AMT中度混合動(dòng)力汽車(chē)經(jīng)濟(jì)性換擋規(guī)律研究

秦大同 龍海威 胡明輝 葉 心

1.重慶大學(xué)機(jī)械傳動(dòng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶，400044 2.重慶理工大學(xué)，重慶，400050

0 引言

中度混合動(dòng)力汽車(chē)（hybrid electric vehicle，HEV）采用較大功率的電機(jī)，具有純電動(dòng)驅(qū)動(dòng)工況，因此可以進(jìn)一步提高混合動(dòng)力汽車(chē)的燃油經(jīng)濟(jì)性和排放性能。

機(jī)械自動(dòng)變速器（automated manual transmission，AMT）以其效率高、成本低和易于制造等優(yōu)點(diǎn)而成為國(guó)內(nèi)外混合動(dòng)力汽車(chē)采用的自動(dòng)變速器主要類(lèi)型之一。對(duì)于采用AMT的混合動(dòng)力汽車(chē)，通過(guò)AMT自動(dòng)換擋優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)的工作區(qū)域，提高整車(chē)的燃油經(jīng)濟(jì)性，是混合動(dòng)力汽車(chē)研究的重要內(nèi)容。文獻(xiàn)［1］以發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩、電機(jī)轉(zhuǎn)矩和車(chē)速為控制參數(shù)，將整車(chē)運(yùn)行時(shí)的電驅(qū)動(dòng)能耗或發(fā)電產(chǎn)生的電池電能等效為燃油量，以綜合油耗最小為目標(biāo)確定了混合動(dòng)力汽車(chē)的最佳經(jīng)濟(jì)性換擋規(guī)律。文獻(xiàn)［2］針對(duì)輕度混合動(dòng)力AMT系統(tǒng)，在電機(jī)助力模式下根據(jù)不同轉(zhuǎn)矩需求確定發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)最佳轉(zhuǎn)矩分配，制定整車(chē)經(jīng)濟(jì)性換擋規(guī)律。先進(jìn)汽車(chē)仿真軟件ADVISOR以發(fā)動(dòng)機(jī)或電機(jī)的效率最優(yōu)為目標(biāo)來(lái)制定AMT混合動(dòng)力汽車(chē)的換擋規(guī)律［3］。

本文綜合考慮發(fā)動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)、電池和傳動(dòng)系的效率，以系統(tǒng)效率最優(yōu)為目標(biāo)，在對(duì)混合動(dòng)力系統(tǒng)進(jìn)行效率優(yōu)化，確定了混合動(dòng)力系統(tǒng)各驅(qū)動(dòng)模式的工作區(qū)間和模式切換控制策略的基礎(chǔ)上，以各驅(qū)動(dòng)模式下系統(tǒng)效率最優(yōu)為目標(biāo)，制定了各驅(qū)動(dòng)模式下的經(jīng)濟(jì)性換擋規(guī)律，以提高中度混合動(dòng)力汽車(chē)的燃油經(jīng)濟(jì)性。

1 關(guān)鍵部件效率模型

本文所研究的中度混合動(dòng)力汽車(chē)結(jié)構(gòu)原理如圖1所示，圖中，ICE為發(fā)動(dòng)機(jī)。該中度混合動(dòng)力汽車(chē)在發(fā)動(dòng)機(jī)和ISG（Integrated Generator and Starter）電機(jī)之間、ISG電機(jī)和AMT之間分別有離合器1、2。通過(guò)控制這兩個(gè)離合器的分離和接合，該混合動(dòng)力汽車(chē)可以實(shí)現(xiàn)純電動(dòng)驅(qū)動(dòng)、發(fā)動(dòng)機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)、發(fā)動(dòng)機(jī)輕載充電、電機(jī)助力和再生制動(dòng)等工作模式。

通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架實(shí)驗(yàn)，測(cè)得發(fā)動(dòng)機(jī)有效燃油消耗率與轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的關(guān)系，然后利用發(fā)動(dòng)機(jī)效率計(jì)算公式

圖1 中度混合動(dòng)力汽車(chē)結(jié)構(gòu)

式中，ge為發(fā)動(dòng)機(jī)有效燃油消耗率；R 為汽油的熱值常數(shù)。

可得到發(fā)動(dòng)機(jī)的效率數(shù)值模型如圖2所示。

圖2 發(fā)動(dòng)機(jī)效率曲面

ISG電機(jī)效率模型也基于臺(tái)架實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)通過(guò)插值得到，如圖3所示。

