魏英俊，徐 哲，張?zhí)m春，劉邦亞，王貽巍

（1.重慶理工大學 車輛工程學院，重慶 400054；2.小康動力技術中心，重慶 401135；3.江蘇理工學院 汽車與交通工程學院，江蘇 常州 213001）

1898年，費爾南德·波爾舍博士制造了世界上首輛通過內燃機帶動發(fā)電機為汽車輪轂中的電動機提供能量的汽車；1903年，Krieger公司也制造出通過汽車油機為使用電池組電能的電動機補充能量的汽車[1]。這兩輛車所使用的串聯式混動概念，成為后來增程式電動汽車增程器設計的基礎概念。在全球汽車產業(yè)快速發(fā)展的歷程中，能源消耗危機、排放污染加劇導致的溫室效應，使行業(yè)的視角開始逐漸關注電動汽車的技術路線[2]，并且由于純電動汽車的續(xù)程焦慮，使得增程式電動汽車越來越受到重視[3]，對增程電動汽車動力鏈的不同拓撲結構進行研究備受關注[4]。在汽車制造業(yè)端，通用、豐田、本田、寶馬等車企都進行了增程式電動車的研究，國內的主要車企也同步展開了增程式電動汽車開發(fā)[5]。美國通用汽車公司對駕駛者日常使用模式進行研究，發(fā)現增程電動車使用工況的主要特征為純電車工況特征；因此，將增程式汽車作為傳統動力汽車向純電動汽車發(fā)展過渡階段的重要車型[6]。2007年，通用公司推出了帶電量為16 kW·h、純電行駛56 km、可充電、增程發(fā)電用1.4 L自吸發(fā)動機，可實現車輛續(xù)程的增程式電動汽車VOLT[7]。它采用P1+P3雙電機平行布置架構的混合動力專用箱，在串聯工作的混合牽引模式、發(fā)動機/發(fā)電機單一牽引模式以及駐車工況下發(fā)動機/發(fā)電機充電模式下作為發(fā)電功能的P1電機，同發(fā)動機共同承擔增程發(fā)電的功能。此時，發(fā)動機并不直接承擔車輛的驅動，而是以P1電機發(fā)電為負載，實現車輛的純電驅動續(xù)程[8-9]。因此，如何實現發(fā)動機增程發(fā)電階段與P1電機的高效匹配，是混合動力汽車專用傳動裝置的研究重點。

1 混動專用箱工作原理

如圖1所示，為混動專用箱傳動結構簡圖。由發(fā)電機通過增程發(fā)電一級主動齒與增程發(fā)電一級被動齒，實現發(fā)動機轉速輸出的提高，驅動P1電機實現發(fā)電。在電池SOC處于下限閾值時，P1電機增程發(fā)電驅動P3電機實現串聯工作模式，從而提高車輛純電續(xù)駛里程。

圖1 混動專用箱傳動結構簡圖

P1+P3架構的增程式電動汽車與具備串并聯功能的混合動力汽車，其專用箱的區(qū)別在于：增程式電動汽車沒有部件4，即濕式多片離合器，無法實現發(fā)動機直接驅動與P3電機電驅動的并聯動力傳動；而具備串并聯功能的混合動力專用箱具備離合器部件，可實現發(fā)動機直接驅動以及與P3電機的并聯動力傳動。

2 增程發(fā)電匹配

2.1 實現高效增程發(fā)電的基本思路

增程發(fā)電匹配是將發(fā)動機工況與P1電機工況，通過增程發(fā)電的傳動速比進行滿足驅動功率要求下的發(fā)動機與P1電機高效區(qū)耦合。增程發(fā)電的效率越高，增程發(fā)電工況下的油耗則越低。

對于增程式電動汽車的增程動力總成以及混合動力汽車的動力總成，發(fā)動機的提升都朝著提高發(fā)動機的熱效率方向發(fā)展。一方面，對于增程式電動汽車而言，發(fā)動機只承擔發(fā)電作用，因此，可以研發(fā)更高熱效率的增程專用發(fā)動機；另一方面，高效電機也是增程式汽車動力總成與混合動力總成研發(fā)的重點方向，如扁線油冷永磁同步電機是目前新能源高效電機的典型技術特征。在此基礎上，實現高效發(fā)動機與高效電機的匹配。如圖2所示，為一款滿足增程動力總成以及混合動力總成的高效發(fā)動機的MAP特性圖。如圖3所示，為一款扁線油冷P1電機的效率MAP特性圖。

圖2 增程動力總成用以及混合動力用高效發(fā)動機的MAP特性圖

圖3 扁線油冷發(fā)電機的效率MAP特性圖

2.2 增程發(fā)電狀態(tài)下發(fā)動機工況點的選擇

當車輛電池電量達到設定的SOCmin閾值時，增程器發(fā)動機啟動工作，此時，車輛的電量狀態(tài)將由之前的電量消耗CD（Charge Deleting）轉變?yōu)殡娏烤S持CS（Charge Sustaining）。當車輛進入增程發(fā)電狀態(tài)后，發(fā)動機輸出功率點的確定是增程器系統能量管理關注的重點。發(fā)動機輸出功率需要滿足整車驅動功率的要求，體現駕駛員意圖，其輸出功率大于整車需求功率時，剩余功率將向電池系統充電。

