石田俊雄， 李 圓， 張倍堅， 周 友， 劉學(xué)武

（廣州汽車集團股份有限公司汽車工程研究院， 廣東 廣州 511434）

1 前言

為了提高汽車燃油經(jīng)濟性，滿足日益嚴(yán)苛的排放法規(guī)［1，2］，在傳統(tǒng)燃油車動力總成結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上增加驅(qū)動電機構(gòu)成了并聯(lián)混動系統(tǒng)，達到節(jié)能減排目標(biāo)。根據(jù)電機布置位置不同可分為P0、P1、P2、P2.5、P3、P4及組合方案。并聯(lián)混動系統(tǒng)在原總動基礎(chǔ)上進行開發(fā)，開發(fā)成本及開發(fā)風(fēng)險大幅降低［3，4］。其中，P2混動方案的結(jié)構(gòu)如圖1所示，電機布置在發(fā)動機與變速器之間，可實現(xiàn)純電驅(qū)動、啟動發(fā)動機、制動能量回收及發(fā)動機工況點調(diào)節(jié)等功能，單電機P2方案在燃油經(jīng)濟性、開發(fā)成本及系統(tǒng)改動等方面綜合優(yōu)勢明顯，是目前應(yīng)用最廣泛的并聯(lián)混動方案。

圖1 P2混動結(jié)構(gòu)示意圖

P2電機布置有偏置布置和同軸布置兩種方案（圖2），其中偏置布置的動總軸向尺寸較小，有利于動總在整車上搭載，鏈傳動或帶傳動速比可適當(dāng)降低電機扭矩需求；同軸布置方案更方便與變速器集成，如基于AT的P2混動變速器在原液力變矩器的位置集成P2電機，基于DCT的P2混動變速器把C0離合器、雙離合器及電機集成為一個模塊等，因此，P2電機同軸布置方案集成度更高，有利于提升混動變速器傳動效率等。

圖2 P2混動電機布置方案

燃油車及純電動車的動總匹配通過最高車速、最大爬坡度、加速性能等指標(biāo)，確定動力源的額定功率扭矩、變速器速比等［5-9］。P2混動車型發(fā)動機和電機協(xié)同工作，包括發(fā)動機、電機單獨驅(qū)動、電機行車充電、電機助力、電機啟動發(fā)動機等多種工作模式，發(fā)動機與電機參數(shù)選擇直接決定不同模式下整車動力性能、經(jīng)濟性能及駕駛性能。48V系統(tǒng)具有成本低、系統(tǒng)成熟等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于P0混動系統(tǒng)上。同時，相比高壓系統(tǒng)，48V系統(tǒng)在額定功率扭矩上性能有限，當(dāng)其應(yīng)用于P2混動時，應(yīng)著重考慮48V電機電池與動總發(fā)動機、變速器的匹配性，使之滿足整車動力性經(jīng)濟性及駕駛性要求。

本文針對某A級P2混動車型，從純電模式下最高車速、最大爬坡度及加速性能等指標(biāo)出發(fā)，制定P2混動電機、電池匹配設(shè)計方案，結(jié)合WLTC工況需求功率扭矩統(tǒng)計數(shù)據(jù)，完成電機電池參數(shù)修正；通過搭建整車動力學(xué)模型，完成48VP2混動動力總成匹配驗證。

2 48V P2混動動總匹配設(shè)計

P2混動車型一般在燃油車型的基礎(chǔ)上進行改型：增加電機、電池組及相關(guān)控制模塊等。P2混動車輛發(fā)動機與電機最大輸出扭矩超過了變速器限扭，因此，P2混動的最高車速及爬坡性能不低于對應(yīng)的燃油車版本，不能作為電機選型依據(jù)，在此以純電模式相關(guān)指標(biāo)確定電機參數(shù)，在結(jié)合整車WLTC工況需求功率扭矩統(tǒng)計數(shù)據(jù)最終確定電機及電池參數(shù)。

2.1 WLTC工況需求功率扭矩統(tǒng)計分析

在此以搭載1.5TG發(fā)動機、7速濕式雙離合變速器某A級轎車為基礎(chǔ)，進行P2混動車型電機、電池的匹配設(shè)計研究。發(fā)動機、變速器及整車參數(shù)如表1所示。發(fā)動機特性數(shù)據(jù)、變速器傳動效率通過效率試驗實測得到。