圖3 ISG電機(jī)效率特性

電池的能量效率與電池充放電功率、蓄電池荷電狀態(tài)（S OC）、環(huán)境溫度t等有關(guān)。根據(jù)電池實(shí)驗(yàn)及理論推導(dǎo)，得到電池充放電效率模型如下［4］：

式中，ηb＿c為電池的充電效率；ηb＿d為電池的放電效率；ESOC，t為電池的電動(dòng)勢(shì)；RSOC，t為電池內(nèi)阻；Pb為電池的充放電功率，Pb＜0時(shí)為充電，Pb＞0時(shí)為放電。

傳動(dòng)系統(tǒng)的效率等于傳動(dòng)系統(tǒng)中離合器、變速器和主減速器等的效率的乘積，其主要的影響因素有輸入轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩以及AMT的擋位［5］，圖4所示為AMT從一擋到五擋時(shí)傳動(dòng)系統(tǒng)的效率曲面。

圖4 傳動(dòng)系統(tǒng)效率

2 混合動(dòng)力系統(tǒng)工作模式劃分區(qū)域

本文采用文獻(xiàn)［6-8］中提出的系統(tǒng)效率瞬時(shí)優(yōu)化和全局優(yōu)化相結(jié)合的方法，分別得到圖5所示的中度混合動(dòng)力汽車(chē)和傳統(tǒng)汽車(chē)的效率圖。將圖5中的兩種系統(tǒng)效率投影在車(chē)速-加速度平面，得到了圖6所示的基于系統(tǒng)效率的工作模式切換規(guī)律。當(dāng)電池荷電狀態(tài)值SSOC大于設(shè)定閾值XSOC時(shí)，在不同車(chē)速和加速度下，中度混合動(dòng)力汽車(chē)的工作區(qū)域可以劃分為純電動(dòng)區(qū)域、發(fā)動(dòng)機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)區(qū)域和電機(jī)助力區(qū)域，如圖6a所示。當(dāng)SSOC＜XSOC時(shí)，在不同車(chē)速和加速度下，混合動(dòng)力汽車(chē)的工作區(qū)域可以劃分為發(fā)動(dòng)機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)區(qū)域和輕載充電區(qū)域，如圖6b所示。再采用 “三系數(shù)”法［8］對(duì)圖中的發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)閉曲線、輕載充電曲線和S OC切換閾值進(jìn)行優(yōu)化，可得到基于系統(tǒng)效率最優(yōu)的工作模式切換策略。為了分析每個(gè)工作模式下混合動(dòng)力汽車(chē)的經(jīng)濟(jì)性換擋規(guī)律，將圖6轉(zhuǎn)化到“車(chē)速-油門(mén)開(kāi)度”的關(guān)系圖上，得到圖7所示的工作模式劃分區(qū)域。

3 AMT中度混合動(dòng)力汽車(chē)經(jīng)濟(jì)性換擋規(guī)律

3.1 各模式下的經(jīng)濟(jì)性換擋規(guī)律

AMT中度混合動(dòng)力汽車(chē)中，發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)共同工作時(shí)，其經(jīng)濟(jì)性換擋規(guī)律的控制目標(biāo)是在不同車(chē)速和加速度需求下，通過(guò)AMT擋位自動(dòng)調(diào)節(jié)來(lái)控制發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速，從而使得動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的效率最高［9-11］。此時(shí)，對(duì)于混合動(dòng)力系統(tǒng)有

圖5 混合動(dòng)力汽車(chē)與傳統(tǒng)汽車(chē)效率對(duì)比圖

圖6 驅(qū)動(dòng)工況工作區(qū)域劃分

約束條件為

圖7 驅(qū)動(dòng)工況工作區(qū)域劃分

式中，Treq為整車(chē)需求轉(zhuǎn)矩；Tm為電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩（其中Tm為正代表ISG電機(jī)電動(dòng)，Tm為負(fù)表示ISG電機(jī)充電）；Te為發(fā)動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩；ig（m）（m ＝1，2，3，4，5）為AMT速比；i0為主減速器速比；ωe為發(fā)動(dòng)機(jī)角速度；ωm為電機(jī)角速度；v為整車(chē)車(chē)速；rwh為車(chē)輪半徑；ωemin、ωemax分別為發(fā)動(dòng)機(jī)最小和最大角速度；ωmmin、ωmmax分別為電機(jī)最小和最大角速度；Temin、Temax分別為發(fā)動(dòng)機(jī)最小和最大轉(zhuǎn)矩；Tmmin、Tmmax分 別 為 電 機(jī) 最 小 和 最 大 轉(zhuǎn) 矩；SSOC，min、SSOC，max分別為設(shè)定的電池最小荷電狀態(tài)值和最大荷電狀態(tài)值。

