)主要由發(fā)動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、行星齒輪組、控制器和動(dòng)力電池組成。其中，發(fā)電機(jī)和驅(qū)動(dòng)電機(jī)都可以做驅(qū)動(dòng)電機(jī)，也可以做發(fā)電機(jī)。行星齒輪將發(fā)電機(jī)、驅(qū)動(dòng)電機(jī)以及發(fā)動(dòng)機(jī)有機(jī)的聯(lián)系起來，見圖1所示。

圖1 單行星排式混合動(dòng)力汽車動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖

由圖1所示，發(fā)動(dòng)機(jī)與行星架相連，發(fā)電機(jī)與太陽(yáng)輪相連，驅(qū)動(dòng)電機(jī)與外齒圈固連，而外齒圈通過傳動(dòng)軸與后橋相連驅(qū)動(dòng)后輪。

由圖2所示，發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的機(jī)械能，一部分通過發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)換成電能，由控制器輸出給驅(qū)動(dòng)電機(jī)，再由驅(qū)動(dòng)電機(jī)把電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能，帶動(dòng)外齒圈旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)車輪。這種動(dòng)力形式為串聯(lián)式。在這個(gè)過程中，如果發(fā)電機(jī)發(fā)電量不足，則由蓄電池組補(bǔ)充能量。反之，蓄電池組儲(chǔ)存發(fā)電機(jī)多余的能量，另一部分機(jī)械能由發(fā)動(dòng)機(jī)直接作用在外齒圈上，外齒圈與驅(qū)動(dòng)電機(jī)相連，因此驅(qū)動(dòng)電機(jī)也可以帶動(dòng)外齒圈，這一動(dòng)力形式為并聯(lián)式。

圖2　單行星排式混合動(dòng)力汽車控制原理圖

由于行星齒輪系組成的動(dòng)力耦合裝置具備多自由度的特點(diǎn)，因而單行星排式混合動(dòng)力系統(tǒng)中發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩與工況處于解耦狀態(tài)，通過控制兩個(gè)電機(jī)的狀態(tài)來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)狀態(tài)的協(xié)調(diào)統(tǒng)一。系統(tǒng)中兩個(gè)電機(jī)各司其職，其中與發(fā)動(dòng)機(jī)相連的發(fā)電機(jī)主要是起到調(diào)速的作用兼顧發(fā)電，而驅(qū)動(dòng)電機(jī)主要用來提供轉(zhuǎn)矩以及實(shí)現(xiàn)制動(dòng)能量回收。

借助行星輪系這種特殊的結(jié)構(gòu)，發(fā)動(dòng)機(jī)的功率被分成兩條路徑，機(jī)械路徑和電路徑，機(jī)械路徑是指發(fā)動(dòng)機(jī)的一部分機(jī)械功率直接驅(qū)動(dòng)車輛行駛，電路徑是指發(fā)動(dòng)機(jī)剩余的機(jī)械功率驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，用于為驅(qū)動(dòng)電機(jī)供電或給電池充電。[3]

根據(jù)單行星排式插電混合動(dòng)力汽車自身的使用特點(diǎn)和工況特點(diǎn)，需要考慮的因素主要有：城市運(yùn)行工況下車輛的頻繁啟停、加減速、低速行駛以及制動(dòng)能量回收等。為了充分利用電能，合理控制兩個(gè)電機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行于高效區(qū)，單行星排式插電混合動(dòng)力公交車設(shè)定了以下幾種運(yùn)行模式。

1.1 電池組單獨(dú)驅(qū)動(dòng)模式

單行星排式插電混合動(dòng)力汽車的電池組單獨(dú)驅(qū)動(dòng)模式即純電動(dòng)驅(qū)動(dòng)模式，當(dāng)整車的牽引功率需求較小時(shí)，此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)不工作，電能傳遞到驅(qū)動(dòng)電機(jī)，轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，經(jīng)傳動(dòng)系統(tǒng)到達(dá)車輪。

