方瑞蓮 蔡強(qiáng) 張維果 何穎

摘要：動(dòng)力耦合技術(shù)是混合動(dòng)力汽車(chē)的核心技術(shù)，動(dòng)力參數(shù)匹配結(jié)果直接影響車(chē)輛的動(dòng)力性能。以串聯(lián)式混合動(dòng)力汽車(chē)的動(dòng)力耦合控制技術(shù)為研究對(duì)象，根據(jù)汽車(chē)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及動(dòng)力源的參數(shù)特點(diǎn)。進(jìn)行驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)力參數(shù)匹配設(shè)計(jì)，提出一種能綜合兼顧車(chē)輛行駛中動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性及排放性能的最佳驅(qū)動(dòng)動(dòng)力控制策略。

關(guān)鍵詞：混合動(dòng)力；控制策略；動(dòng)力耦合

中圖分類(lèi)號(hào)：U469.7 ?收稿日期：2023-03-22

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2023.07.007

1 前言

近年來(lái)，汽車(chē)工業(yè)革命再次興起，新能源汽車(chē)技術(shù)的突飛猛進(jìn)是當(dāng)前能源危機(jī)、環(huán)境惡化等大背景下的必然發(fā)展方向。從“十三五”以后，由于國(guó)家和地方的雙重推動(dòng)，新能源的質(zhì)量和體量有了很大的變化，我國(guó)以混合動(dòng)力汽車(chē)為核心的新能源汽車(chē)產(chǎn)業(yè)就開(kāi)始進(jìn)入加速階段?！笆奈濉薄靶履茉椿蓖瑯映蔀槲覈?guó)支持汽車(chē)產(chǎn)業(yè)跨域發(fā)展的內(nèi)核。發(fā)展新能源汽車(chē)是實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)的重要手段，而完全實(shí)現(xiàn)純電動(dòng)化周期較長(zhǎng)，混合動(dòng)力汽車(chē)將會(huì)是過(guò)渡期的重要替代品，在未來(lái)一定時(shí)期內(nèi)是承擔(dān)汽車(chē)低碳化發(fā)展的重要方案。中國(guó)汽車(chē)工程學(xué)會(huì)提出，到2025年、2030年和2035年，新能源汽車(chē)分別達(dá)到總銷(xiāo)量的20%、40%和50%，節(jié)能汽車(chē)（包括48 V、HEV等混動(dòng)技術(shù)方案）分別達(dá)到傳統(tǒng)能源乘用車(chē)50%、75%和100%的總目標(biāo)。由此預(yù)計(jì)，未來(lái)一段時(shí)間內(nèi)，我國(guó)混動(dòng)汽車(chē)將保持快速增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)，并逐步實(shí)現(xiàn)對(duì)傳統(tǒng)燃油車(chē)的升級(jí)替代［1］。

按照使用動(dòng)力源不同分類(lèi)，目前市場(chǎng)上主流新能源汽車(chē)有純電動(dòng)汽車(chē)及混合動(dòng)力汽車(chē)兩大類(lèi)。純電動(dòng)汽車(chē)的續(xù)航是其發(fā)展的主要瓶頸，而混合動(dòng)力汽車(chē)恰好彌補(bǔ)純電動(dòng)汽車(chē)的此缺陷，因此，混合動(dòng)力汽車(chē)成為當(dāng)前新能源汽車(chē)發(fā)展的主流，研究混合動(dòng)力的動(dòng)力耦合技術(shù)具有非常重要的意義。本文以理想ONE汽車(chē)為參考車(chē)型，基于該車(chē)型的一些參數(shù)對(duì)串聯(lián)式混合動(dòng)力汽車(chē)的動(dòng)力耦合控制設(shè)計(jì)。

2 串聯(lián)式混合動(dòng)力汽車(chē)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)介紹

混合動(dòng)力汽車(chē)（Hybrid Vehicle）是指車(chē)輛的動(dòng)力源由兩個(gè)或者多個(gè)組成，它的系統(tǒng)會(huì)根據(jù)路況、汽車(chē)行駛的狀況下分配動(dòng)力。這里的混合動(dòng)力汽車(chē)，通常是指油電混合，它是當(dāng)下出行最常見(jiàn)的混動(dòng)類(lèi)型，動(dòng)力源是由內(nèi)燃機(jī)和動(dòng)力電池組成。這種混動(dòng)技術(shù)，可以讓增程器避開(kāi)低效率的工作區(qū)域，使增程器時(shí)時(shí)刻刻工作在高效區(qū)域。