表1 發(fā)動機、 變速器及整車參數(shù)

通過對燃油車型仿真分析獲得WLTC工況下動力源的需求功率及需求扭矩，如圖3所示。低速工況 （車速小于100km/h） 統(tǒng)計數(shù)據(jù)如表2所示，可以發(fā)現(xiàn)，WLTC工況對動力端功率需求敏感性更高，輸出功率大于20kW、輸出扭矩大于100Nm才能滿足90%以上工況點功率扭矩需求。

圖3 WLTC工況整車需求扭矩及需求功率

表2 WLTC低速工況（車速＜100km/h）整車需求功率/扭矩占比

2.2 電機參數(shù)匹配設(shè)計

電機主要用于純電驅(qū)動、啟動發(fā)動機、輔助發(fā)動機工作及制動能量回收。通過純電最高車速、純電最大爬坡度及制動能量回收性能確定電機參數(shù)。

2.2.1 電機參數(shù)匹配設(shè)計

1） 純電最高車速

最大需求功率可表示為：

式中：vEV_V——純電最高車速；m——滿載質(zhì)量；f——滾動阻力系數(shù)；cD——空氣阻力系數(shù)；A——迎風(fēng)面積；ηT——總傳動效率。

對于48V P2混動車型，假設(shè)純電模式最高車速vEV_V=50km/h，根據(jù)式（1）得到電機的需求功率為PEV_V= 15.78kW，根據(jù)換擋圖，在50km/h時擋位為5擋，得到電機需求扭矩為TEV_V=98.54Nm。

2） 純電最大爬坡度

純電穩(wěn)態(tài)車速最大爬坡度為α，根據(jù)整車動力學(xué)建立電機需求扭矩可表示為：

式中：vEV_C——爬坡時穩(wěn)定車速；Rtire——輪胎滾動半徑；i1——變速器一擋速比。

根據(jù)式（2）計算得到純電模式下穩(wěn)定車速vEV_C=10km/h，爬坡度α=20°時的電機需求扭矩為TEV_C=120.26Nm，得到的電機需求功率為PEV_C=16.26kW。

3） 純電加速性能

一般以百公里加速時間作為評價指標(biāo)，然而對于混動車輛，若整車需求扭矩大于電機最大輸出扭矩將啟動發(fā)動機，故設(shè)置工況點檢查純電模式加速性能。設(shè)工況點車速為vEV_A，加速度為a，則電機需求扭矩可表示為：

式中：δm——等效整車質(zhì)量，滿足δm=m+；i2——變速器速比。

假設(shè)工況點車速vEV_A=20km/h，加速度a=0.2g，對應(yīng)的油門開度下變速器擋位為2擋，根據(jù)式（3）計算得到電機需求扭矩為TEV_A=124.11Nm，電機需求功率為PEV_A=12.05kW。

4） 電機與發(fā)動機匹配

通過純電模式最高車速、最大爬坡度及加速性能要求，得到電機的扭矩、功率要求為：

滿足條件1） ～3） 電機需求扭矩TEV=124.11Nm，需求功率PEV=15.78kW。由于P2電機用于啟動發(fā)動機，發(fā)動機的啟動力矩至少為15Nm，則確定電機需求扭矩TEV=139.11Nm；純電行駛過程中，電機需帶動油泵、空調(diào)壓縮機等附件，假設(shè)附件功率損失為0.84kW，則電機需求功率為PEV=16.62kW。

結(jié)合表2中WLTC低速工況整車需求功率和需求扭矩可知，確定電機的額定功率為20kW、額定扭矩為150Nm時，可滿足WLTC低速工況90%工況點功率扭矩需求。同時，由于P2混動取消了發(fā)動機怠速，發(fā)動機在轉(zhuǎn)速小于怠速轉(zhuǎn)速時不啟動，因此希望電機恒扭轉(zhuǎn)速區(qū)間覆蓋發(fā)動機怠速轉(zhuǎn)速，20kW/150Nm電機恒扭轉(zhuǎn)速區(qū)間為0～1273r/min，發(fā)動機怠速轉(zhuǎn)速800r/min，滿足要求。