1.2 發(fā)動(dòng)機(jī)與驅(qū)動(dòng)電機(jī)共同驅(qū)動(dòng)模式

當(dāng)整車的牽引功率較大，動(dòng)力電池由于自身輸出電流限制導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)電機(jī)無法滿足驅(qū)動(dòng)需求時(shí)，此時(shí)的驅(qū)動(dòng)能量可由發(fā)動(dòng)機(jī)和動(dòng)力電池共同提供，發(fā)動(dòng)機(jī)輸出扭矩通過行星齒輪系統(tǒng)與驅(qū)動(dòng)電機(jī)輸出扭矩一起傳遞到車輪，這種驅(qū)動(dòng)模式能達(dá)到更大的驅(qū)動(dòng)能力。

1.3 發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)且充電模式

這一運(yùn)行模式充分體現(xiàn)了單行星排式插電混合動(dòng)力汽車相比于其他混合動(dòng)力汽車的優(yōu)勢(shì)。在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)，單行星排傳動(dòng)裝置可以通過調(diào)整太陽(yáng)輪和外齒圈的轉(zhuǎn)速和扭矩，適應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力輸出，做到既使發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行在高效區(qū)，又驅(qū)動(dòng)整車平穩(wěn)運(yùn)行，而且對(duì)多出的能量或是缺失的能量使用電池來吸收或是補(bǔ)充。

1.4 再生能量回收模式

由城市客車的運(yùn)行工況可知，減速停車工況非常頻繁，因此制動(dòng)能量回收對(duì)于此類車輛意義重大。進(jìn)行制動(dòng)能量回收時(shí)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)工作模式相當(dāng)于一臺(tái)發(fā)電機(jī)，產(chǎn)生電能的同時(shí)使整車達(dá)到減速效果。系統(tǒng)將回收的電能存儲(chǔ)到電池中用于驅(qū)動(dòng)車輛。

2 樣車及原車測(cè)試評(píng)價(jià)

2.1 樣車配置

表1 樣車基本參數(shù)

本文所研究的對(duì)象車輛(樣車)為一臺(tái)廠家變型設(shè)計(jì)的10m插電式油電混合動(dòng)力公交車，在基礎(chǔ)車型上換裝單行星排混動(dòng)系統(tǒng)，輪胎規(guī)格為11R22.5，電池類型為磷酸鐵鋰。其他主要配置和參數(shù)見表1。

2.2 原車測(cè)試評(píng)價(jià)

按照國(guó)標(biāo)GB/T 19752-2005《混合動(dòng)力電動(dòng)汽車動(dòng)力性能試驗(yàn)方法》對(duì)原車(本文所研究的樣車優(yōu)化前的狀態(tài))進(jìn)行半載混合動(dòng)力模式下0～50km/h加速性能試驗(yàn)，加速時(shí)間14.6s，加速距離113.6m，其中0～30km/h加速時(shí)間7.2s，加速距離29.5m，整個(gè)加速過程動(dòng)力輸出平穩(wěn)，駕駛性能優(yōu)越，可以滿足公交車日常運(yùn)行要求。

按照GB/T 19754對(duì)樣車分別進(jìn)行中國(guó)典型城市公交循環(huán)(CCBC)工況能量消耗量試驗(yàn)。表2是試驗(yàn)結(jié)果（試驗(yàn)電耗為正表示車輛運(yùn)行所消耗的電量，為負(fù)表示車輛運(yùn)行給儲(chǔ)能裝置所充電量）。試驗(yàn)過程車輛速度控制偏差符合QC/T 759的要求，試驗(yàn)是有效的。

原車中國(guó)典型城市公交循環(huán)100km油耗22L，儲(chǔ)能裝置能量的凈改變量（net energy change,NEC）為正表示充電，為負(fù)表示放電。換算到輪邊的NEC與循環(huán)總驅(qū)動(dòng)能量的比值的NEC的相對(duì)變化量為-0.28%。相對(duì)于傳統(tǒng)柴油動(dòng)力公交車，原車有一定的節(jié)油效果。

3 匹配分析、優(yōu)化和驗(yàn)證

3.1 匹配分析與優(yōu)化方案設(shè)計(jì)