根據(jù)動(dòng)力電池和增程器連接結(jié)構(gòu)的不同，可以將其分成串聯(lián)式混合動(dòng)力汽車(chē)（SHEV）、并聯(lián)式混合動(dòng)力汽車(chē)（PHEV）和混聯(lián)式混合動(dòng)力汽車(chē)（PSHEV）三種驅(qū)動(dòng)模式。

所謂的串聯(lián)式混合動(dòng)力汽車(chē)其實(shí)就是增程式電動(dòng)汽車(chē)，是在純電動(dòng)汽車(chē)基礎(chǔ)上增加了一個(gè)發(fā)電機(jī)，發(fā)電機(jī)并不能直接驅(qū)動(dòng)汽車(chē)行駛。當(dāng)動(dòng)力電池電量不足時(shí)給動(dòng)力電池充電，同時(shí)驅(qū)動(dòng)汽車(chē)行駛。它本質(zhì)是兩種動(dòng)力裝置直列式排列，前級(jí)的動(dòng)力輸出是后級(jí)的功率輸入，由電能作為直接驅(qū)動(dòng)動(dòng)力，并且只有電力一種最終動(dòng)力［2］。

2.1 動(dòng)力源主要參數(shù)

參考理想汽車(chē)某車(chē)型，本文研究的串聯(lián)式混合動(dòng)力采用增程器、動(dòng)力電池為動(dòng)力源，驅(qū)動(dòng)車(chē)輪的力來(lái)自驅(qū)動(dòng)電機(jī)，而給驅(qū)動(dòng)電機(jī)的動(dòng)力源是增程器和動(dòng)力電池。即增程器動(dòng)力經(jīng)過(guò)驅(qū)動(dòng)電機(jī)輸出，動(dòng)力電池通過(guò)驅(qū)動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)汽車(chē)，增程器還可以給電池充電的動(dòng)力方案設(shè)計(jì)。串聯(lián)式混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)基本上由發(fā)電機(jī)、增程器、整流器、蓄電池組、機(jī)械傳動(dòng)裝置和牽引電動(dòng)機(jī)組成，如圖1所示。

a.增程器主要參數(shù)。

采用排量為1 199 mL的渦輪增壓增程器（型號(hào)DAM12TD），最大功率轉(zhuǎn)速5 500 r/min，最大馬力131 Ps，國(guó)六b的環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)。

b.電動(dòng)機(jī)參數(shù)。

對(duì)于串聯(lián)式混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)，所有動(dòng)力驅(qū)動(dòng)完全依賴(lài)于電動(dòng)機(jī)，因此要求起步或爬坡時(shí)低速恒轉(zhuǎn)矩，高速時(shí)恒功率，正好利用電機(jī)的特性來(lái)驅(qū)動(dòng)車(chē)輛，并實(shí)現(xiàn)制動(dòng)能量回收。根據(jù)參考車(chē)型，本文研究采用總功率245 kW、總扭矩為455 N·m的雙驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)，電動(dòng)機(jī)馬力333 Ps；前電動(dòng)機(jī)最大功率100 kW、最大扭矩240 N·m，后電動(dòng)機(jī)最大功率145 kW、最大扭矩215 N·m。

c.動(dòng)力電池參數(shù)。

采用可逆式直流高壓電的三元鋰電池，電池容量40.5 kW·h，最大對(duì)外放電功率2.2 kW，對(duì)外放電最低允許值20%。

2.2 工作概況

串聯(lián)式混合動(dòng)力汽車(chē)的動(dòng)力耦合控制，主要是合理分配能量源和控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)功率輸出。

驅(qū)動(dòng)電機(jī)的輸出功率、轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的關(guān)系式：

[PM=Mn9 549] ?????????????????????????????????（1）

式中，[PM]為原動(dòng)機(jī)的輸出功率，kW；n為原動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，r/min；M為原動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩，N·m。

根據(jù)驅(qū)動(dòng)電機(jī)相關(guān)參數(shù)可求驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速：前驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速n1=3 978.75 r/min，后驅(qū)動(dòng)電機(jī)n2=6 440.023 r/min，車(chē)速、轉(zhuǎn)速、傳動(dòng)比之間關(guān)系式：

[va=0.377nrigi0] ????????????????????????????（2）

式中，[va]為電動(dòng)汽車(chē)的車(chē)速；n為驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速；R為驅(qū)動(dòng)輪胎的半徑；ig為變速器的傳動(dòng)比；i0為減速器的轉(zhuǎn)動(dòng)比。

