俞翔

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一種混合動力汽車動力驅(qū)動系統(tǒng)架構(gòu)及其控制方法研究

俞翔

（同濟(jì)大學(xué)汽車學(xué)院，上海 201804）

為了方便整車總布置，同時(shí)提高整車動力系統(tǒng)效率，對動力系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一套布置合理的架構(gòu)；為了充分發(fā)揮混合動力公交車的動力性及經(jīng)濟(jì)性優(yōu)勢，讓發(fā)動機(jī)、電機(jī)、變速箱、離合器等各部件相互協(xié)調(diào)工作提高整車行駛安全性，同時(shí)又兼顧保護(hù)電池的功能，特開發(fā)了一套科學(xué)合理的控制策略。

混合動力汽車；動力系統(tǒng)架構(gòu)；控制方法

1 背景技術(shù)

現(xiàn)代社會中，隨著汽車工業(yè)的不斷發(fā)展，各種節(jié)能降耗技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用得越來越廣泛，作為節(jié)能降耗技術(shù)中最突出和實(shí)用的技術(shù)就是油電混合動力技術(shù)。

目前按動力傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)不同，混合動力汽車可分為串聯(lián)混合動力汽車、并聯(lián)混合動力汽車和混聯(lián)式混合動力汽車三類。其中，串聯(lián)式電機(jī)是唯一的動力源，能量轉(zhuǎn)換效率低；并聯(lián)式發(fā)動機(jī)的變化受到車輛工況的影響大，故排放性較差；傳統(tǒng)的混聯(lián)式可以充分利用串聯(lián)式和并聯(lián)式的優(yōu)點(diǎn)，確保發(fā)動機(jī)和電動機(jī)基本上工作在經(jīng)濟(jì)區(qū)域，雖然大大提高車輛的經(jīng)濟(jì)性，但其結(jié)構(gòu)和控制復(fù)雜，對于整車布置和靈活的控制都有一定難度[1-4]。

同時(shí)目前大多電動車輛沒有考慮電池包的預(yù)熱，以致在極度寒冷地區(qū)，氣溫低于電池放電溫度，使電池?zé)o法有效放電，車輛無法使用。

以上種種問題，都給混合動力技術(shù)在車輛上的推廣應(yīng)用帶來了很大的障礙。

2 主要研究內(nèi)容

現(xiàn)提供一種能夠有效提高整車動力系統(tǒng)效率、結(jié)構(gòu)合理簡單、兼顧動力性和經(jīng)濟(jì)性、節(jié)能降耗、提高行車安全性、工作性能穩(wěn)定可靠、方便整車布置、適用范圍較為廣泛的混合動力車輛中的動力驅(qū)動系統(tǒng)架構(gòu)及其控制方法。

在實(shí)際使用當(dāng)中，本系統(tǒng)架構(gòu)及控制方法的基本思想是為了方便整車總布置，同時(shí)提高整車動力系統(tǒng)效率，對動力系統(tǒng)進(jìn)行布置合理的架構(gòu)設(shè)計(jì)，同時(shí)為了充分發(fā)揮混合動力公交車的動力性及經(jīng)濟(jì)性優(yōu)勢，讓發(fā)動機(jī)、電機(jī)、變速箱、離合器等各部件相互協(xié)調(diào)工作提高整車行駛安全性，同時(shí)又兼顧保護(hù)電池的功能，因此提供了一套科學(xué)合理的控制策略。

該策略既可滿足車輛在各工況下的動力性能，又考慮到城市公交車的實(shí)際行駛條件和電機(jī)、發(fā)動機(jī)各自性能特性，使各動力部件盡可能工作在高效區(qū)域，從而達(dá)到了提高整車行駛經(jīng)濟(jì)性的目的。并根據(jù)使用過程中電池電量的多少，可及時(shí)補(bǔ)充電量或禁止回饋，防止電池過放或過充，達(dá)到保護(hù)電池的目的。及時(shí)給電池包預(yù)熱，使其在極度寒冷地區(qū)仍可使用。

