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        某PHEV 車(chē)型動(dòng)力總成的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)

        2021-03-05 07:12:02許永紅章國(guó)光潘奕然吳肇蘇
        汽車(chē)電器 2021年2期
        關(guān)鍵詞:發(fā)動(dòng)機(jī)

        許永紅, 章國(guó)光, 潘奕然, 吳肇蘇

        (東風(fēng)汽車(chē)公司技術(shù)中心, 湖北 武漢 430058)

        1 引言

        汽車(chē)工業(yè)的發(fā)展、汽車(chē)保有量的增加,以及石油資源的枯竭和環(huán)境的污染,對(duì)傳統(tǒng)汽車(chē)工業(yè)提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn),遵循能源發(fā)展形勢(shì)及能源發(fā)展戰(zhàn)略,研發(fā)和使用節(jié)能減排的新能源汽車(chē)已經(jīng)成為解決能源和環(huán)境問(wèn)題的必由之路。插電式混合動(dòng)力汽車(chē)(Plug-in hybrid electric vehicle,簡(jiǎn)稱PHEV),是介于純電動(dòng)汽車(chē)與燃油汽車(chē)兩者之間的一種新能源汽車(chē),兼顧了純電動(dòng)車(chē)和燃油車(chē)的優(yōu)勢(shì),既可實(shí)現(xiàn)純電動(dòng)零排放行駛,也能通過(guò)混動(dòng)模式增加車(chē)輛的續(xù)駛里程,是解決排放問(wèn)題的一個(gè)重要手段。

        目前已量產(chǎn)的插電式混合動(dòng)力汽車(chē)有豐田PRIUS PHEV、通用VOLT、三菱歐藍(lán)德PHEV、比亞迪唐等。東風(fēng)也開(kāi)發(fā)了插電式SUV車(chē)型。本文對(duì)東風(fēng)某插電式SUV車(chē)型混合動(dòng)力總成結(jié)構(gòu)、控制策略等進(jìn)行分析討論。

        2 東風(fēng)PHEV混合動(dòng)力系統(tǒng)構(gòu)成

        混合動(dòng)力系統(tǒng)將發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力和電機(jī)動(dòng)力通過(guò)電氣線路和耦合器耦合,并向車(chē)輪傳遞,是PHEV車(chē)型核心的關(guān)鍵技術(shù)[1]。

        東風(fēng)某插電式SUV車(chē)型配置的HP2多?;旌蟿?dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示,由電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、高壓供電系統(tǒng)兩部分構(gòu)成。電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由驅(qū)動(dòng)電機(jī)、發(fā)電機(jī)、雙電機(jī)控制器、集成的DCDC、多模變速箱構(gòu)成。高壓供電系統(tǒng)由動(dòng)力電池包構(gòu)成。其中,發(fā)動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)、驅(qū)動(dòng)電機(jī)分別與減速箱的3個(gè)輸入軸連接。在不同工況下,發(fā)動(dòng)機(jī)、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、電動(dòng)機(jī)的動(dòng)力在減速箱耦合后,輸出到差速器,驅(qū)動(dòng)車(chē)輪。

        HP2多模混合動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,擯棄了結(jié)構(gòu)復(fù)雜的動(dòng)力分配裝置及機(jī)電耦合系統(tǒng),采用兩個(gè)小型電機(jī)分別驅(qū)動(dòng),可有效減少單電機(jī)驅(qū)動(dòng)時(shí)電機(jī)功率及電機(jī)體積,占用空間小,傳動(dòng)效率高。

        圖1 多模混合動(dòng)力系統(tǒng)

        2.1 電機(jī)系統(tǒng)

        電機(jī)系統(tǒng)包括驅(qū)動(dòng)電機(jī)總成、發(fā)電機(jī)總成、集成DCDC的雙電機(jī)控制器總成。

        驅(qū)動(dòng)電機(jī)總成和發(fā)電機(jī)總成均采用永磁同步電機(jī)方案,雙電機(jī)控制器可以同時(shí)控制發(fā)電機(jī)、驅(qū)動(dòng)電機(jī)按整車(chē)策略工作,滿足整車(chē)驅(qū)動(dòng)與發(fā)電功能需求。東風(fēng)某插電式SUV發(fā)動(dòng)機(jī)取消了啟動(dòng)機(jī)配置,車(chē)輛啟動(dòng)時(shí),發(fā)電機(jī)通過(guò)減速箱里的齒輪副,帶動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)飛輪旋轉(zhuǎn),啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī),實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)啟停功能。在車(chē)輛電池電量低于某值時(shí),發(fā)動(dòng)機(jī)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電,給驅(qū)動(dòng)電機(jī)及動(dòng)力電池供電,實(shí)現(xiàn)發(fā)電及串聯(lián)驅(qū)動(dòng)功能。表1列出了電機(jī)總成主要性能參數(shù)。

