魏丹，朱永明，趙江靈，周文太，李瑤瑤

廣州汽車集團(tuán)股份有限公司汽車工程研究院，廣東廣州 511434

0 引言

隨著混動化的深入，越來越多的公司大力開發(fā)混合動力機(jī)電耦合系統(tǒng)，且?guī)缀醵汲⒙?lián)混動技術(shù)路線靠攏，如長城的檸檬混動系統(tǒng)、比亞迪的EHS混動系統(tǒng)、奇瑞的鯤鵬混動系統(tǒng)、吉利的DHT系統(tǒng)等都屬于串并聯(lián)混動系統(tǒng)。隨著對節(jié)油率越來越高的追求，一個(gè)擋位的串并聯(lián)混動系統(tǒng)已經(jīng)不能滿足企業(yè)的需求，一些企業(yè)已經(jīng)在開發(fā)多擋的串并聯(lián)混動系統(tǒng)，如長城檸檬混動開發(fā)的是兩擋系統(tǒng)，奇瑞鯤鵬混動開發(fā)的是三擋系統(tǒng)，吉利DHT系統(tǒng)開發(fā)的是三擋系統(tǒng)等，現(xiàn)在大多數(shù)企業(yè)正在開發(fā)的大多數(shù)都是串并聯(lián)兩擋或三擋的混動系統(tǒng)[1-2]。

機(jī)電耦合系統(tǒng)是混合動力汽車的重要組成部分，對混合動力整車的性能起著至關(guān)重要的作用?；旌蟿恿ζ嚢òl(fā)動機(jī)、電機(jī)等多個(gè)動力源，又包括多個(gè)離合器的模式或擋位執(zhí)行元件。硬件拓?fù)涞撵`活性在帶來效率和工作方式優(yōu)越性的同時(shí)，往往也增加了軟件控制上的難度。混合動力系統(tǒng)多動力部件和操縱元件的協(xié)同控制是混動系統(tǒng)發(fā)揮優(yōu)越性能的關(guān)鍵。

針對離合器的升降擋控制[3-6]以及混動系統(tǒng)方案尋優(yōu)[7]，前期已經(jīng)做了很多研究。本文基于串并聯(lián)兩擋的混動系統(tǒng)，探討了雙電機(jī)的必要性，分析兩種不同的系統(tǒng)方案在模式切換、低溫動力性、對零部件要求等方面的差異。通過本文的分析，可以為行業(yè)在混合動力機(jī)電耦合系統(tǒng)方案選型設(shè)計(jì)時(shí)提供參考。

1 機(jī)電耦合系統(tǒng)方案

經(jīng)濟(jì)性、動力性、成本是混合動力機(jī)電耦合系統(tǒng)最重要的3個(gè)因素。對于串并聯(lián)混動系統(tǒng)的百公里加速性能，可以有3種實(shí)現(xiàn)方式[8-9]：①百公里加速時(shí)，全程采用串聯(lián)增程模式，此方案對驅(qū)動電機(jī)的扭矩和功率需求均較大；②百公里加速時(shí)，低速下先采用串聯(lián)增程模式，高速下再切換至混動1擋，此方案對驅(qū)動電機(jī)的扭矩需求較大；③百公里加速時(shí)，低速下先采用雙電機(jī)純電動模式，高速下再切換至混動1擋，此方案對電機(jī)的扭矩和功率需求較小。

考慮到電機(jī)及控制器占混合動力機(jī)電耦合系統(tǒng)成本的50%以上，為了降低系統(tǒng)成本，越來越多的公司開發(fā)的混動系統(tǒng)增加了雙電機(jī)純電動模式。這樣利用雙電機(jī)純電動模式可以滿足整車動力性的同時(shí)，還可以降低兩個(gè)電機(jī)的功率和扭矩的需求，從而降低電機(jī)系統(tǒng)的成本。

圖1為一個(gè)串并聯(lián)式的混合動力機(jī)電耦合系統(tǒng)，采用定軸齒輪和濕式多片離合器實(shí)現(xiàn)兩擋方案。該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)發(fā)動機(jī)、發(fā)電機(jī)、驅(qū)動電機(jī)動力耦合的功能，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)單電機(jī)純電動模式、雙電機(jī)純電動模式、串聯(lián)增程模式、混合驅(qū)動模式、駐車發(fā)電模式和制動回收模式，系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)的工作模式見表1。