所述的混合動力車輛主要?jiǎng)恿ο到y(tǒng)組成：發(fā)動機(jī)、發(fā)電機(jī)、驅(qū)動電機(jī)、自動離合器、自動變速箱、雙輸入后橋。

在混聯(lián)式混合動力客車中，有3個(gè)動力單元，分別是發(fā)動機(jī)、驅(qū)動電機(jī)、發(fā)電機(jī)，整車結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，為了方便整車部件布置，同時(shí)減少動力傳遞過程中能量損失，動力系統(tǒng)中采用雙輸入后橋，將發(fā)動機(jī)和驅(qū)動電機(jī)兩個(gè)動力單元分置于后橋的兩端，利于整車總布置，且動力直接傳到后橋可減少動力傳遞損失。

混合動力客車整車動力系統(tǒng)可分兩路輸出，兩路可獨(dú)立工作，互不影響，該兩路動力輸出路線如下：

（1）動力路線1：驅(qū)動電機(jī)——自動變速箱——傳動軸——雙輸入后橋——車輪；

（2）動力路線2：發(fā)動機(jī)——自動離合器——發(fā)電機(jī)——自動變速箱——傳動軸——雙輸入后橋——車輪；

該混合動力客車的控制策略中驅(qū)動模式主要是基于車輛運(yùn)行工況、電池電量（SOC）、車速V、油門踏板開度等相關(guān)信息制定；對各部件協(xié)同工作能力控制的關(guān)鍵是對自動變速箱、自動離合器的有效控制[5-6]。

以上兩路動力路線中均為電控自動變速箱，能更好的控制其換擋時(shí)機(jī)，更有效的控制動力單元工作于經(jīng)濟(jì)高效區(qū)域。

對自動離合器的分離與結(jié)合時(shí)機(jī)進(jìn)行合理控制，使發(fā)動機(jī)啟動、換擋更為平順、快捷，同時(shí)可對發(fā)動機(jī)參與工作時(shí)機(jī)進(jìn)行更好的控制，減少動力損失。

對于混合動力汽車，在保證動力性的前提下，關(guān)鍵的控制因素是發(fā)動機(jī)的功率輸出始終保證在其經(jīng)濟(jì)性區(qū)域，充分利用電機(jī)低速大扭矩的特性，當(dāng)車輛處于低速、啟動、怠速工況時(shí)，利用電機(jī)驅(qū)動來避開發(fā)動機(jī)的高油耗區(qū)[6]。

在特殊工況下，當(dāng)驅(qū)動電機(jī)動力不足時(shí)，發(fā)電機(jī)驅(qū)動為車輛驅(qū)動助力，發(fā)電機(jī)加入驅(qū)動的時(shí)機(jī)判斷條件為油門踏板開度α持續(xù)n秒。

圖2 混合動力車輛中的動力驅(qū)動控制方法的整體工作流程示意圖

充分利用電機(jī)高速恒功率及整個(gè)調(diào)速范圍內(nèi)效率較高的特性，當(dāng)電池電量較高時(shí)，全程電機(jī)驅(qū)動，達(dá)到節(jié)能環(huán)保的目的。

當(dāng)電池電量低于某值時(shí)，發(fā)動機(jī)和發(fā)電機(jī)均工作于其經(jīng)濟(jì)區(qū)域，為電池充電，防止電池過放；當(dāng)電池電量高于某值時(shí)，禁止制動回饋，防止電池過充。

如檢測電池溫度過低或車輛有暖風(fēng)需求均啟動發(fā)動機(jī)工作，由其水暖系統(tǒng)給電池包預(yù)熱或給整車提供暖風(fēng)。

整車控制方式中，控制方法中根據(jù)電池電量、車速判斷，將車輛驅(qū)動模式分為：純電機(jī)驅(qū)動模式，串聯(lián)驅(qū)動模式，混聯(lián)驅(qū)動模式及制動回饋工作模式[6]。

根據(jù)發(fā)動機(jī)、發(fā)電機(jī)、驅(qū)動電機(jī)各動力單元性能特性，根據(jù)車輛所需求的工作工況來分析其驅(qū)動模式：

