搭載機電控制CVT的混合動力汽車驅(qū)動工況調(diào)速策略

葉 明，彭 江，任 洪，胡經(jīng)慶，程 越

(a.汽車零部件先進制造技術(shù)教育部重點實驗室；b.重慶理工大學 車輛工程學院，重慶 400054)

搭載機電控制CVT的混合動力汽車驅(qū)動工況調(diào)速策略

葉 明a，彭 江b，任 洪b，胡經(jīng)慶b，程 越b

(a.汽車零部件先進制造技術(shù)教育部重點實驗室；b.重慶理工大學 車輛工程學院，重慶 400054)

通過分析搭載機電控制CVT的插電式混合動力汽車的特點，確定單軸并聯(lián)式傳動方案。根據(jù)整車不同驅(qū)動工況下電池的荷電狀態(tài)以及整車需求功率的要求，綜合考慮系統(tǒng)效率，制定不同驅(qū)動工況下能量分配策略以及CVT速比策略，從而提出一種機電控制CVT混合動力汽車驅(qū)動工況調(diào)速策略。通過Matlab/Simulink和ADVISOR建立PHEV整車模型和調(diào)速策略，在NEDC工況下進行仿真。仿真結(jié)果表明：制定的調(diào)速策略使得驅(qū)動工況扭矩得到合理分配，進一步提高了電機和發(fā)動機的工作效率，最終使得整車在滿足動力性的同時油耗得到明顯的降低。

機電控制CVT；混合動力汽車；調(diào)速策略

插電式混合動力汽車(PHEV)融合了傳統(tǒng)內(nèi)燃機汽車和純電動汽車的優(yōu)點，既可降低燃油消耗、減少汽車尾氣污染，又可以使用外接電網(wǎng)充電，實現(xiàn)更長的純電動續(xù)航里程，是國際上新能源汽車研發(fā)的熱點[1]。插電式混合動力汽車裝備的變速器可以對動力源(發(fā)動機和電機)工作區(qū)域進行優(yōu)化，充分發(fā)揮自身性能。無級自動變速器具有無級變速功能，可連續(xù)調(diào)整動力源工作區(qū)域，因此很多混合動力車型裝備了無級自動變速器。傳統(tǒng)的電液式無級自動變速器需要液壓系統(tǒng)，動力由發(fā)動機提供，效率相對較低，制造成本相對較高。具有純電動工況的混合動力車系統(tǒng)無法在純電動工況下持續(xù)保證足夠的油壓。如果另外加裝供油系統(tǒng)，不僅使得成本增加，還會造成控制上的不便，限制了傳統(tǒng)電液式無級自動變速器在新能源電動汽車上的應(yīng)用。機電控制無級自動速器(electric-mechanical CVT,EMCVT)采用碟簧壓緊和電機調(diào)速，不需要液壓系統(tǒng)，可很好地解決這一問題[2]。

本文對插電式混合動力汽車動力總成的結(jié)構(gòu)特點和性能進行綜合分析，提出新型并聯(lián)式動力總成結(jié)構(gòu)。插電式混合動力汽車開發(fā)的主要核心技術(shù)之一是要很好地分配傳動系統(tǒng)的能量流，控制車輛的工作模式，從而達到更好的整車經(jīng)濟性[3]。為此，本文在搭載新型EMCVT的插電式混合動力汽車能量管理策略的基礎(chǔ)上進行了整車驅(qū)動工況調(diào)速策略的研究。

1 混合動力汽車系統(tǒng)組成

1.1 機電控制CVT結(jié)構(gòu)

EMCVT結(jié)構(gòu)原理如圖1所示。EMCVT的結(jié)構(gòu)主要包括驅(qū)動機構(gòu)、夾緊機構(gòu)和金屬帶傳動裝置。動力傳遞方式和傳統(tǒng)電液控制CVT相同，仍然采用金屬帶和帶輪實現(xiàn)。但調(diào)速和夾緊則采用由電機與齒輪減速器及絲桿螺母機構(gòu)組成的機械電子調(diào)速驅(qū)動機構(gòu)實現(xiàn)。該機構(gòu)推動主動帶輪動盤做軸向移動，從而改變金屬帶的有效工作半徑，實現(xiàn)速比的調(diào)節(jié)[4]。夾緊力則通過碟簧機構(gòu)實現(xiàn)。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，制造水平的要求不高，可靠性好。插電式混合動力系統(tǒng)搭載EMCVT時，不需要單獨構(gòu)建液壓系統(tǒng)來滿足純電動工況動力傳遞的需要，整個系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和控制都得到簡化。