發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)共同工作包括電機(jī)助力和發(fā)動(dòng)機(jī)輕載充電兩種工作模式，系統(tǒng)效率主要由發(fā)動(dòng)機(jī)效率、電機(jī)效率、電池放電效率和傳動(dòng)系統(tǒng)效率決定。本文沒(méi)有考慮電機(jī)控制器和DCDC的效率。

電機(jī)助力工作模式下，系統(tǒng)效率可以表示為

式中，ηt為傳動(dòng)系統(tǒng)效率。

發(fā)動(dòng)機(jī)輕載充電模式下，系統(tǒng)效率可以表示為

在車(chē)速和加速度一定時(shí)，整車(chē)的需求轉(zhuǎn)矩Treq一定，由式（4）、式（5）和其變量的約束條件可知，AMT擋位以及發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速在其允許范圍內(nèi)存在多種選擇。由式（6）和式（7）可以求出每種選擇下的系統(tǒng)效率，從而可以通過(guò)每一車(chē)速和加速度下AMT擋位的優(yōu)化使得混合動(dòng)力系統(tǒng)效率達(dá)到最優(yōu)，優(yōu)化后的AMT目標(biāo)擋位如圖8和圖9所示（注：MATLAB軟件中由surf命令得到的三維圖都是由“四邊形”和“三角形”等組成，因此圖中的“三角形”是正常顯示。由于本文中擋位是離散的，導(dǎo)致目標(biāo)擋位圖中的“三角形”部分比較明顯）。

圖8 電機(jī)助力時(shí)的目標(biāo)擋位

圖9 輕載充電時(shí)的目標(biāo)擋位

將圖8和圖9所示的電機(jī)助力模式和發(fā)動(dòng)機(jī)輕載充電模式下的目標(biāo)擋位轉(zhuǎn)換到“車(chē)速-油門(mén)開(kāi)度”關(guān)系圖上，可以分別得到電機(jī)助力模式和發(fā)動(dòng)機(jī)輕載充電模式下的經(jīng)濟(jì)性換擋規(guī)律。圖10和圖11所示為優(yōu)化所得的經(jīng)濟(jì)性升擋規(guī)律，經(jīng)濟(jì)性降擋規(guī)律可以采用等延遲型降擋控制策略直接獲取。

圖10 電機(jī)助力時(shí)的升擋規(guī)律

當(dāng)AMT中度混合動(dòng)力汽車(chē)運(yùn)行在純電動(dòng)工作模式和發(fā)動(dòng)機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)模式時(shí)，同樣可以先計(jì)算出系統(tǒng)效率，再通過(guò)效率優(yōu)化的方式得到這兩個(gè)模式下的目標(biāo)擋位。最終得到的純電動(dòng)模式和發(fā)動(dòng)機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)模式下的經(jīng)濟(jì)性換擋規(guī)律如圖12和圖13所示。

圖11 輕載充電時(shí)的升擋規(guī)律

圖12 純電動(dòng)時(shí)的升擋規(guī)律

圖13 發(fā)動(dòng)機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)時(shí)的升擋規(guī)律

3.2 整車(chē)經(jīng)濟(jì)性換擋規(guī)律

在已獲得驅(qū)動(dòng)工況下所有工作模式的經(jīng)濟(jì)性升擋規(guī)律的基礎(chǔ)上，將不同工作模式下的升擋規(guī)律進(jìn)行整合，可以得到AMT中度混合動(dòng)力汽車(chē)驅(qū)動(dòng)工況下的經(jīng)濟(jì)性升擋規(guī)律，如圖14所示。

當(dāng)SSOC大于設(shè)定閾值XSOC時(shí)，混合動(dòng)力汽車(chē)可能的工作模式有純電動(dòng)模式、發(fā)動(dòng)機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)模式和電機(jī)助力模式，在此條件下按圖14a所示升擋規(guī)律進(jìn)行換擋，從圖中可以看出，電機(jī)助力時(shí)的換擋車(chē)速較發(fā)動(dòng)機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)時(shí)的換擋車(chē)速高，這是因?yàn)殡姍C(jī)助力運(yùn)行時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)從高負(fù)荷降低為中負(fù)荷工作，工作點(diǎn)向經(jīng)濟(jì)性曲線靠攏，以使整車(chē)系統(tǒng)效率較高，所以換擋車(chē)速有所提高。當(dāng)SSOC小于XSOC時(shí)，混合動(dòng)力汽車(chē)可能的工作模式包括輕載充電模式和發(fā)動(dòng)機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)模式。在此條件下，整車(chē)按圖14b所示升擋規(guī)律進(jìn)行換擋，從圖中可以看出輕載充電時(shí)的換擋車(chē)速較發(fā)動(dòng)機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)時(shí)低，這是因?yàn)檩p載充電時(shí)，整車(chē)負(fù)荷較低，由于電機(jī)的充電，發(fā)動(dòng)機(jī)由低負(fù)荷升高到中負(fù)荷工作，工作點(diǎn)向經(jīng)濟(jì)性曲線靠攏，以使整車(chē)系統(tǒng)效率較高，所以換擋車(chē)速有所降低。