        表1 電機(jī)總成技術(shù)參數(shù)

        DCDC總成集成在控制器中,替代了發(fā)動(dòng)機(jī)上的發(fā)電機(jī)功能,將動(dòng)力電池350V高壓電轉(zhuǎn)化為12V低壓電,保證整車(chē)儀表、燈具、各類(lèi)控制器等低壓用電設(shè)備正常工作。表2列出了電機(jī)控制器及DCDC總成主要技術(shù)參數(shù)。

        表2 電機(jī)控制器集成DCDC總成技術(shù)參數(shù)

        2.2 機(jī)電耦合系統(tǒng)

        HP2多?;旌蟿?dòng)力系統(tǒng)機(jī)電耦合器采用了固定速比式多模變速器方案,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,成熟可靠。圖2展示了多模變速器工作原理。在整車(chē)中低速運(yùn)行時(shí),變速器內(nèi)部離合器分離,整車(chē)進(jìn)入EV模式(電池電量充足,由驅(qū)動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)車(chē)輛)、RE-EV模式(電池電量不足,發(fā)動(dòng)機(jī)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電,由驅(qū)動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)車(chē)輛);在整車(chē)高速運(yùn)行時(shí),變速器內(nèi)部離合器結(jié)合,整車(chē)進(jìn)入HEV模式(發(fā)動(dòng)機(jī)、驅(qū)動(dòng)電機(jī)可同時(shí)驅(qū)動(dòng)車(chē)輛)。多模變速器技術(shù)參數(shù)表見(jiàn)表3。

        圖2 多模變速器工作原理

        表3 多模變速器主要技術(shù)參數(shù)

        2.3 動(dòng)力電池

        圖3所示為HP2多模動(dòng)力系統(tǒng)動(dòng)力電池包,采用三元?jiǎng)恿﹄姵亟M,電池組與電池管理系統(tǒng)、檢修開(kāi)關(guān)、快速連接器集成、高壓配電系統(tǒng)、電池箱體設(shè)計(jì)為一體,通過(guò)箱體6個(gè)懸置點(diǎn)安裝固定在車(chē)身地板下方??梢詽M足電機(jī)峰值工作充、放電性能要求、充電時(shí)間要求,及強(qiáng)電安全、整車(chē)碰撞安全要求。動(dòng)力電池包技術(shù)參數(shù)表見(jiàn)表4。

        3 多?;旌蟿?dòng)力系統(tǒng)控制策略

        3.1 多?;旌蟿?dòng)力系統(tǒng)功能

        通過(guò)離合器的結(jié)合和分離,HP2多?;旌蟿?dòng)力系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)純電驅(qū)動(dòng)模式、串聯(lián)驅(qū)動(dòng)模式、并聯(lián)驅(qū)動(dòng)模式、發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)模式、行車(chē)發(fā)電模式、駐車(chē)發(fā)電模式、制動(dòng)能量回收模式、混聯(lián)驅(qū)動(dòng)8種行駛模式。圖4展示了并聯(lián)驅(qū)動(dòng)模式下能量流示意,發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力和驅(qū)動(dòng)電機(jī)動(dòng)力,在多模減速箱內(nèi)耦合,通過(guò)差速器傳遞到驅(qū)動(dòng)輪。

        不同行駛模式時(shí),各部件工作狀態(tài)見(jiàn)表5。

        3.2 多?;旌蟿?dòng)力系統(tǒng)控制策略

        3.2.1 驅(qū)動(dòng)力分配與能量管理原則

        PHEV多?;靹?dòng)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)力分配,需要綜合考慮整車(chē)動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性的要求[2](表6)。

        圖3 PHEV動(dòng)力電池包

        表4 PHEV動(dòng)力電池包技術(shù)參數(shù)

        圖4 并聯(lián)驅(qū)動(dòng)能量流示意圖

        表5 不同驅(qū)動(dòng)模式下驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)部件工作狀態(tài)

        表6 PHEV動(dòng)力總成參數(shù)匹配影響要素

        通過(guò)分析整車(chē)性能需求,同時(shí)兼顧整車(chē)性能和電池壽命,確定了不同車(chē)速/電量下驅(qū)動(dòng)力分配原則:純電動(dòng)行駛應(yīng)能提供日常使用,混合動(dòng)力使用時(shí)較好動(dòng)力性。具體方案如下。

