張健 王玉林 李志明 耿超

摘要：? 針對(duì)混合動(dòng)力汽車(chē)動(dòng)力模式切換的品質(zhì)控制對(duì)動(dòng)力性能和駕駛性的影響，本文提出了一種新型插電式混合動(dòng)力裝置，實(shí)現(xiàn)了多種動(dòng)力模式?；贏MESim軟件建立插電式混合動(dòng)力行星齒輪系統(tǒng)仿真模型，模擬純電模式下單電機(jī)驅(qū)動(dòng)模式和混合動(dòng)力模式兩種模式的切換過(guò)程，分析車(chē)輛動(dòng)力模式轉(zhuǎn)換過(guò)程，并以驅(qū)動(dòng)模式切換瞬間的電機(jī)轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速和車(chē)速作為車(chē)輛模式切換初始條件，并進(jìn)行模擬仿真分析。仿真結(jié)果表明，在模式切換過(guò)程中，車(chē)輛沖擊小于德國(guó)沖擊限值10 m/s3，證明該模式切換平穩(wěn)且對(duì)整車(chē)影響很小。本文提出的新型混合動(dòng)力系統(tǒng)在滿(mǎn)足動(dòng)力性能要求的前提下，具有較高的模式切換品質(zhì)，對(duì)混合動(dòng)力結(jié)構(gòu)開(kāi)發(fā)具有借鑒意義。

關(guān)鍵詞：? 混合動(dòng)力; 模式切換; AMESim; 沖擊度

中圖分類(lèi)號(hào)： U463.5 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A

插電式混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)（plug in hybrid electric vehicle， PHEV）是傳統(tǒng)汽油車(chē)到純電動(dòng)汽車(chē)的過(guò)渡車(chē)型，它的動(dòng)力源包括發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)[1]，動(dòng)力模式選擇及功率分配是混合動(dòng)力汽車(chē)技術(shù)中的難題之一[2]。目前有關(guān)混合動(dòng)力控制策略的研究在制定混合動(dòng)力車(chē)輛工作模式、模式切換條件[37]和模式切換的協(xié)調(diào)控制[811]等方面打下了基礎(chǔ)?；旌蟿?dòng)力車(chē)輛動(dòng)力模式存在多種形式與組合，因此存在模式切換時(shí)的品質(zhì)評(píng)價(jià)問(wèn)題[12]。目前，許多學(xué)者對(duì)混合動(dòng)力動(dòng)態(tài)過(guò)程控制問(wèn)題進(jìn)行研究。童毅等人[13]提出了“發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩開(kāi)環(huán)+發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩估計(jì)+電機(jī)轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償”的控制算法;I.D.Roy等人[14]提出建立發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)觀測(cè)器，利用汽車(chē)啟動(dòng)發(fā)電一體機(jī)（integrated starter generator， ISG）消除發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩波動(dòng)，以上研究均利用了電機(jī)轉(zhuǎn)矩的快速補(bǔ)償作用。因此，本文基于AMESim軟件，建立插電式混合動(dòng)力行星齒輪系統(tǒng)仿真模型，對(duì)混合動(dòng)力模式切換過(guò)程進(jìn)行研究，以驅(qū)動(dòng)模式切換瞬間的電機(jī)轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速和車(chē)速作為車(chē)輛模式切換初始條件，并進(jìn)行模擬仿真分析。仿真結(jié)果表明，該新型混動(dòng)系統(tǒng)在動(dòng)力模式切換過(guò)程中具有較高的品質(zhì)控制。該方案具有一定的可行性。

1 新型混合動(dòng)力系統(tǒng)

本文提出的新型混合動(dòng)力系統(tǒng)裝置主要包括發(fā)動(dòng)機(jī)、電動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)和單行星排，電機(jī)MG1連接太陽(yáng)輪，發(fā)動(dòng)機(jī)連接到行星架，電機(jī)MG2連接到齒圈，并通過(guò)齒圈向外輸出動(dòng)力。該裝置與豐田Prius的傳動(dòng)系統(tǒng)不同之處在于車(chē)架與行星架之間增加了制動(dòng)器部件，通過(guò)控制制動(dòng)器的接合和斷開(kāi)，切換車(chē)輛的動(dòng)力模式。制動(dòng)器接合時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)和行星架停止工作，車(chē)輛進(jìn)入純電動(dòng)模式，純電動(dòng)模式又分為單電機(jī)驅(qū)動(dòng)和雙電機(jī)共同驅(qū)動(dòng)兩種方式。相較于豐田Prius，新的混合動(dòng)力系統(tǒng)增大了動(dòng)力電池的容量，發(fā)電機(jī)MG1的輸出功率也隨之增大，降低了發(fā)動(dòng)機(jī)的額定功率，不僅可以滿(mǎn)足新標(biāo)準(zhǔn)下的純電動(dòng)續(xù)航范圍要求，而且降低了油耗，利于節(jié)能減排。本文研究的插電式混合動(dòng)力車(chē)型，選用目前市場(chǎng)上某國(guó)產(chǎn)運(yùn)動(dòng)型實(shí)用汽車(chē)（sport utility vehicle， SUV）作為目標(biāo)車(chē)型，其基本參數(shù)及性能指標(biāo)如表1所示。本文提出的插電式混合動(dòng)力汽車(chē)設(shè)計(jì)的性能指標(biāo)如表2所示。新型行星齒輪傳動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