本文研究的車(chē)型的動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)中，驅(qū)動(dòng)電機(jī)到車(chē)輪只用一個(gè)單級(jí)減速器，故ig=1，根據(jù)數(shù)據(jù)計(jì)算i0=5.4。汽車(chē)的驅(qū)動(dòng)力以扭矩的形式傳給驅(qū)動(dòng)輪，最終由驅(qū)動(dòng)輪驅(qū)動(dòng)整車(chē)行駛，驅(qū)動(dòng)輪的直徑、寬度、高度等一些參數(shù)直接影響驅(qū)動(dòng)效率，即驅(qū)動(dòng)輪的規(guī)格影響汽車(chē)動(dòng)力性能。本文以參考車(chē)型理想汽車(chē)某車(chē)型使用的輪胎，其前后輪胎的規(guī)格型號(hào)均是255/50 R20，即輪胎的寬度是255 mm、扁平率為50、輪轂直徑20 in的子午線(xiàn)輪胎。再計(jì)算驅(qū)動(dòng)輪的直徑r，（r=輪輞直徑+輪胎寬度×扁平率×2），可得r=0.3815 m。

增程專(zhuān)用增程器的轉(zhuǎn)速在2 000～3 500 r/min范圍，為其燃油消耗最理想的區(qū)域，對(duì)應(yīng)的功率區(qū)域在24～52 kW。

由公式（1）可求增程器的最大輸出功率和驅(qū)動(dòng)電機(jī)的最大輸出功率，其能量的轉(zhuǎn)動(dòng)效率[η=0.79]，即[η=PfPd=0.7931]，結(jié)合以上的相關(guān)參數(shù)計(jì)算得驅(qū)動(dòng)電機(jī)的經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)速在1 586～2 776 r/min范圍。再由公式（2）計(jì)算得增程器工作在經(jīng)濟(jì)時(shí)，相應(yīng)的車(chē)速在42～74 km/h范圍，故驅(qū)動(dòng)力控制策略中，考慮當(dāng)增程器介入工作時(shí)，確保增程器工作在經(jīng)濟(jì)區(qū)范圍，即可有效地減少汽車(chē)的油耗［3-4］。

3 耦合控制方案

3.1 工作模式

串聯(lián)式混合動(dòng)力結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，增程增程器輸出扭矩不直接驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)，而是驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，則發(fā)電機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)動(dòng)力電池充電或電驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的功能。車(chē)輛在各種不同的工況、環(huán)境行駛時(shí)，動(dòng)力控制的基本原則是：對(duì)車(chē)輛要兼顧動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性等多方面性能，且滿(mǎn)足續(xù)航，此外，還考慮能源節(jié)省，減少有害排放?；趧?dòng)力控制基本原則，本文對(duì)串聯(lián)式混合動(dòng)力汽車(chē)的動(dòng)力控制根據(jù)不同工況分三種模式進(jìn)行研究，即純電優(yōu)先模式、燃油優(yōu)先模式和油電混合模式［5］。

a.純電優(yōu)先模式。

當(dāng)車(chē)輛在市區(qū)內(nèi)行駛時(shí)，由于交通環(huán)境復(fù)雜，具有行駛里程不高，行駛速度為60 km/h以?xún)?nèi)，環(huán)境排放要求高等特點(diǎn)，車(chē)輛所需的驅(qū)動(dòng)力由動(dòng)力電池組提供，即電池優(yōu)先驅(qū)動(dòng)電機(jī)輸出。若動(dòng)力電池組的SOC值低于20%時(shí)，才由增程器驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，由發(fā)動(dòng)電機(jī)輸出動(dòng)力驅(qū)動(dòng)電機(jī)，保證車(chē)輛動(dòng)力性及續(xù)航。驅(qū)動(dòng)力傳輸如圖2a所示。

b.燃油優(yōu)先模式。

當(dāng)車(chē)輛在市外郊區(qū)或者偏遠(yuǎn)的鄉(xiāng)村路行駛時(shí)，由于道路條件較差，路面窄、彎曲、坡度多等情況；周邊充電站少甚至沒(méi)有，充電條件受限制，因此車(chē)輛所需的驅(qū)動(dòng)力控制基本原則為：當(dāng)電池組的SOC值高于70%時(shí)，由電池組驅(qū)動(dòng)電機(jī)；當(dāng)電池電量低于70%或車(chē)輛處于急加速行駛、爬坡時(shí)增程器才會(huì)介入工作，同時(shí)在保證動(dòng)力滿(mǎn)足的條件下給電池包充電。驅(qū)動(dòng)力傳輸如圖2b所示。