圖3是原車半載混合動(dòng)力模式0～50 km/h加速工況扭矩輸出特性，其中驅(qū)動(dòng)電機(jī)、發(fā)電機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出扭矩信號(hào)從整車CAN總線讀取，車輛總驅(qū)動(dòng)扭矩是驅(qū)動(dòng)電機(jī)輸出扭矩和發(fā)動(dòng)機(jī)輸出扭矩通過行星排分流至與驅(qū)動(dòng)電機(jī)固連的外齒圈扭矩的疊加，車速儀測(cè)量車速。車輛混合動(dòng)力模式下0～50 km/h加速工況，發(fā)動(dòng)機(jī)在車輛起步時(shí)即啟動(dòng)并參與動(dòng)力輸出，整個(gè)加速過程驅(qū)動(dòng)電機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)同時(shí)提供動(dòng)力。隨著車速提高，電機(jī)輸出扭矩逐漸減小發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩輸出平穩(wěn)，車輛加速感受良好。

圖3 原車混合動(dòng)力模式0～50km/h加速扭矩特性

圖4 原車中國(guó)典型城市公交循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行MAP

圖5 原車中國(guó)典型城市公交循環(huán)驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)行MAP

圖6 原車中國(guó)典型城市公交循環(huán)發(fā)電機(jī)運(yùn)行MAP

圖4是中國(guó)典型城市公交循環(huán)(CCBC)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行MAP。發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行區(qū)域相對(duì)集中，運(yùn)行在發(fā)動(dòng)機(jī)萬有特性低油耗區(qū)的占比不夠大。發(fā)動(dòng)機(jī)介入工作轉(zhuǎn)速區(qū)間過寬。圖5是驅(qū)動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)和能量回收運(yùn)行MAP，樣車選配的電機(jī)足夠滿足動(dòng)力輸出和能量回收要求。圖6是發(fā)電機(jī)運(yùn)行MAP。

通過以上分析，初步確定下列優(yōu)化方向：

1）優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)過程，將發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)轉(zhuǎn)速設(shè)定為1100r/min，啟動(dòng)扭矩控制在480 N.m。

2）優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行過程，控制發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速在1100～1400r/min區(qū)間，發(fā)動(dòng)機(jī)恒扭矩控制，輸出扭矩設(shè)置為550N.m，使發(fā)動(dòng)機(jī)始終運(yùn)行在低油耗區(qū)。

3）優(yōu)化驅(qū)動(dòng)電機(jī)和發(fā)電機(jī)工作過程，以配合發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行在經(jīng)濟(jì)區(qū)。

4）優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)和停機(jī)工況。

3.2 優(yōu)化方案實(shí)施及驗(yàn)證

按4.1的方案，修改系統(tǒng)控制策略，調(diào)試整車，系統(tǒng)工作正常。按照GB/T 19752對(duì)優(yōu)化后的樣車進(jìn)行半載混合動(dòng)力模式下0～50km/h加速性能試驗(yàn)，加速時(shí)間16.8s，加速距離141.5m，其中0～30km/h加速時(shí)間7.5s，加速距離33.5m，與原車加速性能相當(dāng)，整個(gè)加速過程動(dòng)力輸出平穩(wěn)，駕駛性能良好，能夠滿足公交車日常運(yùn)行要求。試驗(yàn)結(jié)果見圖8。優(yōu)化后混合動(dòng)力模式整車0～50km/h加速扭矩輸出特性見圖7。

圖7 優(yōu)化后樣車混合動(dòng)力模式0～50km/h加速扭矩特性

表2 優(yōu)化后能量消耗量測(cè)試結(jié)果

圖9 優(yōu)化后樣車中國(guó)典型城市公交循環(huán)驅(qū)動(dòng)電機(jī)MAP

圖10 優(yōu)化后樣車中國(guó)典型城市公交循環(huán)發(fā)電機(jī)MAP

按照GB/T 19754對(duì)優(yōu)化后的樣車進(jìn)行中國(guó)典型城市公交循環(huán)能量消耗量試驗(yàn)，表2是試驗(yàn)結(jié)果。發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行工況點(diǎn)集中分布在萬有特性最低油耗區(qū)內(nèi)，見圖8。圖中顯示，優(yōu)化整車控制策略后，發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)并介入工作后，輸出扭矩基本維持在一個(gè)恒定值，發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行轉(zhuǎn)速也被限制在一個(gè)較窄的范圍內(nèi)，對(duì)整車經(jīng)濟(jì)性以及NVH性能提升起到了顯著作用。驅(qū)動(dòng)電機(jī)及發(fā)電機(jī)運(yùn)行MAP見圖9、圖10。電機(jī)運(yùn)行點(diǎn)也更集中，系統(tǒng)效率顯著提升。