（1）純電動模式，一般都是驅(qū)動電機(jī)單獨(dú)驅(qū)動，當(dāng)需要爬大坡（大于）時(shí)，根據(jù)油門開度大小及持續(xù)時(shí)間（油門開度持續(xù)n秒），來判斷發(fā)電機(jī)加入驅(qū)動的時(shí)機(jī)。

（2）串聯(lián)模式，常規(guī)是發(fā)動機(jī)運(yùn)行于經(jīng)濟(jì)區(qū)域，發(fā)電機(jī)運(yùn)行于高效區(qū)發(fā)電，驅(qū)動電機(jī)驅(qū)動；在特殊工況下（比如爬大坡），發(fā)電機(jī)由發(fā)電轉(zhuǎn)為驅(qū)動，為車輛助力，發(fā)動機(jī)怠速。

（3）混聯(lián)模式，純發(fā)動機(jī)驅(qū)動，發(fā)動機(jī)工作于其經(jīng)濟(jì)區(qū)域，高于需求部分功率用來發(fā)電，根據(jù)油門開度大小及持續(xù)時(shí)間（油門開度持續(xù)n秒）來判斷發(fā)電機(jī)是否發(fā)電。

（4）制動回饋模式，在踩制動踏板時(shí)進(jìn)行制動能量回收，利用制動前給車輛起驅(qū)動作用的電機(jī)（發(fā)電機(jī)）來回饋制動能量，根據(jù)電池電量及制動踏板深度來確定回饋量多少。

3 結(jié)論

混合動力車輛中的動力驅(qū)動系統(tǒng)架構(gòu)及其控制方法，由于其中采用了雙輸入橋的方式，從而使得混合動力客車動力系統(tǒng)架構(gòu)更為合理，對自動變速箱及自動離合器的工作時(shí)機(jī)及工作狀態(tài)合理控制，使各動力單元更好的協(xié)同工作，并根據(jù)車輛實(shí)際工作工況確定各動力單元工作狀態(tài)，使車輛有較好的動力性能，而且兩路動力路線可各自獨(dú)立工作，且各自均有獨(dú)立驅(qū)動車輛的能力，驅(qū)動有較大的靈活性和完整性，同時(shí)能夠根據(jù)車輛實(shí)際工況及驅(qū)動電機(jī)和發(fā)動機(jī)各自性能特性確定各自工作時(shí)機(jī)，以使電機(jī)和發(fā)動機(jī)均工作于其高效區(qū)，從而使車輛有較好的經(jīng)濟(jì)性能，達(dá)到節(jié)能的目的，還能夠確保各模式下動力系統(tǒng)的協(xié)調(diào)工作狀態(tài)，保證車輛的行駛安全性；不僅如此，控制方法對電池的及時(shí)充電及制動回饋狀態(tài)控制，防止其過充過放，有效保護(hù)了電池，同時(shí)能夠及時(shí)給電池包預(yù)熱，擴(kuò)大了車輛的使用地區(qū)，并利用發(fā)動機(jī)水暖系統(tǒng)給整車提供暖風(fēng)，節(jié)省了車輛能源，從而提高了行車安全系數(shù)，工作性能穩(wěn)定可靠，方便整車布置，適用范圍較為廣泛，為混合動力技術(shù)的不斷推廣應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

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The structure and control method research of power train system onhybrid electric vehicles

Yu Xiang

( School of Automotive, Tongji University, Shanghai 201804 )

In order to facilitate the general arrangement, and at the same time, improve the efficiency of power train system, design a set of layout reasonable framework for the power train system; In order to give full play to the hybrid bus, the dynamic performance and economic advantage, let the engine, electric motor, gearbox, clutch and so on various parts coordination work to improve the vehicle running safety, as well as protect the function of the batteries, especially developed a set of scientific and reasonable control strategy.

hybrid electric vehicles; power train system architecture; control method

U469.7

A

1671-7988(2019)09-29-03

U469.7

A

1671-7988(2019)09-29-03

俞翔，男，就讀于同濟(jì)大學(xué)汽車學(xué)院，研究方向：新能源汽車。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.09.008