2 傳動(dòng)系統(tǒng)裝置模型建立

本文基于AMESim軟件及圖1中新型傳動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)，建立混合動(dòng)力系統(tǒng)仿真模型，混合動(dòng)力系統(tǒng)仿真模型如圖2所示。圖2中，ICE為發(fā)動(dòng)機(jī);MG1為發(fā)電機(jī);MG2為電動(dòng)機(jī);planetgear為單行星排;C1為減震器;tire為輪胎;differential為差速器;brake command為制動(dòng)信號(hào)。C1為減震器與行星輪系行星架連接，接受來(lái)自發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力，行星架的另一端連接制動(dòng)器，根據(jù)輸入制動(dòng)信號(hào)，結(jié)合與斷開(kāi)制動(dòng)器。

3 系統(tǒng)模型仿真分析

本文研究的混合動(dòng)力汽車(chē)模式切換品質(zhì)主要指沖擊度[15]，而平順性采用沖擊度作為主要評(píng)價(jià)指標(biāo)[16]。模式的切換過(guò)程是實(shí)現(xiàn)各模式及油耗性能和駕駛性能的保證[1719]，提高了燃油效率。針對(duì)不同的行駛工況和電池荷電狀態(tài)（state of charge，SOC），整車(chē)控制系統(tǒng)會(huì)選擇合適的驅(qū)動(dòng)模式[20]，重點(diǎn)計(jì)算發(fā)電機(jī)的扭矩[21]。接下來(lái)分析幾種具有代表性的動(dòng)力模式切換過(guò)程。

3.1 電機(jī)MG1至電機(jī)MG2驅(qū)動(dòng)模式切換

在純電動(dòng)單電機(jī)驅(qū)動(dòng)模式中，當(dāng)由發(fā)電機(jī)MG1驅(qū)動(dòng)切換至MG2驅(qū)動(dòng)時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速和車(chē)速作為初始條件輸入模型，發(fā)電機(jī)和電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩如圖3所示，發(fā)電機(jī)和電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)速如圖4所示，模式切換車(chē)輛速度、加速度和沖擊度如圖5所示。由圖3可以看出，車(chē)輛在0.5 s時(shí)開(kāi)始模式切換，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩增加，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩逐漸下降，當(dāng)電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩在1.3 s時(shí)，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩由0 Nm升至125 Nm之后，趨于穩(wěn)定，發(fā)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩由6.5 Nm降至0 Nm，完成模式切換過(guò)程，此時(shí)車(chē)輛轉(zhuǎn)變?yōu)橛蒑G2單獨(dú)驅(qū)動(dòng);由圖4可以看出，發(fā)電機(jī)和電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速均逐漸增加;由圖5可以看出，車(chē)輛加速度先下降至14.3 m/s2，之后穩(wěn)定。車(chē)輛在此段行駛過(guò)程中的最大沖擊度僅為-0.8 m/s3，小于限值10 m/s3[22]，說(shuō)明此段切換過(guò)程品質(zhì)較高，對(duì)整車(chē)的沖擊度控制在合理范圍內(nèi)。

3.2 電機(jī)MG2至雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)模式切換

在純電動(dòng)模式下，電機(jī)MG2切換至雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)時(shí)將模式切換瞬間的電機(jī)轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速和車(chē)速作為車(chē)輛模式切換仿真的初始條件輸入模型，發(fā)電機(jī)和電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩如圖6所示，發(fā)電機(jī)和電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)速如圖7所示，模式切換車(chē)輛速度、加速度和沖擊度如圖8所示。車(chē)輛在0.5 s時(shí)開(kāi)始切換模式過(guò)程，1.3 s時(shí)完成。由圖6可以看出，電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩初始值為170 Nm，在1.3 s時(shí)降至160 Nm，發(fā)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩值由0 Nm升至14 Nm;由圖7可以看出，發(fā)電機(jī)與電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速均逐漸增加。