優(yōu)化后樣車與原車相比，CCBC工況循環(huán)100km車輛耗油量從22.0L下降至17.2L，油耗下降21.8%，NEC的相對(duì)變化量?jī)H略有上升，從-0.28%增加至-2.92%，節(jié)油效果明顯。

4 結(jié)論

1）以整車性能目標(biāo)為導(dǎo)向，提升系統(tǒng)效率為路徑，通過對(duì)樣車系統(tǒng)控制策略優(yōu)化，在滿足車輛駕駛性的前提下，中國(guó)典型城市公交循環(huán)工況油耗顯著下降，達(dá)到了開發(fā)目標(biāo)。

2）樣車測(cè)試分析結(jié)果表明，樣車所配發(fā)動(dòng)機(jī)規(guī)格偏大。根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行工況分布特點(diǎn)，可選用更小排量的發(fā)動(dòng)機(jī)在滿足整車性能前提下節(jié)約車輛成本。

3）樣車動(dòng)力性及NVH性能在控制策略優(yōu)化過程當(dāng)中也得到了較大提升。

4）單行星排式混合動(dòng)力系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了發(fā)動(dòng)機(jī)工作點(diǎn)可調(diào)，為優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)的工作點(diǎn)分布提供了可能，總體來說提升了整車節(jié)油效果且降低了車輛排放。

[1] 杜志良,章棵,黎程等.混合動(dòng)力公交車的駕駛性和經(jīng)濟(jì)性的優(yōu)化開發(fā).汽車安全與節(jié)能學(xué)報(bào).2017(12).

[2] 瞿緒開.單行星排式插電混合動(dòng)力汽車的構(gòu)型分析.吉林大學(xué)碩士論文.2015.

[3] 姚勇.雙行星排式混合動(dòng)力汽車動(dòng)力系統(tǒng)建模與控制策略研究. 見:江蘇大學(xué)碩士論文.2016.

[4] 曹正策.混合動(dòng)力電動(dòng)公交車動(dòng)力系統(tǒng)的研制.武漢理工大學(xué)碩士論文.2004.

[5] 吳湛.基于能量利用率的典型混合動(dòng)力電動(dòng)汽車運(yùn)行性能研究. 見:華南理工大學(xué)碩士論文.2012.

Performance Development on Hybrid Electric Vehicle with Single Planetary Gear

Li Cheng1, Du Zhiliang1, Song Jun1, Yan Chengjian2, Lan Junfu3

( 1.WeiChai Power Co., Ltd., Shanghai R & D Center, Shanghai 201114; 2.Yangzhou Yaxing Motor CoachCo., Ltd., Jiangsu Yangzhou 225116; 3. Fujian Fugong Engineering Technology Co., Ltd, Fujian Xiamen 361100 )

Plug-in hybrid electric vehicle with single planetary gear is an important research field of new energy vehicles. The design and research of the plug-in hybrid electric vehicle with single planetary gear mainly focus on two points. The first is the matching of the main powertrain selection and the second is the division of the vehicle control level and the strategy formulation. If the power system selection appropriate, both to meet the vehicle's dynamic target and economy. In this paper, a self-developed plug-in hybrid electric bus with single planetary gear is taken as the research object. The performance of the prototype is studied and verified by the vehicle test. The economy performance advance 22%.

single planetary gear; hybrid electric vehicle; performance research; vehicle test

U469.7

B

1671-7988(2018)21-75-04

U469.7

B

1671-7988(2018)21-75-04

黎程（1985-），濰柴動(dòng)力上海研發(fā)中心，工程師，研究方向：整車性能開發(fā)。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2018.21.027