儲愛華， 袁銀男， 張 彤

(1. 江蘇大學 汽車與交通工程學院， 江蘇 鎮(zhèn)江 212013; 2.科力遠混合動力技術(shù)有限公司， 上海 201501)

功率分流混合動力系統(tǒng)分為輸入功率分流、輸出功率分流和復合功率分流3種結(jié)構(gòu)形式[1-3].輸入功率分流是將發(fā)動機輸出功率在系統(tǒng)的輸入端通過功率分流裝置分為機械路徑和電路徑進行傳輸，其結(jié)構(gòu)簡單，控制算法容易實現(xiàn)，但驅(qū)動電動機與輸出軸固定速比耦合，高速時整車動力性能和經(jīng)濟性能不理想.另外，該系統(tǒng)對驅(qū)動電動機的轉(zhuǎn)矩要求較高，對功率分流電動機的轉(zhuǎn)速要求較高，從而增加了電動機成本[4]；輸出功率分流將行星排后的發(fā)動機剩余功率和驅(qū)動電動機功率在系統(tǒng)的輸出端通過功率分流裝置進行合流，該系統(tǒng)因低速時具有電功率循環(huán)而影響效率，更適合于插電式或增程式應用場景[5]；復合分流通過功率分流裝置既能將發(fā)動機輸出功率在輸入端進行分流，又能將發(fā)動機剩余功率在輸出端進行合流，它有低速和高速2個機械點，其高效區(qū)間更寬，但是具有多個行星排和多組執(zhí)行器[6]，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和控制均比較復雜，機械損耗和成本均相對較高.

吉利汽車聯(lián)合科力遠公司研發(fā)的CHS(corun hybrid system)系統(tǒng)屬于單模復合功率分流系統(tǒng)，第1代CHS系統(tǒng)采用納維拉雙排行星齒輪將驅(qū)動電動機與輸出軸解耦，由3軸系統(tǒng)變?yōu)?軸系統(tǒng)，并通過增加2個制動器對主要工況進行傳動效率優(yōu)化[7-8].針對第1代CHS存在純電動模式下最高車速受限，混動模式下最大輸出轉(zhuǎn)矩不足，系統(tǒng)傳動效率仍可進一步優(yōu)化等問題，研究人員在第2代CHS系統(tǒng)上通過增加2組離合器進行系統(tǒng)優(yōu)化[9-11].

為了驗證系統(tǒng)優(yōu)化后的改善效果，筆者建立包括單模復合功率分流系統(tǒng)在內(nèi)的混合動力汽車主要部件物理模型，并將實際控制策略模型通過應用程序接口與物理模型集成為1個整體模型，然后通過整車轉(zhuǎn)鼓試驗對物理模型的仿真精度進行評估.

1 功率分流混合動力系統(tǒng)建模

1.1 功率分流系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和原理

功率分流混合動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，該復合功率分流系統(tǒng)是由2組單行星排通過CR-CR結(jié)構(gòu)形式連接而成的雙行星排齒輪機構(gòu)(PGT1+PGT2)作為功率分流裝置(PSD)，PGT1的行星架C0連接PGT2的齒圈R2(C1R2), PGT2的行星架C1連接PGT1的齒圈R1(C2R1).主要包括3組動力輸入及1組動力輸出，其中發(fā)動機(ICE)輸入連接C1R2，功率分流電動機(GM1)輸入連接PGT1太陽輪S1，驅(qū)動電動機(GM2)輸入連接PG2太陽輪S2，C2R1輸出分別經(jīng)過主減、減速行星排(PGT3)和差速器后驅(qū)動車輛.另外還有4個換擋機構(gòu)，主要由B1多模離合器、B2制動器、C0濕式離合器、C1濕式離合器組成.B1閉合可鎖止C1R1軸，發(fā)動機不工作.B2閉合可鎖止S1軸，GM1電動機不工作.發(fā)動機可以分別通過C0離合器或C1離合器介入系統(tǒng).