c.油電混合模式。

當(dāng)車(chē)輛需要遠(yuǎn)距離或高速公路行駛時(shí)，車(chē)輛的行駛速度以高速為主，且確保續(xù)航。此工況下，即便開(kāi)始動(dòng)力電池組的SOC值還高，若先由動(dòng)力電池提供驅(qū)動(dòng)力，則電池組的SOC值很快下降，其下降后再由增程器發(fā)動(dòng)給蓄電池充電則增加油耗，能源利用效率低，甚至影響旅程。因此，此工況下采用增程器及電池組共同驅(qū)動(dòng)的模式，增程器在經(jīng)濟(jì)區(qū)工作，動(dòng)力電池的SOC值低于80%則由增程器充電，確保動(dòng)力電池的SOC值不低于80%。驅(qū)動(dòng)力傳輸如圖2c所示。

d.行車(chē)充電模式。

車(chē)輛在行駛過(guò)程中，控制單元采集到動(dòng)力電池的SOC值小于設(shè)定值（不同模式設(shè)定值不同）時(shí)，增程器會(huì)介入工作，在滿(mǎn)足汽車(chē)行駛所需的動(dòng)力的前提下，把剩余的電量通過(guò)充電模塊保存到動(dòng)力電池里面儲(chǔ)存起來(lái)。驅(qū)動(dòng)力傳輸如圖2d所示。

3.2 控制方案

車(chē)輛行駛過(guò)程中，不同工況所需的動(dòng)力不同。本文研究控制方案基于單片機(jī)技術(shù)進(jìn)行對(duì)動(dòng)力輸出控制，控制單元是根據(jù)控制策略編制程序的控制模塊，通過(guò)各傳感器采集車(chē)輛實(shí)時(shí)狀況，車(chē)速、動(dòng)力電池的SOC值等狀態(tài)、車(chē)輛制動(dòng)、急加速、爬坡等參數(shù)作為動(dòng)力控制的主要參考參數(shù)（因素），將信號(hào)反饋給控制中心，控制中心通過(guò)數(shù)據(jù)計(jì)算、對(duì)比分析，確定動(dòng)力模式并對(duì)執(zhí)行裝置發(fā)出執(zhí)行指令執(zhí)行裝置接收到執(zhí)行信號(hào)后，對(duì)動(dòng)力進(jìn)行控制，增程器、動(dòng)力電池二者電動(dòng)動(dòng)力輸出控制，從而達(dá)到控制的目的［6-7］。控制方案框圖見(jiàn)圖3。

4 結(jié)語(yǔ)

混合動(dòng)力是一個(gè)復(fù)雜的多動(dòng)力源系統(tǒng)，不同工況下動(dòng)力輸出的控制策略要兼顧車(chē)輛的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性外，還考慮排放、車(chē)輛壽命、續(xù)航里程等多方面因素。通過(guò)以車(chē)速和動(dòng)力電池的SOC值為主要參數(shù)的混合動(dòng)力控制策略，根據(jù)不同工況分純電輸出、純?nèi)加洼敵?、混合輸出三種動(dòng)力輸出模式，同時(shí)電池的SOC值低于設(shè)定值時(shí)增程器給電池充電。在三種模式中，單一動(dòng)力源輸出模式相對(duì)比較簡(jiǎn)單，二者動(dòng)力共同輸出模式較為復(fù)雜，難點(diǎn)在于各二者動(dòng)力輸出動(dòng)力的匹配，本文僅以按照參考車(chē)型計(jì)算的經(jīng)濟(jì)車(chē)速范圍內(nèi)二者共同輸出，二者動(dòng)力輸出的精準(zhǔn)匹配有待繼續(xù)深入研究。

控制策略程序完成編制后，對(duì)系統(tǒng)的控制方案進(jìn)行仿真，通過(guò)電路仿真軟件proteus或者相關(guān)軟件仿真；或者通過(guò)模型制作對(duì)系統(tǒng)仿真驗(yàn)證，本文研究的控制方案可行，三種模式的動(dòng)力輸出順暢達(dá)到預(yù)期效果。

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作者簡(jiǎn)介：

方瑞蓮，女，1982年生，工程師，研究方向?yàn)樾履茉雌?chē)動(dòng)力。