        1) 電量充足時(shí),純電動(dòng)行駛優(yōu)先使用。

        2) 電池消耗到一定時(shí)(SOC<30%),作為混合動(dòng)力車(chē)使用。

        3) 中低速或中低負(fù)荷,驅(qū)動(dòng)由電機(jī)完成,要保證日常純電動(dòng)。

        4) 中高速或中高負(fù)荷,驅(qū)動(dòng)由發(fā)動(dòng)機(jī)單獨(dú)完成。

        5) 急加速或超速時(shí),電機(jī)跟進(jìn)助力,實(shí)現(xiàn)動(dòng)力從低速到高速有效過(guò)渡。

        3.2.2 工作模式切換方案

        依照上述能量管理原則,HP2多模動(dòng)力系統(tǒng)在行駛過(guò)程中可根據(jù)電池SOC、加速踏板深度和車(chē)速的變化,在不同的行駛模式間進(jìn)行切換。圖5展示了PHEV車(chē)型行駛模式切換方案。

        當(dāng)SOC值較高時(shí),車(chē)輛以EV模式起步,在較低的車(chē)速且較小的油門(mén)開(kāi)度條件下,車(chē)輛可保持在EV模式;當(dāng)加速踏板開(kāi)度加大時(shí),車(chē)輛進(jìn)入并聯(lián)驅(qū)動(dòng)模式,發(fā)動(dòng)機(jī)與電機(jī)同時(shí)參與驅(qū)動(dòng);隨著車(chē)速增高,車(chē)輛進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)模式,并能根據(jù)電池SOC狀態(tài),對(duì)電池進(jìn)行行車(chē)發(fā)電。

        如電池SOC值較低,車(chē)輛只能以串聯(lián)驅(qū)動(dòng)模式起步,并根據(jù)油門(mén)開(kāi)度的變化,在串聯(lián)驅(qū)動(dòng)-發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)模式間切換。

        圖5 PHEV車(chē)型行駛模式切換方案

        4 多?;旌蟿?dòng)力模塊應(yīng)用

        HP2多模動(dòng)力系統(tǒng)首款搭載車(chē)型為東風(fēng)某插電式SUV,已完成整車(chē)搭載試驗(yàn)。整車(chē)試驗(yàn)結(jié)果表明,對(duì)比搭載同型號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)的傳統(tǒng)車(chē)型,搭載HP2模塊時(shí)整車(chē)車(chē)重增加了約190kg,但整車(chē)總體性能明顯優(yōu)于基礎(chǔ)車(chē)型。

        1) 整車(chē)百公里加速時(shí)間由12s提高到10.5s,提升率>12%。

        2) NEDC純電里程>60km。

        3) NEDC 綜 合 油 耗 由7.4L/100km 減 少 到5.5L/100km(HEV模式),HEV模式下節(jié)油率>25%。

        東風(fēng)某插電式SUV車(chē)通過(guò)以下方法達(dá)到了動(dòng)力性、燃油經(jīng)濟(jì)性的提升。

        1) 整車(chē)及混合動(dòng)力系統(tǒng)控制:高效的能量分配管理;實(shí)現(xiàn)EV驅(qū)動(dòng)、外接充電、停車(chē)發(fā)電、串聯(lián)行駛、停車(chē)停機(jī)、滑行能量回收、制動(dòng)能量回收等多種工況;優(yōu)化的發(fā)動(dòng)機(jī)控制/標(biāo)定。

        2) 動(dòng)力總成更改:發(fā)動(dòng)機(jī)輪系及進(jìn)排氣系統(tǒng)全新設(shè)計(jì),滿足PHEV車(chē)型使用要求。

        3) 基準(zhǔn)車(chē)輛參數(shù)控制:低滾阻輪胎、輕量化等。

        5 結(jié)語(yǔ)

        本文從關(guān)鍵部件方案、控制策略等方面對(duì)HP2多?;旌蟿?dòng)力系統(tǒng)技術(shù)方案進(jìn)行分析。模塊搭載整車(chē)后,整車(chē)性能優(yōu)于對(duì)比車(chē)型,有較強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力。隨著HP2多模混合動(dòng)力系統(tǒng)不斷完善和提高,最終可以以不同的混合動(dòng)力方案搭載在多個(gè)車(chē)型上,如HEV車(chē)型、RE-EV增程式混合動(dòng)力車(chē)型、PHEV插電式混合動(dòng)力車(chē)型。

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