圖1 串并聯(lián)式的混合動力機(jī)電耦合系統(tǒng)

表1 系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)的工作模式

2 擋位切換控制策略

2.1 百公里加速策略

圖2為不同模式下的輪端扭矩特性曲線。在百公里加速時(shí)可以采用雙電機(jī)純電動模式切換混動1擋的策略。

圖2 不同模式下的輪端扭矩特性曲線

2.2 模式切換難題及策略

針對具有雙電機(jī)純電動模式的混合動力機(jī)電耦合系統(tǒng)，在日常駕駛中，某些工況需要進(jìn)行混動1擋和2擋的切換，雖然可以利用串聯(lián)增程模式進(jìn)行扭矩補(bǔ)償，但是由于驅(qū)動電機(jī)匹配較小，增程模式的輪端輸出扭矩小于混動1擋的輸出扭矩。模式切換容易出現(xiàn)較大的扭矩波動，造成頓挫。為保證整車的動力性及平順性，需要做離合器同步滑摩控制。

當(dāng)車輛檢測到需要從1擋切換至2擋時(shí)，兩個(gè)離合器按充油(Fill)階段—力矩交換(Torque Phase)階段—調(diào)速(Speed Phase)階段—微調(diào)(Lockup1)階段—鎖止(Lockup2)階段5個(gè)過程進(jìn)行動作控制。在此過程中，發(fā)動機(jī)、發(fā)電機(jī)及兩個(gè)離合器協(xié)調(diào)配合，盡量減小整車加速度變化，從而實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)、快速地?fù)Q擋。

(1)Fill階段。分離離合器C1先降油壓到滑摩點(diǎn)附近，并等待跳入下一階段，同時(shí)結(jié)合離合器C2先充油至半結(jié)合點(diǎn)(kiss point,KP)，待油壓穩(wěn)定后進(jìn)入下一階段。

(2)Torque Phase階段。通過開環(huán)控制兩離合器油壓實(shí)現(xiàn)同步滑摩控制，力矩從分離離合器C1轉(zhuǎn)移到結(jié)合離合器C2上，離合器C1油壓按照一定斜率從上一階段的終點(diǎn)下降到點(diǎn)KP附近，離合器C2從上一階段的點(diǎn)KP附近按照設(shè)定曲線上升到目標(biāo)油壓，待條件滿足后跳入下一階段。

(3)Speed Phase階段。通過發(fā)動機(jī)、發(fā)電機(jī)和兩離合器的協(xié)調(diào)控制，實(shí)現(xiàn)輸入軸轉(zhuǎn)速從1擋轉(zhuǎn)速降到2擋轉(zhuǎn)速，在即將進(jìn)入此階段之前，發(fā)動機(jī)快速降扭，進(jìn)入此階段之后，離合器C2油壓保持不變，發(fā)電機(jī)EM1進(jìn)行PID調(diào)速，并且發(fā)動機(jī)扭矩逐漸恢復(fù)到上一階段的扭矩，待條件滿足后，進(jìn)入下一階段。

(4)Lockup1階段。進(jìn)一步微小調(diào)速，輸入軸轉(zhuǎn)速與目標(biāo)轉(zhuǎn)速形成較小的穩(wěn)定偏差。

(5)Lockup2階段?？焖偕呓Y(jié)合離合器C2油壓并鎖止，完成換擋。

通過離合器的滑摩控制，可以有效解決驅(qū)動電機(jī)較小帶來的模式切換頓挫問題。

動力升擋控制流程如圖3所示。

圖3 動力升擋控制流程

3 低溫動力性開發(fā)需求

3.1 低溫加速性能開發(fā)需求

插電式混合動力車型(plug-in hybrid electric vehicle,PHEV)性能版較傳統(tǒng)車型，百公里加速時(shí)間提升40%～50%，進(jìn)入“4S”時(shí)代；混合動力車型(hybird electric vehicle,HEV)性能版較傳統(tǒng)車型，百公里加速時(shí)間提升10%～20%，進(jìn)入“7S”時(shí)代；HEV基礎(chǔ)版較傳統(tǒng)車型，百公里加速時(shí)間提升0～10%，進(jìn)入“8S”時(shí)代。混合動力車型的動力性是其重要的亮點(diǎn)。