1.調(diào)速電機；2.齒輪減速機構(gòu)；3.絲桿螺母機構(gòu)；4，7.碟簧；5.主動帶輪動盤；6.從動帶輪動盤

1.2 動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

本文所研究的PHEV搭載EMCVT后采用單軸并聯(lián)式混合動力系統(tǒng)。這種動力系統(tǒng)是目前很有發(fā)展前景的一種混合動力結(jié)構(gòu)，它省去了通過機械方式進行動力耦合的復雜裝置，具有結(jié)構(gòu)簡單、改裝方便等優(yōu)點，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。發(fā)動機與ISG電機之間有一個自動離合器，ISG電機直接與EMCVT相連，再通過差速器將動力傳遞到車輪,發(fā)動機在啟動時采用傳統(tǒng)的啟動電機，通過12 V車載電池供能。

2 主要部件數(shù)學模型的建立

2.1 發(fā)動機模型

在穩(wěn)態(tài)輸出條件下，轉(zhuǎn)矩隨節(jié)氣門開度α和發(fā)動機轉(zhuǎn)速ωe變化的數(shù)值模型如圖3所示。由于發(fā)動機動態(tài)轉(zhuǎn)矩的變化量與發(fā)動機的曲軸角加速度是呈線性的關(guān)系，因此可以得到發(fā)動機動態(tài)轉(zhuǎn)矩特性與穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)矩特性的關(guān)系[3]：

式中：Te為發(fā)動機穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)矩；TD為發(fā)動機瞬態(tài)轉(zhuǎn)矩；ωe為曲軸角速度；γ為轉(zhuǎn)矩下降系數(shù)。

1.發(fā)動機；2.自動離合器；3.ISG電機；4.EMCVT；5.動力電池組；6 .12V電池；7.啟動電機

圖3 發(fā)動機數(shù)值模型

發(fā)動機高效區(qū)的高、低轉(zhuǎn)矩值可以根據(jù)發(fā)動機的萬有特性曲線來確定。圖4為某汽油發(fā)動機最佳燃油經(jīng)濟性曲線圖,采用等效率曲線表示,同一條曲線上的效率相同,最內(nèi)層效率最高,越往外效率越低。效率曲線圖的上邊界線構(gòu)成發(fā)動機最大轉(zhuǎn)矩曲線。

2.2 ISG電機模型

本文所使用的電機為永磁同步電機。永磁同步電機具有能量密度高、轉(zhuǎn)動慣量小、效率高的特點，并且具有很好的可控性。永磁同步電機還可作為發(fā)電機使用，簡化了整車結(jié)構(gòu)。根據(jù)實驗數(shù)據(jù)，通過插值法能得到電機轉(zhuǎn)速ωm與電機輸出轉(zhuǎn)矩Tm、電機效率ηm的關(guān)系。ISG電機數(shù)值模型如圖5所示。

圖4 發(fā)動機最佳經(jīng)濟性曲線

圖5 ISG電機數(shù)值模型

電機的響應(yīng)速度始終快于EMCVT的速比響應(yīng)。當油門踏板開度瞬間變大，尤其是處于起步階段的瞬態(tài)工況時，由于電機響應(yīng)速度快，會迅速提升轉(zhuǎn)矩至該轉(zhuǎn)速下的最大值，然后CVT速比才會開始變化，這就克服了對瞬時轉(zhuǎn)矩要求高的不足。電機最佳工作曲線如圖6所示。

圖6 電機最佳工作曲線

2.3 EMCVT數(shù)學模型

機電無級變速器速比一般定義為主動輪轉(zhuǎn)速與被動輪轉(zhuǎn)速的比值:

式中：np為主動錐盤組轉(zhuǎn)速；ns為從動錐盤組轉(zhuǎn)速；imin≤iCVT≤imax。

CVT速比的控制目標是在滿足車輛驅(qū)動需求時實現(xiàn)混合動力系統(tǒng)效率最大?？苫诟鞣N工況模式下已知的最佳工作曲線,根據(jù)需求功率確定最佳工作點對應(yīng)的混合動力系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速[6]，由以下公式計算CVT速比：