5） 制動能量回收

圖3中需求功率及需求扭矩負(fù)值為電機的制動需求功率和需求扭矩，可以發(fā)現(xiàn)，電機作為發(fā)電機的額定轉(zhuǎn)矩Tgen=-150Nm，額定功率Pgen=-20kW可以滿足WLTC工況90%制動工況點需求。

由于48V電機額定扭矩一般限制在100Nm以內(nèi)，推薦電機偏置布置，若鏈傳動速比i=3，則確定電機參數(shù)為：額定功率20kW、額定扭矩50Nm。WLTC工況發(fā)動機最高轉(zhuǎn)速為6000r/min，則確定電機最高轉(zhuǎn)速18000r/min。

根據(jù)上述各工況計算得到48V-ISG永磁同步電機各項參數(shù)，具體參數(shù)如表3所示。

表3 電機基本性能參數(shù)

2.3 電池參數(shù)匹配設(shè)計

1） 電池的額定功率

逆變器及電機存在功率損失，為保證電機輸出額定功率，電池放電功率需滿足：

式中：ηDCAC——逆變器效率；ηM——電機效率。假設(shè)ηDCAC=90%、ηM=90%，得到電池的額定功率PBattery=24.69kW。

2） 電池能量及容量

車輛在純電模式下以車速vcs行駛里程為S，電池電量消耗ΔSOC，根據(jù)純電行駛里程計算電池的能量EB和容量CB，方程式可表示為：

式中：Pcs——車輛以車速vcs等速行駛所需功率；U=48V——電池組電壓。假設(shè)vcs=50km/h，S=5km，ΔSOC=0.9，計算得到EB=2.74kWh，電池容量CB=57Ah。電池組的具體參數(shù)如表4所示。

3 P2混動匹配仿真分析

3.1 整車仿真模型

根據(jù)動力學(xué)原理建立P2混動整車動力學(xué)模型［10-12］，如圖4所示。模型包括機械部分和控制部分。其中機械部分有發(fā)動機及電機模型、電池等效電路模型、傳動系統(tǒng)模型、整車模型等子系統(tǒng)；控制部分有駕駛員模型、混動能量管理、換擋控制等3個模塊?？刂撇糠指鶕?jù)駕駛員模型的油門、制動信號，以及機械部分的反饋等作出決策，輸出發(fā)動機和電機需求扭矩、離合器C0接合/分離狀態(tài)請求、變速器需求擋位及機械制動扭矩等控制參數(shù)。

表4 電池基本性能參數(shù)

混動控制系統(tǒng)的核心是能量管理［13-16］，完成發(fā)動機及電機扭矩分配決策。根據(jù)電機介入情況把P2混動驅(qū)動工作狀態(tài)劃分為：純電模式（EV）、行車充電（LMP）、發(fā)動機單獨驅(qū)動（Engine） 及電機助力（eBoost）、制動能量回收（Regenerative Brake）、機械制動等6種工作模式。具體的模式切換如圖5所示。根據(jù)整車需求扭矩、轉(zhuǎn)速及電池電量建立模式切換判定模型，對于具體的模式，搭建不同的扭矩分配模型。

為了維持電池電量平衡，需要根據(jù)電池電量對模式切換行進了修正。行車過程中發(fā)動機啟動是能量管理策略的難點，當(dāng)以下3個條件之一滿足時，啟動發(fā)動機：①電池電量過低；②整車需求扭矩超過電機峰值扭矩；③車速及整車需求扭矩超過設(shè)定值。

3.2 動力性經(jīng)濟性仿真分析

以表1給定的發(fā)動機、變速器及整車參數(shù)、表3和表4選定的電機電池參數(shù)進行仿真分析，得到的動力性經(jīng)濟性指標(biāo)如表5所示。