同時(shí)，低溫動力性也是一項(xiàng)很重要的指標(biāo)。根據(jù)歷史氣象數(shù)據(jù)，北方主要城市冬季平均最低氣溫為-5～-25 ℃，極端最低溫度可達(dá)-30 ℃或以下，這樣對混合動力車型的低溫動力性提出了較高要求。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，低溫動力性(-30 ℃)較常溫衰減比例不超過40%。

3.2 混動車型低溫加速性能對標(biāo)

目前國標(biāo)GB/T 28958—2012關(guān)于低溫動力性尚未明確相關(guān)試驗(yàn)方法，且相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)最新版本發(fā)布日期較早。參照國標(biāo)GB/T 28958—2012、企標(biāo)等相關(guān)試驗(yàn)條件的規(guī)定，制定低溫動力性試驗(yàn)方法初案如下：

(1)更換適合試驗(yàn)用的品牌、型號的機(jī)油、冷卻液、汽油以及輪胎(雪地胎)，使之符合設(shè)計(jì)要求。

(2)浸車前應(yīng)確保蓄電池電量處于充滿狀態(tài)或接近充滿狀態(tài)，確保車輛用電器全部處于關(guān)閉狀態(tài)。車輛應(yīng)選擇戶外無遮擋處靜置，盡量選擇傍晚開始浸車，浸車時(shí)間12～36 h。

(3)試驗(yàn)道路盡量選擇無積雪或結(jié)冰的混凝土或?yàn)r青道路，允許雙向行駛，盡量平直，坡道不大于1%。

(4)試驗(yàn)開始前運(yùn)用拖車將試驗(yàn)車輛拖運(yùn)至試驗(yàn)道路。

(5)車輛上電啟動后，空調(diào)設(shè)置最高溫度、最大風(fēng)量、外循環(huán)吹腳模式、除霧除霜，溫度穩(wěn)定后調(diào)節(jié)至25 ℃。

(6)車輛啟動后，原地暖機(jī)3 min，然后進(jìn)行全油門0～100 km/h加速試驗(yàn)，記錄0～100 km/h加速時(shí)間，往返一次作為一組，取平均值作為試驗(yàn)結(jié)果。

(7)以40 km/h車速勻速行駛5 min繼續(xù)熱車，然后開展第二組全油門0～100 km/h加速試驗(yàn)，循環(huán)進(jìn)行上述步驟。

(8)當(dāng)0～100 km/h加速時(shí)間達(dá)到常溫測試結(jié)果或者趨于穩(wěn)定，則試驗(yàn)結(jié)束。

按照以上測試方法，得到部分HEV車型的低溫動力性對標(biāo)結(jié)果，如圖4所示。

圖4 HEV車型的低溫動力性對標(biāo)結(jié)果

通過圖4的對標(biāo)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，在極低溫情況下，第一腳滿油門的加速時(shí)間基本在12～16 s，與常溫相比，衰減了40%～70%；到第10腳滿油門時(shí)，動力性有所改善，百公里加速時(shí)間約為10 s，與常溫相比，衰減10%左右。

3.3 雙電機(jī)純電動系統(tǒng)的弊端

隨著溫度的降低，電池的放電功率也在同步降低。對于HEV車型，當(dāng)環(huán)境溫度降低至-30 ℃時(shí)，電池的放電功率基本降為0 kW。

電池放電功率0 kW時(shí)不同模式的輪端扭矩特性曲線如圖5所示。由圖可以看出，在-30 ℃時(shí)，混動系統(tǒng)的雙電機(jī)純電動模式無法工作，系統(tǒng)只能切換到串聯(lián)增程模式下工作。

所以對于極寒情況下，百公里加速時(shí)，雙電機(jī)模式無法正常工作，系統(tǒng)只能切換到串聯(lián)模式，此時(shí)整車的動力性能會大幅降低，動力性能衰減嚴(yán)重。

由此可見，雙電機(jī)純電動模式，雖然可以降低系統(tǒng)成本，但是也有弊端。對于HEV車型，在-30 ℃時(shí)，電池放電功率基本為0 kW，無法使用雙電機(jī)純電動模式，動力性能衰減嚴(yán)重。所以雙電機(jī)純電動模式并不適用于HEV車型。對于PHEV車型，低溫情況下，電池還有一定的放電功率，影響相對小一些，基本可以滿足低溫動力性的要求。