式中：r為車輪滾動半徑；i0是除了CVT以外的固定傳動比；v為車速。

本文所研究EMCVT的速比范圍為0.45～2.2，通過傳動效率實驗臺得到的數(shù)據(jù),在輸入轉(zhuǎn)矩20～100 N·m下，得到EMCVT各工作點的傳動效率。根據(jù)實驗數(shù)據(jù)，建立了EMCVT關(guān)于輸入轉(zhuǎn)矩和速比傳動效率數(shù)值模型[7]，如圖7所示。根據(jù)20～100 N·m實驗數(shù)據(jù)可以計算推斷出EMCVT的平均傳動效率為92%。

圖7 EMCVT關(guān)于輸入轉(zhuǎn)矩和速比傳動效率數(shù)值模型

2.4 電池模型

為了提高電池的充放電效率，延長電池壽命，需要合理設(shè)置電池荷電狀態(tài)SOC的工作范圍。電池SOC的上、下限值可以根據(jù)SOC與電池內(nèi)阻的關(guān)系曲線來確定。由于電池的充放電效率與電池的內(nèi)阻有關(guān),故電池SOC的工作區(qū)間選為充放電內(nèi)阻相對較低的區(qū)域,以減少電池的充放電損失,提高能量轉(zhuǎn)換效率[5]。通過本研究的混合動力車所用磷酸鐵鋰電池充放電實驗，得到電池SOC值與電池內(nèi)阻的實驗相應(yīng)關(guān)系，如圖8所示。根據(jù)所示的電池內(nèi)阻曲線得到該組電池SOC值的上下限范圍為0.45～0.85。

圖8 磷酸鐵鋰電池充放電內(nèi)阻曲線

3 整車調(diào)速策略設(shè)計

3.1 能量管理策略系統(tǒng)設(shè)計

混合動力汽車能量管理策略設(shè)計是整車控制的核心，它的目標是在滿足整車動力性和其他性能的前提下，針對各總成部件特征和行駛路況，實現(xiàn)發(fā)動機和電機功率的合理分配，以此獲得混合動力系統(tǒng)最佳的能量效率[6]。本文針對PHEV的特點，對基于規(guī)則的多層次邏輯門限值控制策略進行研究，從而使得搭載EMCVT的插電式混合動力汽車能量管理策略分配滿足要求。

基于規(guī)則的穩(wěn)態(tài)控制策略主要是依據(jù)工程經(jīng)驗，通過一組靜態(tài)參數(shù)限定發(fā)動機的工作區(qū)域，根據(jù)預先設(shè)定的規(guī)則來選擇混合動力系統(tǒng)的工作模式，并根據(jù)部件的穩(wěn)態(tài)效率圖來確定發(fā)動機和電動機之間的轉(zhuǎn)矩分配，實現(xiàn)降低油耗和減少排放的目的。

PHEV整車驅(qū)動工況包括電池電量消耗模式(charge depleting,CD)和電池電量保持模式(charge sustaining,CS)。本文所研究的插電式混合動力汽車驅(qū)動工況可以分為 4個工作模式：① 電機驅(qū)動模式；② 發(fā)動機驅(qū)動模式；③ 發(fā)動機和電機混合驅(qū)動模式；④ 行車充電模式[10]。

3.1.1 電池電量消耗型控制策略

在電池電量消耗階段，當車輛需求功率(Pr)較低時由電機單獨驅(qū)動。當車輛需求功率達到發(fā)動機開關(guān)門限值(Ps)時，發(fā)動機啟動，電機輔助發(fā)動機一起工作。在發(fā)動機工作的過程中，電機維持恒定機械輸出功率，直到SOC值下降到目標值(SOCobj)附近。這一階段，發(fā)動機的開關(guān)門限值和電機提供的功率決定了發(fā)動機和電機的工作狀態(tài)。發(fā)動機開關(guān)條件由車輛需求功率、電池SOC值、電池SOC上下限值、發(fā)動機開關(guān)門限值共同決定。