表5 P2混動動力性經(jīng)濟性仿真結(jié)果

從表5中仿真分析結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)：在動力性方面，相同配置的燃油車型與48V P2混動車型動力性相差不大，主要原因為變速器限扭250Nm，電機與發(fā)動機外特性扭矩之和超過了變速器限扭但仍然只能輸出250Nm合扭矩，限制了混動車型動力性能發(fā)揮。在40-80km/h超車加速性能指標(biāo)上，P2混動稍差與燃油車，原因在于：在車速為40km/h時，P2混動處于純電模式，急踩油門需要啟動發(fā)動機，啟動發(fā)動機過程大約為1.2s，在啟動發(fā)動機過程中，電機輸出扭矩小于燃油車中發(fā)動機的輸出扭矩，造成40-80km/h加速時間指標(biāo)上P2混動車型大于燃油車，對于其他超車加速度指標(biāo)，由于P2混動電機與發(fā)動機輸出合扭矩等于變速器限扭，與燃油車發(fā)動機單獨輸出扭矩大致相等，因此，加速時間大致相同。

在經(jīng)濟性方面，48V P2混動車型WLTC工況油耗為4.89L/100km，比燃油車型6.08L/100km 提高了19.57%，WLTC工況仿真結(jié)果如圖6所示。P2混動從3個方面進行節(jié)油：①電機實時啟動發(fā)動機，取消了發(fā)動機怠速工況；②電機制動能量回收；③發(fā)動機工況點調(diào)節(jié)。當(dāng)發(fā)動機啟動后，若工況點落在發(fā)動機燃油經(jīng)濟區(qū)間時采用發(fā)動機直驅(qū)模式；若工況點在發(fā)動機燃油經(jīng)濟區(qū)之下，進入行車充電模式，發(fā)動機工作在最優(yōu)燃油經(jīng)濟曲線上，多余扭矩用于電機發(fā)電儲存在電池中；若工況點在發(fā)動機燃油經(jīng)濟區(qū)之上，進入電機助力模式，發(fā)動機工作在最優(yōu)燃油經(jīng)濟曲線上，不足扭矩通過電機驅(qū)動提供。以上3部分節(jié)油效果如表6所示。

從表6可以發(fā)現(xiàn)，由于WLTC工況停車工況較少，取消怠速節(jié)油占比為12.6%；同時減速工況較多，則制動能量回收節(jié)油占比80.7%；WLTC工況車速變化較大，需要頻繁啟停發(fā)動機，電機對發(fā)動機工況點調(diào)節(jié)節(jié)油效果不明顯，也從側(cè)面證明電機電池參數(shù)對WLTC工況節(jié)油影響有限。后續(xù)工作將從駕駛性出發(fā)，研究電機電池對P2混動駕駛性能影響。

4 結(jié)論

本文針對某搭載1.5TG發(fā)動機、7速濕式雙離合變速器的48V P2混動A級車型，完成了電機電池參數(shù)匹配設(shè)計，并搭建了P2混動整車動力學(xué)模型及能量管理策略，通過動力性經(jīng)濟性仿真分析，驗證了電機電池選型方案，得到了如下結(jié)論。

圖6 WLTC工況P2混動仿真結(jié)果

表6 WLTC工況P2混動節(jié)油原理分析 （油耗單位L/100km）

1） 以48V P2混動車型純電模式下最高車速、最大爬坡度、加速性能及WLTC工況驅(qū)動及制動需求功率扭矩統(tǒng)計，制定了電機電池參數(shù)選擇方案。確定電機額定功率20kW、額定扭矩150Nm，可滿足90%WLTC工況功率扭矩需求，受制于48V電機扭矩限制，48V P2電機只能采用偏置布置，若帶傳動速比為3，電機額定扭矩可降低到50Nm；通過電機額定功率、純電里程確定電池額定輸出功率及電能、電量等。

2） P2混動動力性經(jīng)濟性仿真結(jié)果表明，由于變速器限扭，48V P2混動車型動力性與相同配置燃油車型大致相同，但經(jīng)濟性大幅提高，WLTC工況油耗降低19.57%。

3） P2混動WLTC工況節(jié)油原理分析表明，P2混動主要通過取消發(fā)動機怠速、發(fā)動機工況點節(jié)油及制動能量回收實現(xiàn)，WLTC工況制動能量回收節(jié)油效果明顯，取消發(fā)動機怠速次之，電機對發(fā)動機工況點調(diào)節(jié)效果較差，從側(cè)面表明WLTC工況油耗對電機電池參數(shù)選擇不敏感。