4 適用于HEV車型的系統(tǒng)方案

4.1 HEV車型機(jī)電耦合系統(tǒng)方案優(yōu)化

針對HEV車型，取消C0離合器和雙電機(jī)純電動模式，混動方案如圖6所示。

圖6 混動方案

為了解決HEV車型低溫動力性衰減嚴(yán)重的問題，可以將兩個(gè)電機(jī)的功率和扭矩性能提升，保證串聯(lián)增程模式下的動力性能與雙電機(jī)純電動模式下的性能相當(dāng)，這樣才能保證低溫性能衰減在可接受范圍內(nèi)。

4.2 擋位切換控制策略

如果發(fā)電機(jī)和驅(qū)動電機(jī)匹配較大，對于模式間的切換，無須做離合器滑摩控制，1擋與2擋的切換，可以利用增程模式進(jìn)行過渡，在保證動力換擋的同時(shí)，還能降低對離合器的需求?；靹酉到y(tǒng)方案的輪端扭矩特性曲線如圖7所示。

圖7 混動系統(tǒng)方案的輪端扭矩特性曲線

4.3 機(jī)電耦合系統(tǒng)方案對標(biāo)

主流公司PHEV混動方案對比如圖8所示。由圖可以看出，豐田的THS系統(tǒng)與通用的Voltec系統(tǒng)，PHEV車型使用了單向離合器，具有雙電機(jī)純電動模式，系統(tǒng)使用雙電機(jī)純電動模式進(jìn)行加速。

圖8 主流公司PHEV混動方案對比

主流公司HEV混動方案對比如圖9所示。由圖可以看到，對于HEV車型沒有單向離合器，豐田的THS系統(tǒng)與通用的Voltec系統(tǒng)均使用功率分流模式進(jìn)行加速[10-15]。

圖9 主流公司HEV混動方案對比

根據(jù)以上分析，針對本田的i-MMD類型的串并聯(lián)混動系統(tǒng)，對于HEV車型，應(yīng)該采用大電機(jī)的混動方案，這樣可以保證低溫的動力性；對于PHEV車型，可考慮增加雙電機(jī)純電動模式，這樣可以降低電機(jī)系統(tǒng)的功率和扭矩需求，降低混動系統(tǒng)的成本。

對于本田的i-MMD系統(tǒng)，HEV車型與PHEV車型，使用同一種構(gòu)型，均未使用C0離合器，均無雙電機(jī)純電動模式，百公里加速時(shí)采用的是串聯(lián)增程模式，如圖8所示。所以即便是本田的i-MMD開發(fā)了三代，其電機(jī)的功率和扭矩一直較大，無法降低。

表2為兩種混動方案對比分析。對于HEV車型，應(yīng)該采用大電機(jī)的混動方案，這樣可以保證低溫的動力性；對于PHEV車型，可考慮增加雙電機(jī)純電動模式。

表2 兩種混動方案對比分析

5 結(jié)論

(1)對于含雙電機(jī)純電動模式的混動方案，匹配的是小功率、小扭矩電機(jī)，擋位切換時(shí)，需要離合器的滑摩控制且難度大；對于只有單電機(jī)純電模式的混動方案，匹配的是大功率、大扭矩電機(jī)，擋位切換時(shí)，可以利用增程模式過渡，不需要離合器的滑摩控制，模式切換簡單。

(2)對于HEV車型，在低溫情況下，電池放電功率受限，無法使用雙電機(jī)純電動模式，只能使用增程模式加速。所以雙電機(jī)純電動模式并不適用于HEV車型。

(3)考慮低溫動力性，對于含雙電機(jī)純電動模式的混動方案，匹配的是小功率、小扭矩電機(jī)，適用于PHEV車型，可以利用PHEV電池包放電功率大，解決低溫動力性的問題；對于只有單電機(jī)純電模式的混動方案，匹配的是大功率、大扭矩電機(jī)，適用于HEV車型，可以利用大電機(jī)發(fā)電功率大，使用串聯(lián)增程模式解決低溫動力性的問題。