在電量消耗模式下，為了最大程度利用電池能量，設(shè)有發(fā)動機單獨驅(qū)動和發(fā)動機主動充電模式?；旌向?qū)動時SOC大于SOCmin，車輛需求功率大于電機最大功率Pemax，此時根據(jù)電機能夠提供的功率Pc和發(fā)動機的最佳經(jīng)濟性曲線確定發(fā)動機的工作點，從而得到發(fā)動機提供的功率Pe。電量消耗運行狀態(tài)以及切換條件見表1[1-2]。

表1 電量消耗運行狀態(tài)以及切換條件

3.1.2 電池電量保持型控制策略

在電量保持階段采用發(fā)動機優(yōu)化曲線控制策略。從靜態(tài)條件下的發(fā)動機萬有特性出發(fā)，找出發(fā)動機比油耗低的曲線，并跟蹤由驅(qū)動條件決定的發(fā)動機優(yōu)化曲線，避免發(fā)動機工作在效率低的區(qū)域，從而實現(xiàn)整車控制。在控制過程中還要通過發(fā)動機主動充電和電機輔助工作使電池狀態(tài)限制在目標SOC值附近。這個時候要限制電機功率輸出，在車輛低速勻速行駛過程中，在發(fā)動機驅(qū)動整車的同時給電池充電，使電池SOC維持在一定的數(shù)值范圍內(nèi)，SOC波動范圍在5%左右。此時電池SOC處于25%，可以滿足車輛混合驅(qū)動模式下的功率需求。電量保持運行狀態(tài)以及切換條件如表2所示。

表2中:SOCmin，SOCmax,SOCobj分別為電池荷電狀態(tài)最小值和最大值目標值；Tr，Te，Tm分別為車輛需求轉(zhuǎn)矩、發(fā)動機轉(zhuǎn)矩、電機轉(zhuǎn)矩；Tmmin，Tmmax分別為電機扭矩最小值和最大值；Temin，Temax，Teopt分別為發(fā)動機扭矩最小值、最大值和最佳轉(zhuǎn)矩。

表2 電量保持運行狀態(tài)以及切換條件

3.2 各個驅(qū)動工況調(diào)速策略制定

速比控制的原則就是在油門踏板開度以及車速變化的時候,根據(jù)VCU采集的油門踏板開度以及車速信息，實時準確地計算出目標速比，通過速比的快速改變使驅(qū)動部件(發(fā)動機、電機)的實際轉(zhuǎn)速在盡可能短的時間內(nèi)達到目標轉(zhuǎn)速。EMCVT目標速比、EMCVT輸入軸轉(zhuǎn)速以及汽車車速三者之間的關(guān)系為[7]

式中：r為車輪半徑；nmb為CVT輸入軸轉(zhuǎn)速；i為EMCVT目標速比；i0為主減速比；v為汽車車速。

在此控制策略中，將油門踏板開度定義為驅(qū)動部件總的目標輸出功率，得到EMCVT動力性與經(jīng)濟性折中的速比控制策略如下：假設(shè)駕駛員控制油門踏板，保持車輛前進；在油門踏板開度穩(wěn)定后，即可以確定當前車輛驅(qū)動部件目標輸出功率P；而后根據(jù)系統(tǒng)效率最佳控制策略，找到動力系統(tǒng)的最佳工作點(n,T)，再結(jié)合當前車速，就可以計算出無級變速器的目標速比i，使系統(tǒng)效率最高。根據(jù)上述分析，無級變速器的目標速比根據(jù)下式確定[8]：

其中：nm為EMCVT輸入軸轉(zhuǎn)速；nout為EMCVT輸出軸轉(zhuǎn)速；imax，imin分別是EMCVT速比的上限和下限。

在Matlab/Simulink/Stateflow仿真環(huán)境下，針對動力系統(tǒng)不同的工作模式確定工作模式轉(zhuǎn)換條件及功率分配能量管理策略，由以上能量管理策略確定不同工作模式中動力系統(tǒng)主要部件的最佳工作曲線，合理控制發(fā)動機和電機之間的轉(zhuǎn)矩分配。通過兩者的轉(zhuǎn)矩分配計算出EMCVT的相應(yīng)速比，最終確定整車調(diào)速策略。以電機單獨驅(qū)動工況為例得到的調(diào)速策略，如圖9(a)所示，為電量消耗型混合驅(qū)動調(diào)速策略。電量保持型下電機驅(qū)動、發(fā)動機驅(qū)動、混合驅(qū)動、行車充電的調(diào)速策略最終整合成如圖9(b)所示的驅(qū)動工況調(diào)速策略。