圖14 AMT中度混合動(dòng)力汽車(chē)經(jīng)濟(jì)性升擋規(guī)律

4 仿真分析

為了驗(yàn)證本文提出的經(jīng)濟(jì)性換擋策略的有效性，基于ADVISOR中已有的輕度混合動(dòng)力汽車(chē)Insight模型進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，在發(fā)動(dòng)機(jī)模塊和ISG電機(jī)模塊之間加上一個(gè)離合器模塊，再對(duì)整車(chē)參數(shù)進(jìn)行相應(yīng)的修改，即得到本文中的中度混合動(dòng)力汽車(chē)整車(chē)模型。在此基礎(chǔ)上分別對(duì)本文的換擋策略和采用與ADVIOSR相同的換擋策略在ECE＋EUDC循環(huán)工況（圖15）下進(jìn)行了仿真，模型中的仿真參數(shù)見(jiàn)表1。

圖15 ECE＋EUDC循環(huán)工況

表1 仿真參數(shù)

圖16a和圖16b別為采用本文提出的經(jīng)濟(jì)性換擋策略和采用與ADVISOR相同的換擋策略在ECE＋EUDC循環(huán)工況下的仿真結(jié)果。圖16a中，在ECE工況階段，AMT的最高擋位達(dá)到了4擋，發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)的平均轉(zhuǎn)速較圖16b中低，但輸出轉(zhuǎn)矩較大，發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)的工作點(diǎn)向其各自的經(jīng)濟(jì)性曲線靠攏，使得整車(chē)系統(tǒng)效率較高。循環(huán)結(jié)束時(shí)，共耗油653mL，SSOC為0.6467，降低了0.0533，折算油耗為 10.7mL。循環(huán)共行駛了11.022km，綜合百公里油耗為6.09L。圖16b中，在ECE工況階段，最高擋位只有3擋，循環(huán)結(jié)束時(shí)，共耗油675mL，SSOC為0.6353，降低了0.0647，折算油耗為12.9mL。綜合百公里油耗為6.31L，節(jié)油率為3.5%。

圖16 換擋策略仿真與結(jié)果對(duì)比

兩種換擋控制策略仿真結(jié)果對(duì)比如表2所示。結(jié)果表明，針對(duì)本文中的混合動(dòng)力車(chē)型，采用本文提出的經(jīng)濟(jì)性換擋控制策略比采用與ADVISOR相同的換擋控制策略在整個(gè)循環(huán)工況中的綜合能耗更少，能更好地發(fā)揮中度混合動(dòng)力汽車(chē)的節(jié)油潛力。

表2 仿真結(jié)果對(duì)比

5 結(jié)論

（1）基于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，分別建立了混合動(dòng)力汽車(chē)各關(guān)鍵部件的效率模型。（2）以系統(tǒng)效率優(yōu)化為目標(biāo)先確定了中度混合動(dòng)力驅(qū)動(dòng)工況各工作模式的工作區(qū)域及工作模式的切換條件，然后分別確定了AMT汽車(chē)在各模式下的經(jīng)濟(jì)性換擋規(guī)律，在此基礎(chǔ)上得到了中度混合動(dòng)力汽車(chē)在驅(qū)動(dòng)工況下的經(jīng)濟(jì)性換擋規(guī)律。（3）以 MATLAB／Simulink為平臺(tái)建立了中度混合動(dòng)力汽車(chē)的整車(chē)模型，在ECE＋EUDC循環(huán)工況下對(duì)提出的控制策略進(jìn)行了仿真，并與ADVISOR中已有的換擋控制策略進(jìn)行了比較，結(jié)果表明，對(duì)于本文中的中度混合動(dòng)力車(chē)型，本文提出的經(jīng)濟(jì)性換擋策略較采用與ADVISOR相同的換擋控制策略能較好地提高整車(chē)的燃油經(jīng)濟(jì)性。

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