發(fā)動機響應工作點的確定應滿足整車需求功率。如果發(fā)動機響應工作點的功率低于整車需求功率，這時，電池系統的電量還將繼續(xù)減低，處于深放狀態(tài)；如果發(fā)動機響應工作點的功率遠大于整車需求功率，此時，將會有較大的電流給電池充電。然而，深放和深充兩種狀態(tài)均對電池的使用壽命不利。從能量轉換的角度來看，發(fā)動機的輸出機械能轉換成電能儲備在電池系統，將來再由電池系統轉換為電機驅動能，這個過程使發(fā)動機的輸出機械能增加了轉換環(huán)節(jié)，降低了能量的使用效率。所以，發(fā)動機響應工況點的確定在滿足整車需求功率的同時，要進行電量維持并控制剩余功率對電池的充電電流，做到盡可能減小功率差值，讓電池處于淺充淺放狀態(tài)。

增程式電動汽車的能量管理策略是產品研發(fā)的重要內容。李明等人[10]對基于規(guī)則的、實時優(yōu)化的、全局優(yōu)化的、智能控制的能量管理策略進行了研究，指出能量管理策略的實用性和控制效果之間的矛盾是亟待解決的關鍵問題之一。周維等人[11]對增程式電動汽車的CD-CS型能量管理策略與BL型能源管理策略進行了仿真對比研究。Moura等人[12]通過隨機動態(tài)規(guī)劃來優(yōu)化能量管理，并將驅動循環(huán)模式以及燃油價格變化的因素列入考量范圍，對比CD-CS型同BL型能量管理策略的表現。Pisu等人[13]對并聯式混合動力能量管理策略的有限狀態(tài)機、等價消耗最優(yōu)化、H∞控制以及DP控制等四種控制策略進行了仿真對比研究。Lin等人[14]對并聯式混合動力電車的能量管理進行研究，內容涉及基于規(guī)則的控制策略以及基于DP算法的改進規(guī)則控制策略，提出通過優(yōu)化擋位選擇、充放電規(guī)劃以及電機的工作來降低發(fā)動機的負荷，從而提高車輛的燃油經濟性。Salmasi[15]從控制方法的角度對混合動力能量管理策略進行闡述，提出對優(yōu)化控制策略所帶來的計算復雜性和控制器復雜性需要加以考慮，而這恰是產品工程中控制器軟硬件開發(fā)需要重點考慮的因素。Banvait等人[16]提出基于規(guī)則控制策略在Prius和并聯兩種模式下的應用仿真，發(fā)現在CD-CS控制策略中，在相同電池容量下采用電助力的規(guī)則控制策略對于插電式混動汽車更加有效。Wirasingha等人[17]對插電式混動的控制方法進行了分類研究，闡述了不同控制策略的優(yōu)缺點，指出采用何種控制方法取決于控制的模型以及控制器可實現的途徑，基于規(guī)則控制的控制策略是比較容易實現的，而控制策略的實現基于目前控制硬件的實際能力與控制實時性的要求，這是產品工程量產開發(fā)中最為現實的出發(fā)點。王欽普等人[18]對插電式混合動力汽車能量管理策略的發(fā)展趨勢、優(yōu)化效果以及應用潛力進行分析與對比。牛繼高等人[19]對增程電動汽車基于規(guī)則控制的發(fā)動機開/關能量管理策略、功率跟隨能量管理策略、最優(yōu)曲線能量管理策略以及功率分流能量管理策略進行分析與仿真驗證，為基于實時控制的增程車能量管理策略的工程應用提供了參考。洪木南等人[20]對基于規(guī)則控制的開關式能量管理策略和分段式能量管理策略進行仿真對比，指出分段式能量管理策略對燃油經濟性的優(yōu)化效果更好。

通過對國內外相關文獻的研究，基于實時性控制以及汽車控制器硬件的基礎現狀，從工程可實現角度，應采取基于規(guī)則的控制策略。通過發(fā)動機、動力總成臺架以及整車標定，該局部多點功率跟隨車輛低速低功率請求工況下的恒功率輸出相結合的控制策略，具備控制實時性好、易實現的特點，成為基于規(guī)則的增程發(fā)電工況下的常用工程策略。

該策略下，發(fā)動機臺架標定試驗是基礎，滿足整車需求功率Prep為約束條件的發(fā)動機映射輸出功率下等功率曲線上的最高效率工況點，即為發(fā)動機在該輸出功率下的最優(yōu)工作點。將發(fā)動機的輸出功率在可工作范圍內均分為若干個點，采取同樣的方法可求出各輸出功率下發(fā)動機最高效率的最優(yōu)工作點，形成滿足整車請求功率的發(fā)動機最優(yōu)標定工作線。如圖4所示，在此標定工作線的基礎上，再結合發(fā)動機排放工況以及NVH工況進行適度修正，最終形成增程發(fā)電工況下的發(fā)動機多點功率跟隨工作曲線。該策略綜合考慮了發(fā)動機響應特性、功率請求、發(fā)動機效率、排放以及NVH等多個因素，并且同發(fā)電機的高效率區(qū)映射耦合。