圖1 功率分流混合動力系統(tǒng)

功率分流裝置的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速約束方程為

TGM1+TGM2+TICE+TOUT=0，

(1)

TGM1nGM1+TGM2nGM2+TICEnICE+TOUTnOUT=0，

(2)

(3)

(4)

式中：TGM1、TGM2、TICE、TOUT分別為電動機GM1、GM2、發(fā)動機ICE及輸出軸的轉(zhuǎn)矩；nGM1、nGM2、nICE、nOUT分別為電動機GM1、GM2、發(fā)動機ICE和輸出軸轉(zhuǎn)速；i01、i02分別為第1、第2個行星排的傳動比.

根據(jù)制動器和離合器的工作狀態(tài)，該復合功率分流混合動力系統(tǒng)包括3種純電動驅(qū)動模式和6種混合動力驅(qū)動模式，由此可以推導出9種模式下的轉(zhuǎn)矩輸出關(guān)系，從而適用于不同工作場景.各擋位對應的換擋機構(gòu)和發(fā)動機的工作狀態(tài)如表1所示.其中：●為工作狀態(tài)；○為未工作狀態(tài)；eCVT為具有電動機參與的無級變速傳動箱.

表1 復合功率分流傳動系統(tǒng)工作模式

1) EV1模式，固定速比，它是最具有動力性的純電擋位，通常用于使車輛起步加速，以及低速大轉(zhuǎn)矩輸出工況，但是工作時間受電池荷電狀態(tài)影響較大.輸出軸的轉(zhuǎn)矩為

TOUT=i01TGM1-(1-i02)TGM2.

(5)

2) EV2模式，固定速比，電動機GM2單獨驅(qū)動，其加速性能不及1擋，在相同的車速下，GM2電動機的轉(zhuǎn)速更低，對噪聲控制很有好處，主要用于較高車速下的純電動驅(qū)動和制動能量回收.輸出軸的轉(zhuǎn)矩為

(6)

3) EV3模式，eCVT無級變速，GM1和GM2電動機同時驅(qū)動，在低、中速行駛時，其傳動效率和加速性能不如1擋和2擋，因此通常用作過渡擋位，但是3擋可以覆蓋更高的車速.輸出軸的轉(zhuǎn)矩為

(7)

4) HEV1模式，固定速比，發(fā)動機和GM2電動機直接連接，類似于P2并聯(lián)混合動力系統(tǒng)，同時GM1電動機可以參與工作，動力輸出性能佳，主要用于急加速和爬坡工況.輸出軸的轉(zhuǎn)矩為

TOUT=i01TGM1+(i02-1)(TGM2+TICE).

(8)

5) HEV2模式，固定速比，該模式特別適用于高車速和低牽引力的工作條件.對于中等車速和大牽引力的工作條件，它的傳動效率并不理想.輸出軸的轉(zhuǎn)矩為

(9)

6) HEV3模式，固定速比，因為發(fā)動機與GM2并聯(lián)驅(qū)動，該模式特別適用于高車速和大牽引力的工作場景，在改善城市和郊區(qū)駕駛循環(huán)的燃油經(jīng)濟性方面起著重要作用.輸出軸的轉(zhuǎn)矩為

(10)

7) HEV4模式，eCVT無級變速,該擋位具有良好的燃油經(jīng)濟性和乘坐舒適性，發(fā)動機的速度和轉(zhuǎn)矩都可以調(diào)節(jié)，因此拓展了發(fā)動機高效區(qū).輸出軸的轉(zhuǎn)矩為

(11)

8) HEV5模式， eCVT無級變速，僅當所需的牽引力超過8擋的外部特性時，才會發(fā)生驅(qū)動力中斷，通常是在4擋、6擋和9擋之間的過渡擋位使用.輸出軸的轉(zhuǎn)矩為

(12)

9) HEV6模式，固定速比，該模式因為行星排內(nèi)齒輪無相對轉(zhuǎn)動而沒有機械損失，發(fā)動機和2個電動機直接并聯(lián)，所以系統(tǒng)具有很高的機械效率，可以看作是一種特殊的并聯(lián)混合動力模式.輸出軸的轉(zhuǎn)矩為

TOUT=TGM1+TGM2+TICE.