圖9 PHEV的整車調(diào)速策略

3.3 仿真并分析

通過Matlab/Simulink/Stateflow建立PHEV整車調(diào)速策略，將制定的調(diào)速策略導入到ADVISOR中進行聯(lián)合仿真,分析建立的邏輯門限值能量管理控制策略以及整車調(diào)速策略的合理性。

本文在ADVISOR仿真平臺下通過修改PHEV系統(tǒng)主要部件的參數(shù)，構(gòu)建并聯(lián)式混合動力汽車仿真模型，主要部件的仿真參數(shù)如表3所示，并結(jié)合NEDC工況進行仿真[12]。

表3 PHEV系統(tǒng)主要部件參數(shù)

仿真結(jié)果如圖10所示。電機和發(fā)動機的功率得到分配，電池SOC在電量保持階段工作在目標值附近區(qū)域，燃油經(jīng)濟性得到較大改善。該結(jié)果表明這種基于多層次的邏輯門限PHEV能量管理策略以及整車調(diào)速策略能夠在各個驅(qū)動工況下滿足車輛動力性能要求，并在此前提下提高了電機和發(fā)動機的工作效率，有效降低了混合動力汽車的燃油消耗,并能很好地控制電池組SOC的變化。

圖10 仿真環(huán)境下各部件的工作曲線

4 結(jié)束語

本文在一種多階段多目標的整車能量管理策略基礎(chǔ)上實現(xiàn)了對發(fā)動機和ISG電機扭矩的合理分配，提出了既適合EMCVT特殊需要又滿足整車控制需求的各個驅(qū)動工況調(diào)速策略。

采用Matlab/Simulink/Stateflow和ADVISOR在NEDC循環(huán)工況下進行聯(lián)合仿真。仿真結(jié)果表明：該型混合動力汽車等效油耗為6.8 L/(100 km)，比原傳統(tǒng)汽油車節(jié)約油耗26%，節(jié)油率明顯提高。

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(責任編輯 劉 舸)

Driving Shifting Strategy of Hybrid Electric Vehicle Equipped with Electric-Mechanical CVT

YE Minga, PENG Jiangb, RENG Hongb, HU Jing-qingb, CHEN Yueb

(a.Key Laboratory of Advanced Manufacturing Technology for Automobile Parts,Ministry of Education; b.College of Vehicle Engineering,Chongqing University of Technology, Chongqing 400054, China)

Analyzing the characteristics of hybrid electric vehicle equipped with electric-mechanical CVT(EMCVT), the single-axial parallel transmission scheme was confirmed. According to the requirements of battery state of charge(SOC) and vehicle needed-power running in different driving cycles, comprehensively considering system efficiency, energy distribution strategy and CVT ratio shifting strategy can be achieved, and then vehicle ratio shifting strategy of hybrid electric vehicle equipped with EMCVT was carried out. The whole vehicle model and shifting strategy were built up in Matlab/Simulink and CRUISE platform and simulating in NEDC driving cycles. The results show that this shifting strategy improves motor and engine efficiency, and in this strategy, torque has been well distributed, which makes the vehicle have good power performance and obviously lower fuel consumption.

electric-mechanical CVT; hybrid electric vehicle; shifting strategy

2015-06-20 基金項目：國家自然科學基金資助項目(51275549)；重慶市科技攻關(guān)計劃項目(cstc2012gg-yyjsb6002)

葉明(1976—)，男，博士，副教授，主要從事車輛動力傳動系統(tǒng)及其控制研究。

葉明，彭江，任洪，等.搭載機電控制CVT的混合動力汽車驅(qū)動工況調(diào)速策略[J].重慶理工大學學報：自然科學版，2015(9):13-19.

format：YE Ming, PENG Jiang, RENG Hong, et al.Driving Shifting Strategy of Hybrid Electric Vehicle Equipped with Electric-Mechanical CVT[J].Journal of Chongqing University of Technology:Natural Science，2015(9):13-19.

10.3969/j.issn.1674-8425(z).2015.09.003

U469

A

1674-8425(2015)09-0013-07