圖4 發(fā)動機功率跟隨下多點工作特性圖

在SOCmin閾值下，增程器工作，發(fā)動機輸出功率響應整車的需求功率。整車需求功率與扭矩為：

式中：Prep為差速器端整車需求功率；Cf為車輛滾動阻力系數；Mv為車輛整備質量；α為坡道角度；ρ為空氣質量密度；Cd為車輛風阻系數；A為車輛風阻面積；v為車輛運動速度；δ為車輛旋轉質量轉換系數。

驅動P3電機的輸出功率為：

式中：PTM為驅動P3電機輸出功率；ηTM為驅動P3電機機械效率；ηtrans_1為驅動P3電機一級減速傳動鏈的機械效率；ηdiff為主減傳動鏈的機械效率。

增程發(fā)電P1電機的輸出功率與輸出扭矩為：

式中：PGM為增程發(fā)電P1電機的輸出功率；ηGMCU為電機控制器發(fā)電效率；ηGM為增程發(fā)電P1電機機械效率；TGM為增程發(fā)電P1電機的輸出扭矩；nGM為增程發(fā)電P1電機的轉速。

發(fā)動機ICE的輸出功率為：

式中：PICE為發(fā)動機飛輪端輸出功率；ηICE為發(fā)動機機械效率；ηtrans_2為發(fā)動機驅動增程發(fā)電機P1的傳動鏈效率；TICE為發(fā)動機飛輪端輸出扭矩；itrans_2為發(fā)動機驅動增程發(fā)電機P1的傳動鏈速比；nICE為發(fā)動機飛輪端轉速。

增程驅動工況下的發(fā)動機功率跟隨，發(fā)動機的機械能-電能-機械能轉化到驅動電機P3的實際功率與整車請求功率差值，成為電池系統的輸出功率或充電功率，即：

式中：ηTMCU為電機控制器驅動P3電機效率。當ΔP為正值時，增程發(fā)電的發(fā)動機請求輸出功率大于整車實際需要的驅動功率，富余功率將向電池系統充電；當ΔP為負值時，電池系統放電補充整車實際功率不足，因而實現混合牽引模式，在此發(fā)動機工況點上，電量依然無法維持電平衡狀態(tài)，發(fā)動機將切換到臨近的更大的一個功率輸出工況點。

在圖2所示發(fā)動機1 000～3 700 r/min的工作區(qū)域，基于整車需求功率Prep以及Prep、PTM、PICE的關系，確定PTM和發(fā)動機特性MAP圖中的PICE工況點（圖4）。

如圖5所示，通過itrans_2傳動速比來調整TICE與TGM以及nICE與nGM的映射，進行發(fā)動機特性MAP與增程發(fā)電機P1特性的耦合，使發(fā)動機的輸出功率既能滿足整車功率的要求，又能使發(fā)動機和增程發(fā)電機P1工作在高效率區(qū)。

圖5 發(fā)動機與發(fā)電機特性耦合

根據整車需求功率確定了發(fā)動機高效區(qū)內的多個工作點。根據itrans_2傳動鏈中心距及傳遞最大功率與扭矩的約束，itrans_2在itrans_2_min～itrans_2_max的取值變化中，發(fā)動機特性工作點下的輸出功率映射到增程發(fā)電P1電機的工作區(qū)域，即選擇的itrans_2設計邊界值能夠實現電機的響應工作點，更多地穿越了電機的高效工作區(qū)。

基于前文規(guī)則控制策略下的增程發(fā)電工況，對某增程型SUV進行了實車測試，如表1所示，為整車相關參數。

表1 整車相關參數

如圖6所示，為基于城市工況和高速工況，發(fā)動機功率跟隨請求下發(fā)電機工作響應的SOC實車驗證測試。

由圖6可看出，在不同車速及路面下，當整車需求功率發(fā)生變化時，發(fā)動機多點跟隨體現在發(fā)電功率變化下的電池系統SOC始終處于一個非常平穩(wěn)的淺充淺放狀態(tài)。這樣，發(fā)動機的輸出功率能夠更高效并直接用于車輛驅動，表明該控制策略較好地匹配滿足了產品的控制需求。

圖6 車輛路面行駛試驗中增程工況下的SOC狀態(tài)

3 結論

在增程式或具備串并聯功能P1+P3架構雙電機混合動力總成串聯工作模式的增程發(fā)電工況下，首先，進行基于規(guī)則控制策略的整車功率需求下發(fā)動機最優(yōu)工作曲線的確定；然后，再進行發(fā)動機工作特性與電機特性的耦合優(yōu)化分析，來確定最佳發(fā)動機驅動增程發(fā)電機P1的傳動鏈速比，實現串聯模式下的增程發(fā)電。從而使發(fā)動機與電機均工作在高效重疊區(qū)并維持電平衡，確保SOC處于一個非常平穩(wěn)的淺充淺放狀態(tài)。