(13)

1.2 混合動力系統(tǒng)物理模型

混合動力系統(tǒng)模型中除功率分流系統(tǒng)模型外，還包括發(fā)動機模型、電動機模型、電池模型及整車模型.發(fā)動機物理模型采用試驗建模法，即通過實測的萬有特性等耗油率曲線及外特性曲線建立表格.仿真時，直接通過查表得到發(fā)動機的輸入與輸出數(shù)據(jù).通過試驗法獲得包括發(fā)動機倒拖轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)動慣量和動摩擦系數(shù)等關(guān)鍵特性參數(shù).電動機物理模型的建立同樣采用試驗建模法，功率分流電動機和驅(qū)動電動機均為永磁同步電動機，通過查表得到電動機的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速關(guān)系，及對應的系統(tǒng)損耗.電池建模一般分為機理建模、試驗建模及混合建模等方法.筆者基于Rint模型，采用混合建模法.該模型本身沒有考慮電池的極化特性，但是通過查表代入充電態(tài)和放電態(tài)不同內(nèi)阻.僅考慮汽車在行駛過程中始終需要克服滾動阻力與空氣阻力.各部件物理模型的主要參數(shù)如下：發(fā)動機為渦輪增壓1.5T; PGT1、PGT2、變速箱主減傳動比分別為2.96、2.02、3.80；電池額定電壓為345.6 V；電池額定容量、連續(xù)功率、峰值功率分別為37 A·h、30 kW、90 kW; GM1電動機峰值功率、峰值轉(zhuǎn)矩、最高轉(zhuǎn)速分別為50 kW、100 N·m、8 500 r·min-1; GM2電動機峰值功率、峰值轉(zhuǎn)矩、最高轉(zhuǎn)速分別為75 kW、200 N·m、7 000 r·min-1; 整車整備質(zhì)量為2 022 kg；車輪滾動半徑為0.342 m；阻力常數(shù)項系數(shù)為0.525；阻力一次項系數(shù)為1.069 4；阻力二次項系數(shù)為198.67.

2 控制模型集成和系統(tǒng)聯(lián)合仿真

在Matlab/Simulink中搭建控制器模型，并與LSM/AMESim軟件搭建的各部件物理模型進行集成和聯(lián)合仿真.

2.1 系統(tǒng)控制策略介紹

CHS混合動力系統(tǒng)具有2個自由度，混合動力系統(tǒng)控制策略邏輯如圖2所示.

圖2 混合動力系統(tǒng)控制策略邏輯圖

首先根據(jù)駕駛員的意圖和當前車輛狀態(tài)計算出擋位切換指令，然后控制包含離合器和制動器在內(nèi)的換擋機構(gòu)進行擋位切換，使系統(tǒng)進入預設擋位對應的工作模式.選擇發(fā)動機的最優(yōu)工作點，對混合動力系統(tǒng)進行動態(tài)轉(zhuǎn)矩分配，動力合流輸出到輪邊并驅(qū)動整車行駛.核心模塊主要包括工作模式選擇、發(fā)動機工作點優(yōu)化和動態(tài)轉(zhuǎn)矩分配3部分.工作模式選擇模塊根據(jù)當前整車車速、整車需求轉(zhuǎn)矩、電池荷電狀態(tài)和可使用功率等狀態(tài)信息選擇系統(tǒng)工作模式.采用基于規(guī)則的擋位切換策略選擇合適的擋位，然后輸出離合器和制動器執(zhí)行指令.發(fā)動機根據(jù)系統(tǒng)工作模式選擇最優(yōu)工作點，在經(jīng)濟性優(yōu)化時，按照等效燃油消耗最小控制策略選擇發(fā)動機最優(yōu)工作區(qū)間；在動力性優(yōu)化時，按照外特性曲線選擇發(fā)動機輸出轉(zhuǎn)矩較大的工作區(qū)間.動態(tài)轉(zhuǎn)矩分配模塊的主要功能是在滿足運動學和動力學約束的前提下，根據(jù)不同擋位杠桿姿態(tài)和優(yōu)化后的發(fā)動機工作點分別計算出功率分流和驅(qū)動電動機的需求轉(zhuǎn)矩和對應轉(zhuǎn)速.2個電動機的實際工作點還需滿足不超過轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩和功率限值的要求，包括電池SOC(state of charge)必須在允許的工作范圍內(nèi)，否則需要重新進行工作點優(yōu)化和動態(tài)轉(zhuǎn)矩分配，最終得到滿足動力輸出需求的各動力源的合理工作點，追求系統(tǒng)最優(yōu)而不是局部最優(yōu).