由圖8可以看出，車(chē)輛速度增加平緩，此時(shí)由雙電機(jī)共同驅(qū)動(dòng)。在該模式切換期間車(chē)輛的最大沖擊度為-0.3 m/s3，遠(yuǎn)小于10 m/s3，表明此模式切換過(guò)程平緩，且產(chǎn)生的沖擊對(duì)車(chē)輛的影響較小。

3.3 發(fā)動(dòng)機(jī)MG1和MG2至電機(jī)MG1和MG2驅(qū)動(dòng)模式切換

將車(chē)輛由發(fā)動(dòng)機(jī)MG1和MG2驅(qū)動(dòng)至電機(jī)MG1和MG2，驅(qū)動(dòng)模式切換瞬間的電機(jī)轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速和車(chē)速作為車(chē)輛模式切換仿真的初始條件，發(fā)電機(jī)和電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩如圖9所示，發(fā)電機(jī)和電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)速如圖10所示，模式切換車(chē)輛速度、加速度和沖擊度的仿真結(jié)果如圖11所示。在0.5 s時(shí)開(kāi)始模式切換過(guò)程，在1.3 s時(shí)完成。

由圖9可以看出，發(fā)動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)和電動(dòng)機(jī)初始輸出轉(zhuǎn)矩值分別為40 ，39 ，67 Nm，在1.3 s左右時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩降至0 Nm，發(fā)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩升至94 Nm，電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩升至85 Nm;由圖10可以看出，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速降至零停止工作，MG1和MG2轉(zhuǎn)速均逐漸增加，此時(shí)車(chē)輛由雙電機(jī)驅(qū)動(dòng);由圖11可以看出，車(chē)速逐漸下降且下降平緩，車(chē)輛在此段行駛過(guò)程中的最大沖擊度僅為-0.6 m/s3，表明此切換過(guò)程對(duì)整車(chē)的沖擊度控制在合理范圍內(nèi)。

3.4 電機(jī)MG2至電機(jī)MG1驅(qū)動(dòng)模式切換

在純電動(dòng)單電機(jī)驅(qū)動(dòng)模式下，當(dāng)電機(jī)MG2切換至電機(jī)MG1時(shí)，以切換瞬間的電機(jī)轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速和車(chē)速作為模式切換仿真的初始條件輸入模型，發(fā)電機(jī)和電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩如圖12所示，發(fā)電機(jī)和電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)速如圖13所示，模式切換車(chē)輛速度、加速度和沖擊度如圖14所示。

車(chē)輛在0.5 s時(shí)開(kāi)始模式切換過(guò)程，在1.3 s時(shí)模式切換過(guò)程完畢。由圖12可以看出，電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩由140 Nm降至0 Nm，發(fā)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩由0 Nm升至23 Nm;由圖13可以看出，MG1和MG2的轉(zhuǎn)速均逐漸增加。

由圖14可以看出，車(chē)輛速度緩慢增加，車(chē)輛加速度在模式切換開(kāi)始時(shí)逐漸增加1.3 s模式切換完成后穩(wěn)定。車(chē)輛此段行駛過(guò)程中的最大沖擊度為0.7 m/s3，表明此切換過(guò)程對(duì)整車(chē)的沖擊度控制在合理范圍內(nèi)。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了一種新型插電式混合動(dòng)力系統(tǒng)，根據(jù)新型混合動(dòng)力系統(tǒng)原理圖，建立了車(chē)輛動(dòng)力模式切換的AMESim仿真模型，利用進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)循環(huán)工況過(guò)程中動(dòng)力模式切換瞬間的發(fā)動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)和電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速及車(chē)速數(shù)據(jù)作為輸入的初始條件，對(duì)幾種有代表性的動(dòng)力模式切換過(guò)程模擬仿真。仿真結(jié)果表明，選取的幾種模式切換過(guò)程中車(chē)輛無(wú)動(dòng)力中斷，且車(chē)輛動(dòng)力模式切換過(guò)程對(duì)整車(chē)的沖擊影響很小，能夠?qū)崿F(xiàn)高品質(zhì)的動(dòng)力模式切換。該研究能夠高品質(zhì)的實(shí)現(xiàn)多種動(dòng)力模式的控制與切換，對(duì)以后混合動(dòng)力系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)具有參考意義。

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