2.2 系統(tǒng)聯(lián)合仿真

為了驗證物理模型仿真結(jié)果的準確性，采用與實車相同的控制策略，與物理模型集成后進行離線仿真.集成后生成總的聯(lián)合仿真物理模型，如圖3所示.聯(lián)合仿真模型首先通過PID調(diào)節(jié)器得到駕駛員的轉(zhuǎn)矩需求，然后根據(jù)系統(tǒng)控制策略進行轉(zhuǎn)矩解析，數(shù)據(jù)通過控制模型接口函數(shù)(A2S模塊)發(fā)給物理模型各主要部件，物理模型反饋系統(tǒng)控制所需的狀態(tài)信號，比如電動機轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩、發(fā)動機轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩、齒圈轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩等.仿真過程中整車處于前進(D)擋狀態(tài).

圖3 聯(lián)合仿真模型

3 試驗驗證及結(jié)果分析

將實車放置在轉(zhuǎn)轂上，通過設置與仿真同樣的NEDC(new European driving cycle)路譜進行測試，基于同樣的整車控制策略，進行數(shù)據(jù)采集，并將試驗結(jié)果與仿真結(jié)果進行對比，轉(zhuǎn)轂試驗平臺如圖4所示.

圖4 轉(zhuǎn)轂試驗平臺

聯(lián)合仿真與整車測試發(fā)動機工作點分布如圖5所示，實車測試結(jié)果與仿真結(jié)果基本重合，且基本分布在油耗較低的區(qū)域.電動機GM1、GM2的工作點分布分別如圖6、7所示，電動機基本上能工作在高效區(qū)間，實測結(jié)果與仿真結(jié)果基本一致.

圖5 發(fā)動機ICE工作點分布圖

圖6 電動機GM1工作點分布圖

圖7 電動機GM2工作點分布圖

仿真與實測的電池電壓、電流和SOC的變化曲線分別如圖8-10所示. 起始SOC設為49.1%，試驗后電池SOC為44.6%，SOC變化量為-4.5%，仿真后電池SOC為44.3%，SOC變化量為-4.8%，相對誤差為-0.67%.

圖8 電池電壓變化曲線

圖9 電池電流變化曲線

混動模式下，制動回收能量變化曲線和100 km油耗實時仿真曲線分別如圖11、12所示. 回收到電池內(nèi)部的制動能量，試驗結(jié)果制動能量為722.33 kJ，仿真結(jié)果制動能量為694.90 kJ，相對誤差為-3.95%.

圖11 混合動力模式制動回收能量變化曲線

圖12 100 km油耗實時仿真曲線

混合動力模式試驗與仿真能耗如表2所示.混動模式下，實測100 km油耗為5.262 L，仿真100 km油耗為5.305 L，相對誤差為0.81%.相對于傳統(tǒng)車基礎車型實測100 km油耗為8.500 L，綜合節(jié)油率達到38%.試驗電池消耗能量為0.624 1 kW·h，仿真電池消耗能量為0.622 0 kW·h，相對誤差為-0.34%.仿真結(jié)果與試驗結(jié)果誤差均在5%以內(nèi)，一致性較好.

表2 混合動力模式試驗與仿真能耗

4 結(jié) 論

針對某款單模復合功率分流混合動力系統(tǒng)，分析了功率分流機構(gòu)的結(jié)構(gòu)原理和工作模式，該系統(tǒng)具有9個擋位，包含3個純電動擋位和6個混合動力擋位，可以看作是eCVT和基于5AT的P2系統(tǒng)的組合，結(jié)合了功率分流系統(tǒng)和P2系統(tǒng)的優(yōu)點，兼顧了動力性和經(jīng)濟性.通過建立各關(guān)鍵部件的物理模型，并與整車控制策略集成后進行聯(lián)合仿真，基于NEDC工況進行聯(lián)合仿真與整車臺架測試，通過仿真結(jié)果與試驗結(jié)果對比表明：與基礎車型相比綜合節(jié)油率達到38%，建立的物理模型精度較好，與實車測試結(jié)果較為貼近，仿真誤差均在5%以內(nèi)，能夠服務于系統(tǒng)優(yōu)化和策略開發(fā)，減少了實際開發(fā)過程中的復雜測試過程，大大提高開發(fā)效率.